【干货】高程系统、基准和框架

上次我们就坐标系统、框架和形式进行了介绍，在大地坐标中提到了大地高，它是地面点沿法线方向到椭球面的距离，起算面是椭球面，不同的坐标系统，椭球体的参数不一致，大地高也是不同的。在实际的测量应用中，一般称大地高为高度值，基本上不实际使用，而主要是用水准高，一般称为高程值。什么是水准高呢？就是地面一点沿垂线方向到大地水准面或似大地水准面的距离，到大地水准面的距离是正高，到似大地水准面的距离是正常高。

图1 大地高、正高和正常高

为理解正高和正常高的概念，就必需要解释一下大地水准面和似大地水准面的概念。大地水准面是与平均海水面重合并延伸到大陆内部的封闭重力等位面，因地球表面起伏不平和地球内部质量分布不匀，故大地水准面是一个略有起伏的不规则曲面，大地水准面的确定涉及到地球内部密度，无法通过地面测量数据直接确定。似大地水准面是在海洋面上与大地水准面重合，在大陆地区与大地水准面接近但不完全重合，用于计算的辅助面，通过地面测量数据可直接确定。

可以看出，大地水准面是一个与平均海平面重合的重力等位面。所谓重力等位面，就是重力值相等的点构成的一个物理面，假设海平面完全静止的状态，就是一个标准的重力等位面。但我们不是上帝，不能让海平面完全静止下来，所有就只能取平均海平面了。大地水准面是一个重力等位面，所以以大地水准为基准面的高程值就有这样的意义，如果两个点（近距离）的高程值相等，那么两点的重力值也相等，也就是两个点是处于同一水平线上，这在工程建设中具有重大的实用价值。这就是在实际测量中我们一般使用水准高，而不用大地高的原因了。

但是，大地水准面在实际测定过程中具有很大困难，由于以现有的测量技术，只能精确测定地面点的重力值，大地水准面在陆地部分位于地表下面，地面下由于密度不均匀，所以大地水准面无法精确计算，只能得到近似值。这在实际应用中就成为一个问题。为了解决这个问题，引入了似大地水准面的概念，似大地水准面是采用地球正常重力场模型进行计算，可以获得精确结果。正常重力场模型大概可以这样理解，就是把地球按照一个密度均匀的球体建立的，可以用模型计算地球上任一点的重力值，称为正常重力值。这个重力值是与实际重力值有一定的差异，这就是就是重力异常，在水准测量中的重力异常改正就与其相关。似大地水准面与大地水准面在海面上是重合的，在平原地区也只相差几厘米，在高山地区最大能相差到2米。

大地高、正高和正常高是最常见的三种高程系统，其中大地高可以采用GNSS技术精确测定，正高和正常高是采用水准测量结合重力测量测定。大地高和正高之间的差值称为大地水准面差距，大地高和正常高之间的差值称为高程异常。由于大地高采用GNSS测定比较便捷，正高和正常高采用水准测量费时费力，所以如果得到某点大地水准面差距和高程异常值，就可以把该点用GNSS测得的大地高转换为正高和正常高。现在，测绘大咖们已经研究出借助重力、水准、GNSS及地形数据，利用移去-恢复技术获得区域内一定分辨率的高精度的大地水准面差距和高程异常值，这就是精化大地水准面技术。如果获得高精度的大地水准面，就可以大大减轻水准测量工作。除了上面3种高程系统外，还有力高系统，主要在大型水利工程中采用，地球位数系统，主要为国外一些国家采用。由于一般很少用到，这里就不作介绍了。

图2 高程系统及其相互关系

我国的高程系统采用的是正常高系统，先后采用过1956黄海高程系统和1985国家高程基准两个高程基准。高程基准由高程起算基准面和国家水准原点高程组成。

1956年黄海高程系统是利用青岛验潮站1950～1956年7年的潮汐资料推求的平均海面作为统一高程基准面，青岛水准原点高程为72.289m。1956年黄海高程系统是我国第一个国家统一的高程基准，结束了过去高程基准繁杂的局面，但是也存在着不足之处，主要是潮汐数据时间较短、潮汐数据记录存有个别错误、高程基准并没有传递至海南岛。为解决这些问题，1985年，原国家测绘局利用青岛验潮站1952～1979年28年潮汐资料推求的平均海面作为统一高程基准面，青岛水准原点高程为72.2604m 。1985国家高程基准自1988年1月开始启用，一直使用至今。

再介绍一下水准原点。水准原点是水准测量传递海拔高程的基准点，即国家高程控制网中，所有水准点高程的起算点。1956黄海高程系统和1985国家高程基准采用了同一个水准原点，该水准原点位于山东省青岛市观象山公园，建有一座精巧别致的小石室，水准原点在石室内。水准原点的标石是用坚固的花岗岩石柱筑成，用混凝土牢固地粘附在坚固的岩石上。在柱石顶端凿有一竖孔，镶嵌一玛瑙标志，顶部为半球形。在原点附近埋设若干个附点，构成原点网，每隔若干年对各点的高程差重复测定。2021年10月我到青岛参加中国测绘学会年会，本计划抽时间去参观水准原点，竟未能实现，很是遗憾，再有机会去青岛一定前去朝圣。

图3 国家水准原点

我国的高程框架主要是由国家一二等水准网点组成，一等水准网是骨干网，二等水准网在一等水准网的基础上进行加密。国家一二等水准网按建设历程分为3期，国家第一期一等水准网于1951-1969年进行布测。国家二期一等水准网布测与数据处理于1976年至1986年间进行，共289条路线，总长度93360km，构成100个闭合环。每千米水准测量全中误差为± 1.03mm。该成果1986年7月通过原国家测绘局鉴定，并于1987年5月26日公告使用。国家二期二等水准网布测与数据处理于1982年至1988年间进行，共1139条路线，总长度 136368 km，构成822个闭合环。每千米水准测量全中误差为±1.54mm。国家二期一等水准网复测于1991年至1998年间进行，共248条路线，总长度85452km，构成77个闭合环，形成172个结点。每千米水准测量全中误差为±1.06mm，2000年6月通过原国家测绘局验收，并于2001年3月27日公告使用。国家三期一等水准网于2012年至2015年布测，共431条路线，总长125746.5km，构成水准闭合环148个，联测一等水准点26694个。每千米测量全中误差为±0.92mm。2017年完成167476.9千米二等水准改算，国家三期二等水准的布测工作现在正在进行中。

在国家一二等水准网点的基础上，地方各级测绘单位加密了大量的三、四等水准点，是实际测量中的最常用的高程起算点，也可以认为是高程框架的重要组成部分。

本文对高程系统、基准和框架进行了概要的介绍，与上一篇《坐标系统、框架和形式》可以说是兄弟篇，如果对大家在坐标系统和高程系统的认识和理解上有些许帮助，就算很成功了。

来源：测绘砖家