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文章轉載自美篇，本文撰寫中參考引用了《中國測繪史》第3卷（測繪出版社，2002）、《中國高程基準》（楊華忠等編著，解放軍出版社，2016）等相關文獻資料及圖片。版權歸原作者及刊載媒體所有。
中國國家水準原點標誌（來自網際網路）
新中國高程基準建設的回顧與展望
作者：老村長
2020年8月30日於北京
高程是測繪學中的一個名詞，俗稱海拔或高度，指地面點到高度起算面的垂直距離。為使測算全國各地高程有統一的起算依據，就必須建立國家高程基準。高程基準是根據驗潮資料確定的高程起算面及水準原點高程。在舊中國，曾建立過一些局部高程基準，但未在全國布測高精度的水準網，因而沒有建立起全國統一的高程基準。新中國成立後，根據國家經濟建設、國防建設和科學研究的需要，先後建立了1956年黃海高程系和1985國家高程基準。目前，中國高程基準建設的主要目標，是實現國家高程基準現代化。
一、國家高程基準面的確定
國家高程基準的建立，包括水準原點的選定與建設、高程基準面的確定和水準原點相對於高程基準面高程的測量。建立國家高程基準，首先需要確定基本驗潮站和高程基準面。
民國時期，中國已在東部沿海建有不少驗潮站，但其設備和條件大多簡陋，驗潮觀測不連續，驗潮資料不完善。新中國成立後，除恢復已有一些驗潮站外，又陸續新建了一些驗潮站。在20世紀50年代，具備一定條件並有驗潮記錄的站有坎門、吳淞、青島、葫蘆島、大連等。總參測繪局組織力量對中國大陸沿海的主要驗潮站進行了實地考察，綜合考慮驗潮歷史、驗潮設備、地理位置、地質構造穩定和資料可靠性等因素，決定以青島大港驗潮站作為基本驗潮站。
青島大港驗潮站外觀（來自《中國高程基準》，解放軍出版社，2016）
青島大港驗潮站觀測始於1898年，1904年設立驗潮井，以大港碼頭地坪以下6米為驗潮水尺零點。1945年，侵華日軍擴建碼頭，驗潮站被移位，驗潮資料也被日軍竊走。從抗日戰爭勝利到1949年，驗潮觀測多次中斷。1948～1949年間，驗潮水尺零點也有變更。1949年6月青島解放後，驗潮站經維修後重新開始驗潮。
1956年4月，總參測繪局和國家水利部共同中國東南部地區精密水準網平差委員會，通過對沿海相關驗潮站驗潮資料的分析處理，認為青島大港驗潮站符合位置適中、地殼穩定、環境優良、交通方便、設備較好等條件，進一步認定該站為基本驗潮站，並以該站1950～1956年驗潮資料所推定的黃海平均海水面作為國家高程基準面，建立1956年黃海高程系。
正看中國國家水準原點外觀（作者拍攝）
二、國家水準原點建設及測量
基本驗潮站和高程基準面確定後，還要選定和建立國家水準原點，作為測算全國各地高程的起算依據。水準原點，是一個國家或地區的地面點高程的起算點，是重要的空間基礎設施，要求所在地的地質構造長期穩定、地層及巖層堅固，距離基本驗潮站較近、交通便利，方便進行高精度水準觀測與聯測。總參測繪局經過對多地的實地踏勘，1953年底確定將國家水準原點建於青島觀象山花崗巖層上，又在原點附近選了2個附點和3個參考點，加上驗潮站構成完整的水準原點網，於1954年10月全部建成。
1955年，總參測繪局組織所屬第一大地測量隊，採用威特N3水準儀，對水準原點網進行了雙路線往返觀測，並對觀測數據進行了平差處理，測得水準原點相對於國家高程基準面的高程。為檢查水準原點網點的穩定性和觀測成果的可靠性，總參測繪局組織力量於1957年、1971年對水準原點網進行了檢測。從1980年起，定期組織檢測。通過這些檢測，證明1955年的觀測成果可靠，水準原點網點穩定。
國家水準原點網與備用水準原點網相關位置和聯測示意圖（來自《中國測繪史》第3卷，測繪出版社，2002）
由於青島水準原點網地處鬧市區，使用頻率高，與城市建設、人防工程等的設計施工矛盾較大，水準施測與聯測不方便，點位防護困難。為此，1970年總參測繪局提出建立備用水準原點網，由濟南軍區組織所屬測繪部隊等單位於1972年建成。備用水準原點網由備用原點、備附一、備附二、備參1、備參2和備參3等6點組成，構成多邊形網，與水準原點網的兩個點和青島驗潮站及沙子口驗潮站（備用驗潮站）均有高精度水準路線連接。作為備用驗潮站的沙河子驗潮站已於1961年建成，1964年開始驗潮觀測，觀測資料連續完整。
1980年濟南軍區某測繪大隊大地測量人員對國家水準原點進行檢測（來自軍事測繪歷史資料）
備用水準原點網建成後，濟南軍區測繪部隊於1973年11月完成了野外觀測，翌年又進行了檢測，證明備用水準原點網觀測成果可靠，點位穩定。因此，備用水準原點網和水準原點網的高程，均可作為國家高程測定的起算依據。
北京水準原點（來自網際網路）
此外，民國時期（1915年）曾在北京市西城區西安門大街49號（現北京大學第一附屬醫院內）建立了北京水準原點。1956年，北京市地質地形勘測處聯測了北京水準原點，作為北京高程系統的起算依據開始在北京地區使用。但因該點地處市中心，地下水位下降，導致地面下沉。為此，北京市地質地形勘測處於1977～1979年重新建立了北京王淵潭水準原點，於1983年啟用。為統一海南島的高程起算依據，總參測繪局指示廣州軍區第14測繪大隊，於1974年10～12月在海南三亞市田獨鎮田獨村建立了榆林水準原點及原點網，作為海南島高程的起算點自1976年8月開始啟用，1987年國務院確定由1985國家高程基準統一海南島的高程基準後停止使用。
1957年3月中國東南部地區精密水準網平差委員會全體人員在北京合影（來自軍事測繪歷史資料）
三、1956年黃海高程系的建立
1954年國家水準原點建成後，為滿足東部國防地帶測繪對高程基準的急需，總參測繪局曾以青島驗潮站1952～1953年驗潮資料求得黃海平均海水面，測得水準原點高出此面72.238米，臨時建立了1954年黃海高程系。由於該高程系採用的驗潮資料時間短，1956年總參測繪局牽頭重新建立了1956年黃海高程系，1954年黃海高程系停用。
1956年黃海高程系以青島驗潮站1950～1956年的驗潮資料推算得到的黃海平均海水面為高程基準面，作為全國高程測量的零起算面，稱為1956年黃海平均海水面；1956年黃海高程系水準原點採用1954年在青島觀象山建立的水準原點，通過精密水準測量和計算，得出水準原點相對於1956年黃海平均海水面的高程為72.289米。由上述高程基準面、水準原點及高程所構成的高程基準，通過高精度水準網傳遞全國而形成的高程系統，稱為1956年黃海高程系。
1956年黃海高程系建立後，開始在全國的高程測量中使用，迅速把水準原點高程數據傳遞到全國各地，實現了全國高程起算依據的統一，不僅滿足了國家基礎測繪及各項建設對高程基準的需要，還徹底解決了舊中國高程系統不統一的狀況，在中國測繪史上具有裡程碑意義，影響深遠。
1979年1月，全國一等水準測量會議在杭州召開（來自軍事測繪歷史資料）
四、1985國家高程基準的建立
1956年黃海高程系建成後，在全國基本比例尺地形圖測繪和國家各項建設中使用近30年，起到了重大的作用。但是，1956年黃海高程系也存在一些不足，主要是：首先用於求定1956年黃海平均海水面的驗潮資料時間短，不足潮汐變化周期18.61年的一半，而一般應採用至少一個周期的驗潮資料；其次後來發現1950年和1951年兩年的潮位記錄存在15～20釐米的系統差，原因已無法查明。因此，1956年黃海高程系的精度仍需提高。
到1975年，通過廣大軍地大地測量工作者歷時25年的努力，中國第一期水準網布測工作完成，包括一等水準路線5萬公裡、二等水準路線14萬公裡以及大量三、四等水準路線。70年代，隨著中國地震預報大範圍的展開、空間技術的快速發展和海洋資源調查開發的開展等，對國家高程基準及精密水準測量的精度提出了更高的要求。為此，1976年7月，國家測繪總局和總參測繪局聯合組織召開了全國一等水準路線布測方案和任務分工座談會，決定由兩局和水利水電部、中國地震局所屬測繪力量，計劃用5年時間完成這一任務。1979年1月，國家測繪總局在杭州召開全國一等水準測量會議，進一步推動計劃的落實。
根據任務分工，四部局所屬的24支測量隊，於1981年完成全國一等水準路線的野外布測；總參測繪局還組織測繪力量，對沿海的42個主要驗潮站進行了水準聯測。新布測的一等水準路線覆蓋全國，觀測成果精度和對各驗潮站聯測的精度都優於過去的測量成果，為改進和精化國家高程基準創造了條件，於是兩局決定重新建立國家高程基準。新的高程基準在1985年全國一等水準網平差前建成，報經國務院批准，定名為1985國家高程基準。
1985國家高程基準包括高程基準面和水準原點及其高程。其中，以青島大港驗潮站1952～1979年連續觀測的潮汐資料，計算出的1985年黃海平均海水面為高程基準面，稱為1985高程基準面；水準原點仍為1954年在青島觀象山建立的水準原點，採用1980年水準原點網和備用水準原點網的觀測成果和已有的及新測的重力資料，計算得到水準原點相對於1985年黃海平均海水面的高程為72.2604米。
1956年黃海高程系與1985國家高程系之間關係示意圖（來自《中國測繪史》第3卷，測繪出版社，2002）
據此，以1985高程基準面和青島水準原點的高程72.2604米，作為全國新的高程測算依據，稱為1985國家高程基準。新的國家高程基準，於1986年6月29日至7月1日在北京召開的國家一等水準測量平差委員會鑑定會上通過。經國務院批准，國家測繪局於1987年5月26日發布啟用1985國家高程基準，自公布之日起啟用。經總參謀部批准，總參測繪局於1987年7月21日發出通知，自1988年1月1日起在全軍啟用1985國家高程基準。1985國家高程基準的建立，展現了中國高程基準建設的新成就，標誌著中國高程基準步入現代科技之列。
側面看中國國家水準原點外觀（作者拍攝）
五、國家高程基準的現代化
由於高程基準的不同，空間某一位置就有不同的高程值。長期以來，建立高程基準起算面的傳統方法，是在沿海一個或若干個合適地點建立驗潮站，以長期、連續的驗潮資料為依據確定當地海平面的平均位置，以此作為該國或地區的高程基準起算面，並認定大地水準面通過此點，由此確定的高程基準作為局部高程基準。1956年黃海高程系和1985國家高程基準就是這樣建立的。
建立高程基準的目的，是實現一個國家或地區高程起算依據的統一。而傳遞和控制高程的傳統方法，是採用高精度水準測量建立高程控制網（水準網），將高程基準數據傳遞到各地。目前，通過精密水準測量建立國家高程控制網，仍是傳遞高程精度最高的方法。但是，水準測量效率低下，建立高程控制網的周期長，如新中國成立後進行的一期國家水準網布測用了25年，二期國家一、二等水準網布測前後也用了12年（1977～1988年），已難以適應人們快速獲得高程信息的現實需要，於是大地測量專家學者提出了高程基準現代化的問題。
隨著衛星定位技術的發展和廣泛應用，利用GNSS可快速地獲得地面點包括大地高在內的三維大地坐標，而大地高起算面是參考橢球面，沒有明確的物理意義。但在工程測量、地形圖測繪等現實工作中，往往需要基於大地水準面（重力等位面）的高程。理論上，地面點的高等於大地高減去大地水準面高，由此定義的高為正高（地面點沿該點的重力線到大地水準面的距離）；但在實際測量工作中，中國則是採用正常高（地面點沿正常重力線到似大地水準面的距離），即由似大地水準面高代替大地水準面高。無論採用正高還是正常高，建立現代高程基準的核心，是建立高精度的（似）大地水準面。換言之，以高精度（似）大地水準面代替傳統高程控制（水準）網，基於「GNSS＋（似）大地水準面模型」求定任意點高程（正高或正常高）。目前，採用此方法可獲得分米級精度（局部地區可達釐米級）的高程，仍不能代替一等水準測量（毫米級）。
現在，運用GNSS定位技術可以快速地獲得高精度的地面點平面位置，但還不能以相應的精度求解地面點的高程（正常高）。原因是儘管GNSS可以獲得高精度的大地高，但缺少具有相應精度和高解析度的（似）大地水準面模型，致使GNSS大地高向高程（正高或正常高）轉換過程中精度嚴重損失。為此，包括中國在內的國際大地測量學界，都致力於全球和區域高解析度高精度（似）大地水準面的精化上。美國先後推出了GEOID90、93、96、99等大地水準面模型，其中通過GEPID99模型由GPS大地高轉換得到的正高絕對精度為±4.6釐米；歐洲先後推出了EGG94、95、96、97等重力似大地水準面模型，其中EGG97與GPS/水準網相比，中長波系統誤差為±8.0釐米，短波誤差為±1.3釐米。中國地方測繪部門建立的中國2000似大地水準面CQG2000和軍事測繪部門建立的2000中國重力場與大地水準面數字模型（CGCM2000），均可達到分米級精度，後者在少部分區域達到了釐米級精度；部分城市建立的局部似大地水準面模型可達到釐米級精度。國際大地測量學與地球物理學聯合會把建立1釐米級全球大地水準面模型，作為21世紀大地測量學科發展的首要目標。
空間大地測量技術的迅速發展和全球測繪的全面展開，要求建立和提供全球統一的高程基準。而實現局部高程基準與全球高程基準的統一是各國大地測量學家所追求的目標。理論上，應選擇大地水準面作為高程基準起算面。大地水準面是地球形狀的數學物理描述，是陸地高程的起算面、海面地形的基準面和地面數字高程模型的基礎。在給出全球大地水準面後，只要求出局部平均海水面相對於全球大地水準面的垂線偏差，就可將局部高程基納入全球高程基準。目前，北美、歐洲和澳大利亞等國家和地區完成了局部高程基準與全球高程基準的統一，中國也已完成了與陸地周邊部分國家的高程聯測，解決了與這些國家高程基準的統一問題。
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