測站考證相關概念及基本原則探討

孟令鵬 趙邦棟 王書亮

長期以來，主要包括基面考證和水準點高程考證在內的測站考證一直是水文資料整編時關注的焦點，為理清考證思路，擬從其所涉及的凍結基面、絕對基面及基面改正數等基本概念出發，展開相關討論，并對測站考證應該遵循的原則及注意事項作出必要的說明。

一、凍結基面

水文測站在記錄基本水準點高程、校核水準點高程和水位時都是按照國家規范要求采用凍結基面。

按照定義，基面就是測量地面點位高程的基準，而高程基準定義了陸地上高程測量的起始面。通俗地講，水文行業所用到的基面就是指計量點位高程和水位的起始面。

凍結基面則是指水文測站將本站第一次觀測所使用的基面固定下來作為以后觀測長期使用的基面。在制訂我國第一部《水文測站規范》前，水利部水文局就專門討論過水文測站水位觀測的高程表達方法與國家水準基面統一標準的應用問題，規定了測站一經設置，使用的任何基面均須凍結，以維持實測水位值前后一致，另在水位表上加注“絕對基面”與“凍結基面”間的差值。

以凍結基面為起始面表示的點位高程即為凍結高程，水尺零高和平時觀測的水位數據均屬凍結高程范疇。

測站使用的基面一經凍結，不論地面有無下沉還是上升或者標載凍結高程的基本水準點有無變動，也不論經由哪條水準路線或采用哪一個引據水準點接測，其位置是不應該再有變化的。簡而言之，凍結基面位置是固定不變的。除合理的誤差以外，如有變動，基本上可以認為是違背使用凍結基面初衷而采取的錯誤技術路線所致，這就枉用了“凍結”二字。

測站由于自身特點，設站時所確定的凍結基面是唯一的、非關聯性的，并因站而異。一個測站有且僅有一個凍結基面才屬于正?，F象，否則應查找原因并分析處理，將后來出現的所謂“凍結基面”歸結到起初使用的凍結基面上來。

二、絕對基面

在地形圖測繪、防汛抗旱的指揮調度等非單站或非局部點位高程應用方面都必須使用同一基面。為了統一表示區域或流域乃至全國的點位高程，絕對基面便應運而生。

絕對基面指的是以某一海濱地點平均海水面為準并將其高程規定為零的水準基面。絕對基面一般由瀕海驗潮站根據一定時期的潮位觀測資料分析確定，通常通過驗潮站附近一水準原點的絕對高程來標定其具體位置。

不同的海濱地點所確定的絕對基面位置是不一樣的。因地域差異，我國沿用的主要有大連、大沽、黃海、廢黃河口、吳淞、珠江等絕對基面。其中廢黃河口基面出現歷史較早，蘇北里下河地區一些水文站在建站時均以此作為凍結基面使用，當地防汛部門在防汛抗旱工作中也一直使用該基面的水位。而黃?；鎸嶋H上應該區分為56黃?；婧?5基準基面。56黃?；媸菄乙罁鄭u驗潮站1950～1956年的潮位觀測資料建立的作為第一個國家高程系統的全國統一的絕對基面，一些站每年的逐日平均水位表上標注的基面換算關系中所謂“黃?；妗敝傅木褪沁@一基面。85基準基面是國家為了提高統一基面的精度，根據青島驗潮站1952～1979年的潮位觀測資料建立的全國統一的絕對基面，以替代56黃?；?，其換算關系為：56黃?；娓叱蹋?5黃?；娓叱?0.029m。此基面于1987年5月正式公布使用。

水準測量所引用的國家水準點高程均是基于各種絕對基面的數據，即絕對高程。

絕對基面一經確定，其位置應是固定不變的，但這只能針對水準原點所在地而言，而其他地區特別是遠離水準原點地區的水準點高程數據均是通過布設各種水準路線形成一個大范圍的水準網來進行水準聯測、平差而確定的。這樣，水準路線的走向、水準網的疏密、測量與數據處理技術甚至相關技術人員的能力等因素均會對某一地點測量結果產生影響，進而影響水準點高程的確定。各種影響因素綜合起來的主要表現是隨機的，其形成的誤差應該視為偶然誤差，誤差值一般在0附近擺動，且符合正態分布規律。

從測站角度來看，其附近國家水準點的絕對高程或者說由此而確定的絕對基面位置受制于測量與平差技術等因素影響。確定之初，高程數據或基面位置就存在偶然誤差，再次測量平差后，仍會因新的誤差而產生變動，這就說明絕對基面位置不是唯一的，與外界有關聯，且站群之間誤差大小具有相似性，這與凍結基面的獨立性具有明顯區別。隨著絕對基面高程系統的維護與更新，即便是位置絲毫沒有變動的國家水準點其絕對高程還是會跟著變化的。如果測站一直采用絕對高程表示水位，水位序列就會因引用一次系統更新而產生一次折變，多次更新多次折變。采用凍結高程表示水位就能規避這種情形對水位序列的干擾。

三、基面改正數

從單站水位記錄到測站間水位比較就要牽涉到從凍結基面到絕對基面的變換問題。其實，這種基面變換也很簡單。如果測站附近有穩定的國家水準點且有準確的高程數據，那么以此國家水準點為引據點，經過至少三等的水準測量可以得到測站基本水準點絕對高程，將基本水準點的絕對高程減去其已有的凍結高程得一差值，這一差值就是測站考證時需要明確的基面改正數，俗稱“凍結差”，又稱“國凍差”。通過在凍結基面上的水位加上基面改正數后，就可以輕松實現水位從凍結基面到絕對基面的換算。在每年的各站“逐日平均水位表”右上角都標有這樣的換算關系：“表內水位（凍結基面以上米數）+*.???m＝××基面以上米數”，此即基面關系式，式中“*.???”為精度與高程一致的基面改正數，“××基面”指的是某一絕對基面。

對于一個測站，一個絕對基面對應一個基面改正數，如果一個測站同時使用幾個絕對基面，那就擁有幾個基面改正數。絕對基面變更，基面改正數也必須隨著變更。

基面改正數雖然是通過測站基本水準點絕對高程和凍結高程計算得來的，但一經確定后，將不再隨基本水準點的高程而變化，基面改正數客觀上反映的是凍結基面與絕對基面間的距離，不會隨哪個水準點的變化而改變。不過，由于絕對基面位置受到高程系統維護、更新的影響，存在偶然誤差，所以，在每次國家高程系統復測平差后，通過水準接測，基面改正數也會基于偶然誤差跟著發生變動，反過來講，也正是通過基面改正數的變化來間接體現絕對基面位置的調整或精度提高。

但是，基面改正數在確定時畢竟是采用基本水準點的絕對高程和凍結高程來計算的，其中絕對高程是通過引測國家水準點獲得的，當初從國家點到基本點的水準測量精度及國家點本身絕對高程精度都是左右基面改正數的關鍵因素，如果再出現基本水準點發生變動并伴有國家水準網高程控制系統產生更新等綜合情況，那么在考證時針對基面改正數的驗證或重算便會出現麻煩，所以圍繞基面改正數的復核計算便成為考證工作的重點內容，由于其復雜性，往往也是技術難點之所在。

四、考證應遵循的兩個基本原則

一般情況下，為了有效地進行資料分析比較，便于實際綜合應用，通常要求所用資料具有統一性。而測站采用凍結基面與絕對基面來計量水位，正是使水位數據從不同角度滿足了這方面的要求。

以時間為橫坐標、凍結高程為縱坐標的單站水位資料序列要求體現連續性，它強調的是時間概念上的數據趨同。

以站別為橫坐標、絕對高程為縱坐標的區域測站水位對比要求體現一致性，強調的是空間概念上的數據趨同。

所以在測站考證時，既要縱向比較單站水位序列是否連續，又要橫向比較測站間是否準確采用了相同的絕對基面。充分考慮單站水位資料序列的連續性和正確采用絕對基面以保證絕對高程基準的一致性，便是測站考證應當遵循的兩個基本原則，連續性與一致性缺一不可，二者不可偏廢。

單站考證時，連續性重點應放在基本水準點的高程變化有無影響到凍結基面的位置穩定；一致性重點應放在考證基本水準點絕對高程或基面改正數是否正確。

五、考證注意事項

如何正確使用凍結基面是測站考證首要面對的問題，在考證時，往往由于凍結基面概念不清或混淆，可能會產生許多不應該出現的不當關聯，以致測站考證出現偏差甚至錯誤，因而有必要圍繞凍結基面分清以下幾點：

（1）基面凍結不是地面凍結。地面上升或沉降是受到人為和自然綜合因素影響而產生的，它不可能帶動凍結基面位置上下變動。就一些存在地面沉降現象的測站而言，不論當前已經發生的地面沉降是均勻沉降還是非均勻沉降，它改變的僅僅是地面自身及其附著物包括各種水準點的高程，絕對不應該也不可能影響到凍結基面的位置。所以，在基本水準點同樣有下沉跡象且其凍結高程還無從重新確定的情況下，利用屬于引用下沉后的國家水準點新高程的水準接測成果配合基本水準點舊的凍結高程來重新計算基面改正數就會影響到凍結基面的位置穩定，這種計算方法等于是重新“凍結”了一次測站原用的凍結基面，改變了凍結基面的位置，明顯屬于錯誤，是不可取的。用絕對基面間的理論基面差作為控制，發現有些測站在首次使用85基準基面時計算的基面改正數與其他站分析比較后存在明顯異常，可能就是這種原因造成的，應該予以糾正。

（2）凍結基面位置盡管采用基本水準點凍結高程來標定，但凍結基面決不代表基本水準點高程被凍結?；舅疁庶c如發生位置變動或滅失，不會引起凍結基面位置的任何變化，充其量在重新找回凍結基面的準確位置即確定新的基本水準點的凍結高程時會出現一些麻煩。

（3）基面凍結不是基面改正數一成不變?；娓恼龜凳请S著絕對基面變化而變化的。絕對基面變化包括兩種情況，一種是絕對基面間的變換，從采用一個絕對基面到采用另一個絕對基面來表示基本水準點的標準高程時，基面改正數是要隨著變換的；另一種是同一絕對基面的高程系統重新復測平差，高程數據有所更新，水準接測后就要重新計算基面改正數。

值得注意的是，單純地重新計算基面改正數的前提應是國家水準點和基本水準點的位置均未發生變化，否則直接重新計算出來的基面改正數就包含了基本水準點高程的變化量，其后果就會影響到凍結基面的穩定，同時舊引據水準點高程的變化量也會掩蓋水準網精度的提高，使得重新計算基面改正數失去應有的價值。

如何在地面下沉引起舊引據水準點和基本水準點的位置均產生變化的情況下，應用最新的國家水準點高程數據及最新的水準測量成果來計算或復核基面改正數，這便屬于在充分了解與測站考證相關聯的基本概念以后，在實際工作中所要面臨，進而需要探討、解決的核心問題即考證技術問題