長江口崇明島域跨江高程測量基準網構建與完善

雷婉南，趙鵬飛

（1.上海建設管理職業技術學院，上海 200232；2.上海市測繪院，上海 200063；3.自然資源部超大城市自然資源時空大數據分析應用重點實驗室，上海 200063）

高程基準的建設是一個地區經濟建設和社會發展的基礎性工作[1]，而島域高程基準的建立一直以來是高程基準建設的難點[2-3]。島域一般被水域（大海、江河）等隔離，遠離陸域，只能采用跨江（海）高程連測的方式將高程基準傳遞到島域，連測難度隨著跨江（海）距離的增加而增大。若有隧道、大橋等線性工程可嘗試通過其進行幾何水準連測，若不具備幾何水準連測條件，還可以采用動力水準法、靜力水準法、三角高程法、GNSS 跨江水準等方法[4-5]，其中通過三角高程法跨江高程連測是較為成熟的一種方法[6-7]。

崇明島位于長江口，面積超過1200 km2，是我國的第三大島。上海市于2021 年開展了全域高程控制網復測工作，完成了上海市高程基準的更新任務，并順利實現了上海陸域到崇明島的精密高程連測，解決了上海陸域到崇明島無法開展一等幾何水準連測等重大技術問題。在2022 年9 月召開的上海市高程控制網復測項目專家驗收會上，李建成院士等專家對項目高度肯定，并認為在該項目中“首次實施上海陸域到崇明島一等幾何水準連測，實現了上海陸域和崇明島的高程基準完全統一”。

1 崇明島高程基準建設歷史

崇明島高程基準建設的歷史相比于上海市區較晚。根據相關志書記載[8]，江蘇省南通地區測量隊于1952 年3 月在崇明島布設了環島水準，采用了近似吳淞高程系的假定高程系統，此為崇明島上最早的高程測量記錄。

上海陸域至崇明島的跨江高程連測最早始于20 世紀60 年代初。當時因國家科委“長江口航道改善措施研究”課題的需要，在長江下游自江陰到長江口沿江兩岸建立二等水準網。在長江下游地區二等水準網中，共包括三條跨江三角高程測量，首次完成了上海陸域—長興島—崇明島的跨江連測，三條跨江三角高程測量由上海市測量總隊于1965—1966 年完成，具體情況見表1。

表1 20 世紀60 年代長江下游地區跨江連測簡況Table 1 River-crossing leveling in the lower reaches of the Yangtze River in the 1960s

上海市從20 世紀50 年代起開始周期性的高程控制網測量工作，1968 年上海市高程控制網范圍開始覆蓋到崇明三島（崇明島、長興島、橫沙島），崇明三島開始建立起與上海陸域地區相對統一的高程基準系統。上海航道局于1965 年在長興島鳳凰鎮設置基巖標J11，于1973—1974 年在崇明新河鎮附近設置基巖標J12，從此這兩座基巖標便作為長興測區（含長興島、橫沙島）及崇明測區（含崇明島）的高程基點。之后的歷次上海市高程控制網復測范圍均涵蓋了崇明三島，但是由于條件限制只能采用分區測量并平差計算的方式，即上海陸域測區、崇明測區和長興測區分別以佘山基點、崇明基點（J12）和長興基點（J11）作為起算點。所以，上海陸域測區、崇明測區和長興測區的高程基準一直以來實際上是相對統一的獨立體系。2006 年，上海市測繪院在上海市高程控制網復測中再次利用三角高程法實施了上海陸域—長興島—崇明島的跨江高程連測，發現長興基點（J11）比原值低21 mm，崇明基點（J12）比原值低7 mm，但為了高程復測成果的延續性，依然采用原成果將三個測區獨立平差[9]。

2004 年12 月，上海長江隧橋工程正式啟動，其南起浦東五號溝、經長興島，北止崇明陳家鎮，全長25.5 km，采用“南隧北橋”的建設方案，是目前世界上規模最大的隧橋結合工程，包括長達8.95 km 的全球最大隧道——長江隧道和16.5 km 長的世界第一公路、軌交合建斜拉橋——長江大橋。原有上海陸域測區、長興島測區、崇明島測區高程基準的精度和統一性已無法滿足長江隧橋的建設需求，所以在浦東、長興島和崇明島分別建造基巖標JY1、JY2、JY3，構建起長江隧橋專用高程控制網，采用三角高程法進行跨江連測，并利用GNSS 高程擬合法進行檢核[10-11]。

2009 年長江隧橋建成，為上海陸域到長興島及崇明島的幾何水準連測創造了有利條件。2009 年底，上海市測繪院嘗試在長江隧橋建成到通車之前的窗口期，通過穿越長江隧橋開展上海陸域—長興島—崇明島一等幾何水準連測。結果實現了穿越長江隧道的水準測量，順利完成上海陸域至長興島的一等水準測量；而在長興島至崇明島的水準測量中，由于長江大橋上較強側向風擾動的影響，水準讀數不穩定，只能盡量縮短視距測量勉強完成，認為最終精度僅接近二等水準要求。在2011 年的上海市高程控制網復測數據處理時，參考了2009 年的跨河水準連測數據[12]。

從此在上海市高程控制網復測工作中（例如2016 年、2021 年上海市高程控制網復測），均可通過長江隧道開展上海陸域至長興島的一等幾何水準連測，長興測區和上海陸域測區高程基準完全統一，故合并上海陸域測區和長興測區，即本文所述的上海陸域均包含原上海陸域測區及長興測區。而崇明島由于客觀條件的限制，2021年之前一直無法實現可靠的一等幾何水準連測，這也成為上海市高程基準建設及統一過程中的遺憾。

2 崇明島跨江連測

在2021 年上海市高程控制網復測工作中，首先按照慣例通過長江隧道，以一等幾何水準的方式完成浦東到長興島的高程連測。然后組織開展了長興島到崇明島的跨江精密高程連測，并在崇明島域高程基準建設的歷史上首次實現了長興島到崇明島的一等幾何水準連測，同時以兩套方法、兩條測量路線實現了長興島到崇明島的跨江連測（圖1），兩條路線（東線、西線）跨江連測的具體情況如表2。

圖1 長興島至崇明島跨江連測示意圖Fig.1 The sketch of Changxing Island to Chongming Island cross-river leveling

表2 長興島至崇明島跨江連測簡況Table 2 River-crossing leveling form Changxing Island to Chongming Island

東線通過穿越在建的LNG 越江管道A 線實現連測。上海市天然氣主干網崇明島—長興島—浦東新區五號溝LNG 站管道工程A 線（簡稱LNG 越江管道A 線）起始于長興島工作井，隧道穿越長江口北港水域，最終接入崇明島工作井，隧道內徑3.4 m，有利于在隧道內實施幾何水準測量。LNG 越江管道A 線于2021 年實現貫通，從貫通到設備安裝存在短暫的窗口期，可在窗口期內從管道內穿越長江口北港實施幾何水準測量。而運營期內為保障安全，管道內將充滿水，不再具備穿越管道的條件，所以這次實施測量的窗口期也是唯一的窗口期。

西線采用跨江三角高程法跨越長江口北港實現連測。連測選取了長江口北港最窄處進行三角高程測量，選址充分利用了建成的長興島青草沙水庫北岸大堤，大大縮短了跨距，跨距僅為4.1 km。

3 跨江連測中的關鍵技術

3.1 東線連測

東線高程連測通過穿越LNG 越江管道A 線完成，包括兩段豎井高程聯系測量和一條一等幾何水準測量路線，詳見圖2。

圖2 東線連測示意圖Fig.2 The sketch of east cross-river leveling

首先在長江口北港兩岸通過工作豎井（長興工作井、崇明工作井）開展豎井高程聯系測量，將地面高程傳遞到工作豎井底部（CMBM1-CMBM2、CXBM1-CXBM2），然后在LNG 越江管道A 線內開展一等幾何水準測量（CMBM2-CXBM2），從而實現長興島至崇明島的一等幾何水準連測。

（1）豎井高程聯系測量

兩處豎井高程聯系測量采用不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法進行測量，觀測原理如圖3。

圖3 不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法示意圖Fig.3 The sketch of trigonometric leveling method without instrument height and prism height

在不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法中，研發了專用的對中桿，對中桿的長度完全一樣，能夠保證安置時前后視棱鏡高完全一樣。為了測量點A 到點B 的高差，在I 處設置全站儀，A 處和B 處安置棱鏡及對中桿，測得儀器I 到棱鏡A 的距離S1和垂直角α1，儀器I 到棱鏡B 的距離S2和垂直角α2，則點A 和點B 高差為：

式中：Δh為測量高差；S為儀器到棱鏡的距離；α為垂直角；k為大氣垂直折光系數；R地球平均曲率半徑。

由于A 處和B 處的對中桿高度完全相同，所以不需要測量儀器高和棱鏡高，同時也避免了測量儀器高和棱鏡高時產生的誤差。圖4 為不量儀器高、棱鏡高三角高程法的專用對中桿。

圖4 不量儀器高、棱鏡高的光電測距三角高程法專用對中桿Fig.4 The centering rod for trigonometric leveling method without instrument height and prism height

（2）穿越江管道幾何水準測量

以一等幾何水準的方式穿過越江管道施測。其測量方法與常規一等幾何水準一致，但考慮到長江潮汐對越江管道內部高程的影響[13]，所以提前根據潮汐表選擇在小潮日及平潮時段施測，并將水準路線分成多段同時施測，盡量縮短施測時間。根據隧道長度按1 km 左右劃分測段，多小組、多測段同時測量，可以不考慮一等幾何水準路線的對稱性。最終越江管道內的一等水準路線的往返不符值為-0.67 mm，滿足國家一等水準測量規范[14]要求。

3.2 西線連測

西線采用三角高程法進行跨江高程連測。

（1）觀測條件的控制

在跨江高程連測中，主要誤差來自垂直折光誤差，通過合理選擇和布設跨江場地，能夠有效減少不對稱性大氣折光誤差[7]。如何減小跨江距離是保證高程連測精度的關鍵，在跨江場地的選擇和布設中，充分利用了2010 年建成的青草沙水庫，其中南岸跨越點選擇了長興島青草沙水庫北岸大堤，北岸跨越點選擇了崇明島堡鎮大堤，從而實現了在長江口北港最窄處實施跨江測量，跨距僅為約4.1 km，遠小于長江口北港水域的平均寬度（8～10 km）。

在跨江測量時增加圖形條件，將跨江點布置成穩定的大地四邊形，即在南北岸跨越點各建造兩個強制歸心觀測墩。經過提前驗算，建造觀測墩的高度約3 m，能實現兩岸視線距水面的距離一致且視線垂直角小于1°，并保證視線高度嚴格滿足國家一等水準測量規范的要求。強制歸心觀測墩樣式參見圖5。

知識管理是利用現代信息技術和手段，構建服務于組織或個人的知識系統。通過該系統，對知識進行積累、挖掘、分享和應用等活動，促進知識不斷更新和創新。對知識系統的這種持續性活動和操作，又會反饋到系統內部，使得系統更為完善，內容更為合理。知識管理是知識轉化的重要途徑。知識管理最早應用于企業管理，通過對企業數據的統計分析和挖掘，更好地支撐企業決策。目前越來越多的知識工作者利用知識管理框架、模式和工具，進行項目、內容、文獻、學習等的管理[3]。知識管理流程如2所示：

圖5 觀測墩實景照片Fig.5 The observation pier

同側觀測墩之間的距離約60 m，四個觀測墩構成大地四邊形觀測條件。采用八點法進行觀測，即每個觀測墩頂部安裝兩個測量標志，一個標志上架設儀器，另一個標志上架設覘標，這樣可在對向觀測時視線環境條件保持一致。

如 圖6 所 示，KCC1a、KCC2a、KCC3a、KCC4a 為儀器架設點，KCC1b、KCC2b、KCC3b、KCC4b 為覘標架設點，虛線為目標測線，實線為實際測線。

圖6 跨江大地四邊形示意圖Fig.6 The sketch of cross-river geodetic quadrangle

（2）邊長測量

用GNSS 測量的方式確定跨江觀測點之間的距離，按照B 級靜態GNSS 網要求觀測[15]。解算時，在2000 國家大地坐標系下，以DAEJ、ZJZS、JSNT、JSLS 四個國家GNSS 連續運行站作為三維約束平差的約束條件，求出待定GNSS 網點坐標。平差后通過坐標反算空間距離，再將反算的空間距離歸算到儀器點和覘標點間的水平距離，作為觀測邊長。

式中：v為覘標高，i為儀器高；D為儀器點和覘標點之間的水平距離；D''為儀器點和覘標點之間的斜距；D'為坐標反算的空間距離；α為跨江觀測的垂直角中數。

（3）垂直角測量及高差計算

使用徠卡TS60 高精度全站儀（標稱測角精度為±0.5’’，測距精度±(0.6+1×D) mm）測量垂直角，垂直角共測量18 個光段，單測回數為36 組。

（4）精度控制

三角高程法跨江連測每條邊單光段高差間的互差限差為：

式中：M?為每千米水準測量的偶然中誤差限差；N為總光段數；S為跨江視線長度。

由大地四邊形組成三個獨立閉合環，用同一時段的各條邊高差計算閉合差，各環線的閉合差應不大于限差：

式中：Mw為每千米水準測量的全中誤差限差；S為跨江視線長度。

經計算，光段互差最大值為61.0 mm，小于限差±68.7 mm；環閉合差最大值為6.36 mm，小于限差±24.3 mm，均滿足國家一等水準測量規范的要求。

4 結論與展望

在2021 年上海市高程控制網復測中，歷史首次同時采用了兩條測量路線將高程基準傳遞到崇明島，其中東線基于豎井聯系測量及一等幾何水準，通過穿越LNG 越江管道A 線實現，西線基于跨江三角高程測量，通過跨越長江口北港實現。兩條測量路線都順利實現了長興島至崇明島的高程連測。兩條測量路線還可以進一步互相檢核，由跨江高程連測東線、西線以及長興島和崇明島上的其他水準路線可構成閉合環（參考圖1），該閉合環長度為90.9 km，閉合差限差為±30.08 mm，環閉合差僅為-5.1 mm。東西兩條跨江連測路線的一致性較好，以水準點10-179A 為例（位于J12 到JY3 的水準路線中），以長興島基巖點起算，從東西兩條路線分別推算該點高程，高程互差僅為1.7mm，進一步證明了跨江高程連測的可靠性。此外，崇明島上的基巖標J12 和JY3 也被證明有較好的穩定性。

值得一提的是，通過LNG 越江管道A 線的唯一窗口期首次實現一等幾何水準連測，這次連測彌補了上海市高程基準建設及統一的最后遺憾，實現了上海市高程控制網數據的統一平差，消除了數據分區平差的弊端，最終保障了崇明島和上海陸域高程基準的完全統一，將對崇明島的建設和發展起到重大推進作用。

鑒于崇明島和上海陸域的高程基準已完全統一，在今后的復測中，建議經檢核后將基巖標J12 及JY3 均作為崇明測區的基點，避免J12 單點起算形成自由網，從而造成崇明測區的數據異常。

本研究對類似大型工程也有一定的借鑒和啟示意義，例如：

（1）加強踏勘，利用有利條件開展施測。如利用在建LNG越江管道A線的唯一窗口期開展的幾何水準測量；利用青草沙水庫大堤大大縮減跨越長江口北港的距離等。

（2）提前設計，通過控制細節減小誤差。如在越江管道中開展水準測量，除了嚴格執行規范要求外，還要提前規劃好施測時間，減小潮汐的影響等。