地形测量技术-高程控制测量概述

1.1.1　地球的形状和大小

地球表面是极其不规则的，高山、丘陵、平原、盆地、海洋等起伏变化，但这种起伏变化和庞大的地球半径（约6371km）比较起来是很小的。同时，就地球表面而言，海洋面积约占71％，陆地仅占29％，所以海水面所包围的形体基本上代表了地球的形状和大小。假想有一个静止的平均海水面，延伸至陆地下面形成一个封闭的曲面，这个曲面称为大地水准面（任一静止的液体表面称作水准面）。对不同的国家或地区来说，通过测验潮汐，确定平均海水面，作为该国家或地区的大地水准面。大地水准面所包围的形体称为大地体，大地体就代表了地球的形状和大小。

1.1.2　常用高程坐标系

（1）绝对高程系。地面点沿铅垂线方向至大地水准面的距离称为绝对高程，用H表示。由于大地水准面难以精确确定，通常以平均海水面代替大地水准面。我国以青岛验潮站1950～1956年的潮汐资料推求的平均海水面作为我国的高程基准面，并以此作为我国高程的统一起算面，称为1956年黄海高程系统。1987年5月，经国务院批准，国家测绘局宣布废止1956年黄海高程系统。根据青岛验潮站1952～1979年间的验潮资料，计算确定了新的国家高程基准面，将其作为全国高程的统一起算面，称为1985国家高程基准。1985年国家高程基准从1988年1月1日开始启用，以后凡涉及高程基准时，一律由原来的1956年黄海高程系统改用1985国家高程基准。如图1.1所示，地面点A和B的绝对高程分别为HA和HB。

图1.1　高程系统

（2）相对高程系。地面点沿铅垂线方向至假定水准面的距离称为该点的相对高程，亦称为独立高程（用H＇表示）。在图1.1中，地面点A和B的相对高程分别为H＇A和H＇B。两点高程之差称为高差，以符号“h”表示。图1.1中，A、B两点的高差为hAB=HB-HA=H＇B-H＇A。

在测量工作中，一般采用绝对高程，只有在偏僻地区，没有已知绝对高程点或相对独立的地区时，才采用相对高程。

1.1.3　高程测量方法

根据测量高程所用的仪器和测量原理的不同，高程测量的方法分为四种：几何水准测量、三角高程测量、GPS高程测量和气压高程测量。

（1）几何水准测量。几何水准测量精度最高，使用也最为广泛，是一切高程测量的基础。但是这种方法外业工作量大，施测的速度慢，仅限于平原或起伏不大的丘陵地区。几何水准测量分为国家等级水准、等外水准（也称为图根水准）。国家水准测量用于建立全国性的高程控制网，分为一等、二等、三等、四等。一等水准测量精度最高，二等、三等、四等的精度依次降低。等外水准精度低于四等水准，但能直接满足地形测量图和工程建设的需要。

（2）三角高程测量。三角高程测量主要用在起伏较大的山区，快速测量地面点的高程。它主要通过测量两点间的距离和竖直角，采用三角函数公式计算两点间高差的方法来推算待定点的高程。这种方法速度快，但精度低，只能满足图根高程控制测量的要求，主要分为独立交会高程测量、三角高程导线测量、光电测距三角高程测量等。

（3）GPS高程测量。GPS高程测量是利用全球定位系统（GPS）测量技术直接测定地面点的大地高，或间接确定地面点的正常高的方法。在用GPS测量技术间接确定地面点的正常高时，当直接测得测区内所有GPS点的大地高后，再在测区内选择数量和位置均能满足高程拟合需要的若干GPS点，用水准测量方法测取其正常高，并计算所有GPS点的大地高与正常高之差（高程异常），以此为基础利用平面或曲面拟合的方法进行高程拟合，即可获得测区内其他GPS点的正常高。此法精度已达到厘米级，应用越来越广。GPS高程测量主要分为等值线图法、大地水准面模型法、拟合法等。

（4）气压高程测量。气压高程测量是根据大气压力随高程变化的规律，用气压计测定两点的气压差推算高差的方法。大气压力常以水银柱高度表示，温度为0℃时，在纬度45°处的平均海面上大气平均压力约为760mm水银柱。每升高约11m，大气压力减少1mm水银柱。一般气压计读数精度可达0.1mm水银柱，约相当于1m的高差。由于大气压力受气象变化的影响较大，气压高程测量精度较低，主要用于高差较大的丘陵地和山区的勘测工作。常用的有空盒气压计和水银气压计，前者便于携带，多用于野外作业，后者常用于固定测站或检验前者。

1.1.4　高程控制测量(www.xing528.com)

在测量工作中，要确定地面点的空间位置，不但要确定地面点的平面坐标，而且要确定地面点的高程。我们把确定地面点高程的工作成为“高程测量”。

“误差”贯穿于与整个测量过程，为了使测量误差的累积得到控制，以保证图纸上所测绘的内容精度均匀，使相邻图幅之间正确拼接，从而满足工程建设的需要，在测绘地形图之前应先进行“控制测量”。所谓“控制测量”，就是使整个测区的测量误差不超出一定范围而进行的测量工作，即先在整个测区范围内以较高精度测定少量地面点的平面位置和高程。这些少量的地面点称为控制点，把相关的控制点联系起来，构成一定的几何形状，在测量上称为控制网。而高程控制测量指的是精确测定控制点高程的工作。

1.1.5　高程控制网概述

高程控制测量首先要在测区建立高程控制网，为了便于地形图测绘、建筑物施工放样以及进行科学研究工作而需要进行高程测量。我国在全国范围内建立一个统一的高程控制网，高程控制网由一系列的水准点构成，沿水准路线按一定的距离埋设固定的标志称为水准点，水准点分为临时性水准点和永久性水准点。等级水准点埋设永久性标志，三等、四等水准点埋设普通水准标石，如图1.2所示。图根水准点可根据需要埋设永久性水准点或临时性水准点，临时性水准点以埋设木桩或在水泥板、石头上用红油漆画出临时标志表示。

图1.2　混凝土普通水准标石（单位：m）

图1.3　国家等级水准网布设示意图

1.国家高程控制网

国家高程控制网分为一等、二等、三等、四等四个等级。一等、二等水准网是国家高程控制的基础，一等、二等水准路线一般沿着铁路、公路进行布设，形成闭合水准网或附合水准网，用精密水准测量方法测定其高程；三等、四等水准测量主要用于一等、二等水准测量的加密，作为地形测量和工程测量的高程控制，布设成闭合水准路线和附合水准路线。国家等级水准网布设示意图如图1.3所示。

2.图根高程控制网

为了满足测图的需要，测定图根点的高程称为图根控制测量，图根高程控制网可以布设为水准网及三角高程网。图根水准测量按五等水准测量方法测定其高程。图根高程网可采用水准测量方法或三角高程测量方法施测。

3.高程控制网的施测方法

三等、四等高程控制网的施测方法一般采用水准测量方法。

在地形测量中，高程控制测量一般分为基本高程控制和加密高程控制，基本控制测量一般采用三等、四等及以上等级水准测量，加密一般采用等外水准测量及三角高程测量。