本文内容来源于《测绘技术装备》2026年第2期
精密水准测量在湖南省似大地水准面中的应用
李秀明1，詹艳春2，刘晓云1，刘 璐1，王建文1
（1. 自然资源部大地测量数据处理中心，陕西西安 710054；
2. 湖南省第一测绘院，湖南长沙 410114）
摘 要
精密水准测量是建立高等级高程控制网的核心手段，在科学研究、地震监测和现代地壳垂直运动监测等方面的作用愈来愈重要。本文以湖南省似大地水准面精化提升项目为例，详细阐述了精密水准测量在湖南省建立高精度高分辨率似大地水准面模型（HNQG2024）中的应用。结果表明，通过将湖南省施测的精密水准路线与国家最新观测的一、二等水准路线联合处理，提升了水准网的耦合性，确保了数据处理精度，使湖南省高程基准与国家高程基准高度契合，为水准网成果的广泛应用打下了良好基础，提升了湖南省似大地水准面的精度。
关 键 词
精密水准测量；水准网；似大地水准面；卫星定位高程测量
作 者 简 介
李秀明，工程师，硕士，现主要从事大地测量数据处理工作。E-mail：420217488@qq.com。
引 文 格 式
李秀明,詹艳春,刘晓云,等.精密水准测量在湖南省似大地水准面中的应用[J].测绘技术装备,2026,28(2):61-65.
DOI:10.20006/j.cnki.61-1363/P.2026.02.009.
正 文
精密水准测量不仅是建立高等级高程控制网的核心手段，在精密传递高程方面也具有无法取代的地位，其应用场景广泛，除用于国家现代测绘基准体系与国家高程控制网的建立和维护外，还被广泛应用于国民经济建设及地壳形变监测中，在各地重点区域地面沉降监测和各省(市)级似大地水准面精化等领域发挥着重要作用。
省市级似大地水准面的构建是建设新一代现代测绘基准的一项重要工作。李建成早在2002年就完成了省级似大地水准面精化相关技术的研究工作。部分省(市)级似大地水准面精化完成时间较早，但受限于当时重力等各类资料不丰富、理论方法不先进及采用老的测绘基准等原因，所构建的似大地水准面模型精度不高，成果现势性不足。
为此，部分省(市)计划依托新实测的全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)水准成果，对似大地水准面模型进行新一轮的精化工作，以完成水准面成果的迭代更新。
1湖南省精密水准测量
2005—2006年，原国家测绘局组织实施了包括湖南省在内的华东、华中区域似大地水准面精化工作，2007版湖南省似大地水准面模型作为其中的一部分，获得了精化模型内符合整体精度为3.1 cm、外部检测精度为4.3 cm的成果。2017年，在上述成果基础上，利用高分辨率地形数据恢复甚短波扰动重力场，建立了2017版湖南省似大地水准面模型，其成果空间分辨率提升至2.0′×2.0'，模型精度优化至2.2 cm。
根据新一代国家现代测绘基准建设要求，以及湖南省实际应用需要，湖南省现有似大地水准面模型还需进一步优化和提升。为此，2022年，湖南省自然资源厅组织实施了湖南省似大地水准面精化提升项目，通过构建全省统一、高精度、分布合理且密度相对均匀的卫星大地控制网和高程控制网，实现了湖南省测绘基准的动态维护与更新，进一步优化和提升了湖南省似大地水准面模型的精度。
1.1 精密水准测量数据概况
精密水准测量数据分为两部分：一部分是省级测量的一、二等水准路线数据，另一部分是全国二等水准网测量项目的一等恢复测量水准路线和二等水准路线数据。鉴于全国二等水准网测量项目成果并未正式发布，为了最大限度确保已有国家一、二等水准路线数据成果与本项目平差成果的一致性，本文以国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程一等水准环(以下简称“国家一等水准路线”)为界线进行已有资料的收集。
精密水准网测量项目具体情况如下：
1）湖南省一、二等水准路线数据。施测周期为2022年11月至2024年3月，施测一等水准路线26条，施测二等水准路线271条，其中包含支线95条。
2）全国二等水准网测量项目的一等恢复测量水准路线和二等水准路线数据。以国家一等水准路线为界线，涵盖湖南省境内及周边省份国家二等水准网测量项目的一等恢复测量水准路线和二等水准路线，施测周期为2019年9月至2020年12月，施测一等恢复测量水准路线3条，施测二等水准路线131条。
湖南省精密水准测量路线分布如图1所示。
图1 精密水准测量路线分布
1.2 精密水准测量数据处理
1.2.1 数据提取与整理
本文对观测数据进行了外业资料的提取、整理与预处理等工作。首先，按照结点平差要求，在进行内业数据整理时，将外业路线按起算点和结点进行线路拆分。其次，将湖南省施测的一等水准路线划分为26条，线路编号为1001-1026；将国家一等恢复测量水准路线划分为3条，线路编号为1001-1003，二等水准路线划分为668条，线路编号为2001-2668。
同时，完成了37个一等重力点、4 204个加密点的重力测量与数据处理。实测的重力点分布情况如图2所示。水准点在匹配实测重力点时，先按照水准点坐标、点名、正常高与重力点的坐标、点名、正常高等核心信息进行匹配，针对匹配结果存疑的点位，通过调取外业照片进一步核实确认，最终成功匹配1 696个重力点成果。其中，一等重力点成果34个，加密重力点成果1 662个。
图2 实测重力点分布
1.2.2 起算点分析与确定
湖南省一等水准网由两部分组成，分别为湖南省一等水准测量路线及国家一等恢复测量水准路线。其中，湖南省一等水准测量路线接测至国家一等水准测量路线和国家一等恢复测量水准路线，国家一等恢复测量水准路线均接测至国家一等水准测量路线。二等水准测量路线包含湖南省施测的二等水准路线和全国二等水准网测量项目中的国家二等水准测量路线。湖南省二等水准测量路线均接测至湖南省一等水准测量路线和国家一等水准测量路线。接测至国家一等水准测量路线的起算点均经检测且合限，起算点高程值取自“国家现代测绘基准数据处理国家高程控制网数据处理成果表”,该成果于2017年正式发布。一、二等水准测量路线的起算顺序如图3所示。
图3 水准测量路线起算顺序示意图
1.2.3 每千米水准测量偶然中误差和全中误差计算
确定起算点后，先推算各水准点概略高程，并计算水准标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正和固体潮改正。
本次测量各等级水准成果精度指标计算结果如下：
1）国家一等恢复测量水准成果。用水准路线高差不符值计算的每千米水准测量偶然中误差为0.40 mm,用经过各项改正后的环闭(附)合差计算的每千米水准测量全中误差为0.72 mm。
2）湖南省一等水准测量成果。用水准路线高差不符值计算的每千米水准测量偶然中误差为0.36 mm,用经过各项改正后的环闭(附)合差计算的每千米水准测量全中误差为0.81 mm。
3）二等水准测量成果。用水准路线高差不符值计算的每千米水准测量偶然中误差为0.54 mm,用经过各项改正后的环闭(附)合差计算的每千米水准测量全中误差为0.93 mm。
上述成果精度均达到GB/T 12897—2006《国家一、二等水准测量规范》的精度要求。
1.2.4 环闭(附)合差统计
本次水准网的附合线路及闭合环、支线形成情况为：湖南省一等水准测量水准网形成26条附合线路，国家一等恢复测量水准网形成3条附合线路，二等水准网形成119条附合线路、118个闭合环及95条支线。各等级水准网环闭(附)合差的分布区间如表1所示。
表1 环闭（附）合差分布区间统计
由表1可知，湖南省一、二等水准测量路线构成的闭合环和附合线路，用经过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正和固体潮改正后计算的环闭（附）合差均符合限差要求。
1.2.5 水准网平差计算
本次一、二等水准测量路线数据处理遵循逐级控制、分级平差原则，采用间接平差法开展平差计算。以加过标尺长度改正、正常水准面不平行改正、重力异常改正和固体潮改正后的往返测高差中数为观测元素，待定结点高程为未知数，按测站定权进行结点平差。在结点高程及线路高差平差改正量计算完成后，采用附合线路平差的方法推求其他各水准点的高程。
1.2.6 精度评定
基于上述水准网平差方法及处理结果，全面验证一、二等水准测量路线数据的可靠性与精度达标情况，并对不同等级水准网的平差成果进行精度评定，具体结果如下：
1）国家一等恢复测量水准网平差后每千米中误差为0.72 mm，最弱点高程中误差(Ⅱ零道1-3）为2.03 mm。
2）湖南省一等测量水准网平差后每千米中误差为0.81 mm，最弱点高程中误差（1924下固）为10.47 mm。
3）二等测量水准网平差后每千米中误差为0.94 mm，最弱结点高程中误差(Ⅱ杨石18-1）为8.44 mm。
从评定结果来看，各等级水准网平差精度均满足对应等级测量的技术要求，整体成果可靠。其中，国家一等恢复测量水准网精度最优，平差后每千米中误差仅为0.72 mm，最弱点高程中误差(Ⅱ零道1-3）为2.03 mm，体现出国家一等水准网数据稳定性强的特点。湖南省一等水准网平差后每千米中误差为0.81 mm，最弱点高程中误差（1924下固）为10.47 mm，满足区域一等水准测量的精度要求；二等水准网平差后每千米中误差为0.94 mm，最弱结点高程中误差(Ⅱ杨石18-1）为8.44 mm，符合等级对应的精度差异规律，可为后续相关测绘工作提供可靠的数据支撑。
2湖南省似大地水准面精化
高精度水准测量和GNSS成果是似大地水准面精化的重要控制数据，也是提升似大地水准面模型精度的关键要素。经粗差分析后，最终使用1 067个GNSS水准点作为控制数据，纠正重力似大地水准面，建立模型成果分辨率为1.5′×1.5′的高精度湖南省似大地水准面模型（HuNan Quasi-Geoid 2024，HNQG2024）。
本次似大地水准面精化按以下步骤开展：首先，充分整合湖南省及周边地区的重力点成果、数字高程模型和全球重力场模型，采用重力法（Molodensky原理）及移去（remove）恢复（restore）技术，计算区域重力似大地水准面，经检验，该模型精度达2.3 cm；其次，利用测区的GNSS水准点成果，将区域重力似大地水准面拟合，使其适配于该区域的实测似大地水准面；最后，对拟合后的HNQG2024精度进行评估。采用“空点法”评价得到的似大地水准面模型精度结果为1.1 cm；采用布设了189个外部检测点的方法得到的检测精度为1.8 cm。
3 结论
为了落实新一代国家现代测绘基准建设任务，提升湖南省高程基准精度与适用性，本文围绕区域精密水准网构建及似大地水准面模型优化开展系列研究工作，通过数据联合处理和精度验证等手段形成核心成果，并得出了以下结论：
1）按照建设新一代国家现代测绘基准建设要求，在湖南省及周边区域布测了精密水准网，并将湖南省施测的精密水准路线与国家最新观测的一、二等水准路线联合处理，并进行网平差，大幅提升了水准网的耦合性，确保了数据处理精度，也保证了湖南省高程基准与国家高程基准的高度契合。
2）充分发挥实测GNSS水准点的控制作用，获得了与区域GNSS水准网成果符合更好的新一代HNQG2024。该模型成果分辨率为1.5′×1.5′，采用“空点法”评价湖南省似大地水准面模型精度，结果为1.1 cm，外检测精度为1.8 cm，与历史成果相比，精度得到进一步提升，是我国目前精度最高的省级似大地水准面模型之一。
在小说阅读器中沉浸阅读
来源：自然资源部测绘标准化研究所
热门跟贴