某地似大地水准面精化提升项目的建设背景与技术实现

为提高测绘地理信息的“两支撑一提升”的服务水平，相关单位要根据各地区实际情况，将建设背景作为基础，促使似大地水准面精化提升项目得以有效推进。在此基础上，通过对各种技术的应用，构建精密似大地水准面模型，以此来提供地理空间定位基准，促使测绘能力得到提升。

1 项目建设背景

《湖南省“十四五”基础测绘规划》要求，在“十四五”期间，优化提升湖南省似大地水准面模型精度。开展现代测绘基准的维护更新，建立精密似大地水准面模型，可直接或间接地为地学、空间科学、气象学、环境科学、资源开发等领域提供精准的地理空间定位基准，对于全面提高测绘保障能力和服务水平，满足经济建设、社会发展、国防建设和生态文明建设的需要具有非常重要的意义。

2 原似大地水准面模型问题

2.1 模型精度存在区域差异

2.1.1 地形地貌差异

在山地、丘陵等地形复杂的区域，地形起伏大，重力场变化剧烈，地形复杂区域的测量工作难度大，数据获取成本高、精度受限，如在茂密森林覆盖区域或沼泽地带进行实地测量时，仪器设备的架设和操作会受到诸多限制，难以获取高质量的测量数据，从而影响模型精度。2.1.2 数据资料的完备性和精度

重力测量是似大地水准面精化的关键数据之一，如果某一区域的重力数据缺失、精度不足或分布不均匀，会导致模型在该区域的精度下降。高精度的高程数据对于似大地水准面模型的建立至关重要，在一些地区存在高程数据精度不一致的情况，如早期测量的高程数据精度较低，与现代高精度测量数据融合时，会产生误差，影响模型精度 [1]。地形数据的分辨率和精度也会影响模型精度，对于地形复杂的区域，如果地形数据的分辨率不够高，无法准确描述地形细节，就会导致模型在该区域的精度降低。

2.1.3 地球物理性质的区域差异

不同区域的地壳物质密度、岩石类型等存在差异，导致地球重力场的不同，如果在模型建立过程中，没有充分考虑这些地球物理性质的区域差异，就会导致模型精度在不同区域出现差异。地质构造活动活跃的区域，如板块交界处、断裂带等，地壳运动频繁，重力场和地形变化复杂，这些区域的似大地水准面模型需要考虑更多的动态因素，建模难度较大，精度也相对较难保证。

2.1.4 模型算法和参数的适应性

不同的似大地水准面精化模型算法在处理不同地形、重力场等情况时，具有不同的适应性和精度表现，某些算法在平原地区效果较好，

但在山地或海洋区域存在局限性 [2]。模型中的参数需要根据不同区域的特点进行合理设置，如果参数设置不合理会导致模型在某些区域的

精度降低，如在重力场变化较大的区域，需要适当调整重力异常的拟合参数，以提高模型对该区域重力场的拟合精度。2.2部分地区的GNSS/ 水准点精度较差

2.2.1 仪器设备与技术因素

接收机的性能和精度是关键因素，低精度接收机在信号处理、抗干扰能力等方面表现较差，会引入误差，此外接收机天线的相位中心偏差也会影响测量精度，若天线设计或安装不合理，相位中心与几何中心不一致，会导致定位偏差 [3]。传统测量技术在某些复杂环境下存在局限性，如静态测量模式虽精度较高，但观测时间长，难以满足快速测量需求，而动态测量模式虽效率高，但在信号不佳或运动状态复杂时，精度会受影响（如图1 所示）。

2.2.2 数据处理与误差因素

卫星在轨道上受多种引力扰动，其实际位置与星历数据存在偏差，导致 GNSS 定位时计算的卫星与接收机间距离不准确，尤其在长距离测量或高精度要求场景中，对 GNSS/ 水准点精度影响显著。电离层中的自由电子和对流层的气象变化、温度梯度等，会使 GNSS 信号传播速度改变、路径弯曲，尤其在高纬度地区或太阳活动频繁时，电离层延迟误差增大，而在水汽含量高的地区，对流层延迟对精度影响明显。数据处理算法的优劣直接影响精度，简单或不合适的算法难以准确消除各种误差影响，如在处理多路径效应、噪声等复杂误差时，若算法不够先进，会使最终的GNSS/ 水准点精度降低。

2.2.3 控制点分布与维护因素

若 GNSS/ 水准点周围的控制点分布稀疏，在进行数据解算和精度评定时，缺乏足够的参考信息，内插或外推误差增大，在一些偏远地

区或地形复杂区域，控制点数量不足，导致 GNSS/ 水准点精度难以保证 [4]。控制点因自然因素或人为因素遭到破坏，或因长期使用出现老

化、沉降等问题，如早期埋设的控制点，经过多年风雨侵蚀和地质变化，其位置发生改变，影响GNSS/ 水准点的精度传递。2.3 省内重力数据分布不均匀

2.3.1 测量环境与成本限制

在山区、高原等地形复杂区域，进行重力测量的难度大，如仪器设备的搬运困难，测量人员难以到达一些偏远且地势险峻的地方，导致这些区域的重力数据采集点较少，而平原地区交通便利，测量工作容易开展，数据采集点相对密集。此外，人口密集地区通常经济活动频繁，对测绘工作的需求也大，重力测量工作更容易得到支持和开展，数据采集量相对较多。重力测量需要专业的仪器设备和大量的人力、物力投入，在一些经济欠发达地区或偏远地区，由于资金有限，难以开展大规模的重力测量工作，从而造成数据分布不均。

2.3.2 历史测量工作的局限性

早期的重力测量工作可能缺乏全面、科学的规划，没有充分考虑到全省范围内的重力数据均匀性，过去的测量技术和仪器设备精度相对较低，在一些复杂环境下获取的数据质量不高，或者无法进行有效的测量。随着技术的发展，新的测量技术虽然精度提高，但还没有来得及对全省进行全面、均匀的测量更新，导致不同时期的数据在分布和精度上存在差异。

3 似大地水准面精化提升项目的技术措施

3.1 选点埋石

3.1.1 选点

点位应选在稳定的地质条件区域，避免选在易发生滑坡、泥石流、地面沉降等地质灾害的地段，以及受地下水活动影响大的区域，以保证点位的长期稳定性，如花岗岩等坚硬岩石分布区是较为理想的位置。为了便于GNSS 测量和水准测量，点位应视野开阔，周围无明显遮挡，且远离大功率无线电发射源、高压输电线等，以减少对GNSS 信号的干扰。

根据测区的地形地貌和测量精度要求，合理规划点位分布，尽量保证点位在测区内均匀分布，在地形复杂的山区、丘陵区，点位间距可适当缩小，在平原地区，点位间距可相对较大 [5]。点位应能代表不同的地形地貌和地质条件，在不同的地貌单元、地质构造单元以及高程变化较大的区域，应适当增加点位数量，以准确反映测区的大地水准面变化情况。

根据点位的不同用途和地质条件，选择合适的标志类型。常用的有混凝土标石、岩石标石和钢管标石等，在土层较厚的地方，一般采用混凝土标石，在基岩出露的地方，可直接在岩石上开凿标志或埋设岩石标石，而在松软的地基或沼泽地带，可采用钢管标石。其中标石的埋设深度应根据地质条件和当地的冻土深度等因素确定，在岩石地区，应将标石嵌入基岩内，嵌入深度不小于 0.2 米。首先在选好的点位上进行挖坑，坑底要平整，对于混凝土标石，应先在坑底浇筑一层混凝土基础，然后将标石放入坑中，并保证标石的垂直度。标石埋设好后，要在周围浇筑混凝土进行固定，并在标石周围设置保护设施，如栅栏或警示标志，防止标石被破坏。

3.2 GNSS 复测

3.2.1 观测工作

根据项目要求和测区实际情况，制定详细的观测方案，包括观测时间、观测时段、卫星截止高度角、数据采样间隔等参数的设置。般来说，观测时间应选择在卫星信号良好、大气状况稳定的时段，以提高观测精度。在观测过程中严格按照操作规程进行操作，将 GNSS接收机准确安置在标石中心上，对中误差应小于规定值。连接好天线和数据记录器，设置好观测参数后开始观测。观测过程中要注意保护仪器设备，防止外界因素干扰观测数据，如避免人员走动、车辆震动等，同时记录好观测时间、天气状况、仪器设备工作状态等信息。为了提高测量精度和可靠性，尽量采用多台 GNSS 接收机进行同步观测，在同一时段内对多个控制点同时进行观测，这样可以消除或减弱卫星轨道误差、大气折射误差等共模误差的影响 [6]。对于一些重要的控制点或精度要求较高的区域可进行多次重复观测，通过对重复观测数据的分析和处理，评估观测数据的质量和稳定性，提高测量结果的准确性。GNSS 复测流程，如图2 所示。

3.2.2 数据处理

对观测数据进行预处理，包括数据格式转换、剔除异常数据、修复周跳等，检查数据的完整性和正确性，确保数据质量符合要求。同时采用专业的GNSS 数据处理软件进行基线解算，根据观测数据计算出各控制点之间的基线向量，在解算过程中要合理选择解算模型和参数，将基线解算结果进行网平差计算，确定各控制点的坐标和高程。平差计算时，要考虑到测量误差的影响，采用合适的平差方法，如最小二乘法等。同时，对平差结果进行精度评定，计算出各控制点的坐标中误差、高程中误差等精度指标，评估测量成果的质量 [7]。观测人员将复测得到的 GNSS 数据与原有的数据进行对比分析，检查控制点的坐标和高程是否发生变化，如果发现有较大差异，要分析原因，并采取相应的措施进行处理，如重新观测、调整点位等。

3.3 水准联测

3.3.1 水准路线规划

水准路线应尽量沿地势平坦、交通便利的道路或河流布设，避免跨越深沟、峡谷、沼泽等复杂地形，同时要考虑到水准点的分布情况，使水准路线能够覆盖测区的主要区域，且尽量与 GNSS 控制点重合或靠近，以便进行 GNSS 水准联测。根据似大地水准面精化提升项目的精度要求，合理确定水准路线的等级和精度指标，对于高精度的项目，一般采用一等或二等水准测量标准。在规划水准路线时，要根据测区的地形起伏和长度，合理设置水准点的间距，以保证水准测量的精度。为了提高水准测量的精度和可靠性，水准路线应尽量设计成闭合或附合路线，闭合路线是从一个已知水准点出发，经过一系列测量点后，又回到该水准点，而附合路线是从一个已知水准点出发，经过一系列测量点后，附合到另一个已知水准点上。通过闭合差或附合差的计算和调整，可以有效地检验和控制测量误差。

3.3.2 外业观测

观测人员按照水准测量的规范要求，采用光学水准仪或电子水准仪进行观测，观测时应保持仪器的稳定，严格按照后视 - 前视的顺序进行读数，读取水准尺上的中丝读数，并记录下相应的观测数据，包括测站编号、观测时间、天气状况、仪器高、后视读数、前视读数等。同时选择良好的观测天气，避免在大风、暴雨、高温等恶劣天气条件下进行观测，在观测过程中，要注意保持前后视距大致相等，以减小误差的影响，并保证视线长度符合规范要求。每个测站观测完成后，要进行测站检核，如计算前后视距差、累积视距差等，确保各项指标符合规范要求，观测数据应及时、准确地记录在专用的观测手簿上，记录要清晰、 工整，不得随意涂改，如有错误或遗漏，应按照规定的方法进行更正和补充。

3.3.3 内业计算与数据处理

观测人员要将外业观测数据进行整理和检查，剔除不合格的数据，然后采用专业的水准网平差软件进行平差计算，根据已知水准点的高程和观测数据，计算出各水准点的高程。平差计算过程中，要考虑到观测误差、仪器误差、大气折光等因素的影响，采用合适的平差模型和方法，如间接平差法、条件平差法等，以提高平差结果的精度和可靠性。对水准测量成果进行精度评定，计算出各水准点的高程中误差、每公里水准测量的偶然中误差和全中误差等精度指标。根据精度评定结果，判断水准测量成果是否满足似大地水准面精化提升项目的要求，如果精度不符合要求，要分析原因，采取相应的措施进行改进，如重新观测、调整水准路线等。

3.4 合理布设重力点

针对不同地形地质类别分别布设重力点，比如，在地形起伏较大、地质构造复杂区城，重力场变化较为剧烈，需要适当加密重力点；对原模型精度薄弱区域适度加密重力点；而在地形地质条件相对稳定区域，重力点间距可适当放宽。只有通过对项目区域进行详细的地形地质资料分析研究，合理布设重力点，才能提高重力场拟合精度，进而提升似大地水准面模型精度。

为解决似大地水准面精化提升项目建设模型精度存在区域差异、部分地区的GNSS/ 水准点精度较差、省内重力数据分布不均匀等问题，本文结合某地似大地水准面精化提升项目建设背景，提出对应的技术应对措施，希望为推动似大地水准面精化提升项目的建设和发展提供参考。为保证似大地水准面净化提升项目的有效实施，相关部门以及人员要与现代化测绘技术结合，定期做好测绘基准的维护更新，为各领域提供更准确可靠的空间定位基准，这样不仅可以保证测绘服务水平得到提升，而且还能够满足生态文明建设以及社会发展等多方面需求。

参考文献：

[1] 裴志刚 ， 张国清 . 基于 EIGEN03C 地球重力场模型的贵安新区似大地水准面精化建设 [J]. 工程技术研究 ，2024，9（23）：191-194.

[2] 田时雨 ， 田挚 ， 许欣欣 ， 等 . 似大地水准面精化工程标准化探讨 [J]. 测绘与空间地理信息 ，2024，47（05）：31-33.

[3] 何广源 ， 李剑坤 . 特大型跨海桥梁工程似大地水准面精化实践与分析 [J]. 测绘标准化 ，2024，40（01）：151-155.

[4] 罗东山 ， 王思晨 ， 胡伟明 ， 等 . 长庆油田似大地水准面精化软件应用探析 [J]. 测绘标准化 ，2024，40（01）：79-83.

[5] 靳鑫洋 ， 王斌 ， 刘晓云 ， 等 . 省级似大地水准面再精化可行性分析 [J]. 测绘通报 ，2023，（08）：151-154.

[6] 张衡 ， 朱伟 ， 张省 . 重力场模型谱组合精化区域似大地水准面 [J]. 测绘科学 ，2023，48（04）：54-59.

[7] 沈鑫 ， 胡伍生 . 融合重力信息的似大地水准面精化模型 [J]. 山东交通学院学报 ，2020，28（04）：71-78.