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工程测量参考资料
2010-9(上)《科技传播》129
浅谈GPSRTK在工程测量中的应用
王贵平
新疆地矿局第四地质大队,新疆阿勒泰836500
摘要:
GPSRTK即全球地位系统实时实时动态定位技术是一种快速、准确获取待测点位三维坐标的方式。
本文主要阐述了该技术的基本原理以及其在实际工程测量工作中的应用方法。
关键词:
GPSRTK;工程测量;应用
中图分类号TU198文献标识码A文章编号1674-6708(2010)26-0129-02
0引言
差分GPS(DGPS)是最近几年发展起来的一种新的GPS测量方法。
而实时动态(RealTimeKinematic简称RTK)测量技术,也称载波相位差分技术,是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术,它是GPS测量技术发展中的一个新突破。
GPSRTK是一种全天候、全方位的新型测量系统,是当前技术水平下进行实时、快速、准确测定待测点位置的最佳方式之一。
1RTK的工作原理及特点
RTKGPS定位,是实时处理两测站载波相位测量的GPS差分方法,该方法分为两类即修正法和差分法。
修正法是将基准站的载波相位修正值发送给用户站,改正用户站的的载波相位,来求得坐标。
差分法则是将基准站采集的载波相位发送给用户,由此用户再与本站的载波相位观测值进行求差解算坐标。
由方法上可知修正法实际上是形式上的差分,差分法才是真正意义上的差分。
所以我们叫修正法为准RTK,差分法为真RTK。
进行差分法RTK观测需要一台基准站接收机和一台或多台流动站接收机,以及用于数据通信的电台。
RTK定位技术是将基准站的相位观测数据以及坐标信息通过数据链方式即时发送给用户流动站,用户将通过数据链传输的基准站数据连同自采集的相位观测数据进行实时差分处理,从而实时地计算并显示用户流动站的三维坐标及其精度。
以载波相位观测值为基础静态定位测量是用两台或两台以上GPS接收机分别安置在一条或数条基线的端点,根据基线长度的要求及其精度,对观测值进行处理,可以得到到任何一个测站精密的WGS-84坐标系统下的基线向量,再经过国家三角点或更高精度级别的网点联测,坐标解算、平差、坐标传递、坐标转换工作。
最终得到坐标,是需一段时间的工作。
显然静态定位测量不具备实时性。
而GPS实时动态(RTK)定位技术则是实时动态定位测
量,只要在两台GPS接收机的基础上,增加一套无线电数字传输设备系统,即电台,将两个相对独立的GPS信号接收系统联成有机的整体。
基准站通过电台将观测值数据和观测信息实时地传输给用户流动站,流动站将基准站传来的载波相位观测信号与流动站本身的载波信号,形成基线进行实时数据处理,就能快速解算出两站间的基线值。
由于接收机输入了相应的坐标转换和投影参数等,也就能实时地得到流动站测点坐标,这也正是RTK测量的优势所在。
2RTIK的应用流程
测地型的GPSRTK定位模式一般分为以下3种:
快速静态定位,准动态定位,动态定位。
而在一个具体的工程项目中,使用GPSRTK进行观测一般需要以下几个主要步骤:
首先,进行内业准准备,收集有关的内业资料。
通常包括控制点的坐标、等级、中央子午线、坐标系参数以及与相关坐标的转换参数、是常规控制网还是GPS控制网、控制点的地形和位置环境是否适合作为动态GPS的参考站等。
同时,需要在实施RTK外业测量前,先收集测区的小比例尺地形图,必要时进行野外踏勘,根据地形测量的特点完成内业的准备工作。
第二步需要求解测区的坐标系转换参数。
一般而言,工程测量是在地方独立坐标系上进行的,这就存在GPS系统中使用的WGS-84坐标系和地方独立坐标系的坐标转换问题。
由于RTK作业要求实时给出当地坐标,这使得坐标转换工作非常重要。
根据总体规划和工程需要,求定测区转换参数可按如下步骤进行:
在测区以GPS静态方式布设均匀分布的高等级GPS控制点,获得各点的WGS-84坐标和地方坐标系下的坐标,利用同一点的两种坐标求出转换参数。
注意,为提高转换参数的可靠性,最好选用4个以上且分布较分散的控制点进行观测和求解,这样可通过多种点的匹配方案,检验转换参数的正确性及精度。
第三步是选定基准站的安放位置。
数据传输系统由基准站发射电台和流动站接收电台组成,稳定可靠的数据链是动态初始化的前提。
保持高质量的数据传输,可以减少解算时间、提高效率,基准站安置应满足下列条件:
1)基准站可设立在有精确坐标的已知点上,也可设在未知点上,但最好设立在在已知点上;2)基准站安置应选择地势较高、视空无遮挡、电台有良好覆盖域的地方,周围无高度角超过10m的障碍物,有利于卫星信号的接收和数据链发射的位置,城市测量首选测区高大建筑物上;3)为防止数据链的丢失和多路径效应,基准站周围应无GPS信号反射物(大型停车场、大型建筑物、车辆拥挤的街区等),200m范围内无高压电线、电视台、微波站、无线电发射台等干扰源;4)参考站应选在土质坚实、不易破坏的位置;5)考虑到南北极附近是卫星的空洞区,电台的天线应架设在GPS接收机的北方。
最后即可以在野外作业将基准站GPS接收机安置在参考点上,开始测量工作。
打开接收机,输入精确的参考站坐标和天线高度,基准站GPS接收机通过转换参数将地方坐标转换为WGS-84坐标,同时连续接收所有可视GPS卫星信号,并通过数据发射电台将其测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态发送出去。
流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时接收来自基准站的数据,进行处理后获得流动站的三维WGS-84坐标,最后再通过与基准站相同的坐标转换参数将WGS-84转为工程测量中需要的地方坐标。
接收机还可将实时位置与设计值相比较,指导放样到正确位置。
3结论
随着GPS实时动态定位(RTK)技术的发展,我国的各个RTK生产厂家也开始相继推出了具有一定自主知识产权的GPS仪器,近年来新仪器所需要的初始化时间越来越短,精度也越来越高,可靠性越来越强,体积、重量也逐渐向轻巧灵活方向发展,同时世界范围内由于市场因素影响,仪器的性价比逐步提供,这些仪器在我国工程应用领域有着良好的使用、发展前途。
参考文献
[1]张冠军.工程项目招标风险及防范措施[J].中国新技术新产品,2010(11).
[2]陈辉,许言科.RTK技术在高程测量中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报,2010.
[3]江新清.RTK在输电线路测量中的应用[J].武汉电力职业技术学院学报,2008.
[4]赵润光,吴连勇,崔志红,张金荣.RTK技术测量图根控制点的可行性[J].内蒙古民族大学学报,2010.
科学之友FriendofScienceAmateurs2010年07月75-76
浅谈新技术在建筑工程测量中的应用
陈斌
(广西海特建设工程项目咨询管理有限责任公司,广西南宁530000)
摘要:
随着我国经济和建筑事业的发展,对建筑工程测量的速度和精度都提出了新的要求。
为了满足测量工作的需要,电子计算技术和红外测距技术等新技术已经被广泛地应用于建筑工程测量领域,给测量工作的发展提供了巨大的推动力。
文章探索了新技术在建筑工程测量中的应用。
关键词:
新技术;建筑工程测量;应用
中图分类号:
TU198.2文献标识码:
A文章编号:
1000-8136(2010)21-0075-02
建筑工程测量是工程测量的一个重要组成部分,它对建筑施工有着重要的影响。
随着我国经济和建筑事业的发展,对建筑工程测量的速度和精度都提出了新的要求。
为了满足测量工作的需要,电子计算技术和红外测距技术等新技术已经被广泛地应用于建筑工程测量领域,改变了传统的测量方法,使测量工作向着数据的自动获取、自动记录和自动处理的方向发展,本文探索新技术在建筑工程测量中的应用。
1计算机在工程测量中的应用
当代电子技术发展的集中表现就在于电子计算技术的发展。
将计算机应用在建筑工程的测量中,把测量工作者从繁重的计算劳动中解脱出来,解决了过去靠手摇计算机所不能解决的问题,例如选择控制网最优化的布设方案、观测成果的平差与统计分析等,而且大大提高了计算精度,缩短了计算时间,成为测量工作者所不可缺少的重要工具。
电子计算机的诞生是经过长期理论和技术研究才出现的一次大飞跃。
早在1854年英国数学家布尔创立了逻辑代数,1936年英国人图灵提出了通用计算机的理论模型,建立了算法理论,1943年美籍匈牙利人冯·诺伊曼提出了制造电子计算机的设想,1945年世界上第一台电子计算机在美国应运而生了。
从1945年第一台电子计算机问世以来经历了电子管(第一代)、晶体管(第二代)、集成电路(第三代)、大规摸和超大规模集成电路(第四代)的发展过程,美国和日本及其他国家都在研制带有人工智能的电脑(第五代),并且在20世纪70年代初期微处理器——“小电脑”已经问世,电脑的运算速度愈来愈快,精度愈来愈高,体积愈来愈小,功能愈来愈多,不仅能用于计算而且可以输入、输出及贮存。
由于电子技术的迅速发展,各类袖珍式的计算器也不断出现。
高级程序型计算器,对于建筑工程测量中的各种小型三角网、锁、导线网、水准网及插点的平差计算均可编成程序,只要输入起始数据、观测数据以及其他的必要信息,计算机就能按照程序的要求进行运算,并且快速地输出平差值、中误差、边长、方向角、坐标及高程等。
2全站型电子速测仪的应用使测量过程自动化
20世纪60年代末期出现的电子经纬仪,经过十余年的不断改进,已日趋完善。
全站型电子速测仪主要是由电磁波测距仪、电子经纬仪、微处理机、数据终端机和绘图系统等外围设备组成。
这种仪器可以自动记录测量数据,提供数据存贮和程序控制,进行数据的自动转换和处理,从而减少读数误差和记录的粗差,能自动改正视准轴误差和指标差,自动补偿残余的置平误差,由于每次读数是沿着全度盘进行扫描,不会出现度盘刻划误差,当在度盘直径两端位置扫描,又可消除仪器偏心的影响。
可见全站型电子速测仪,不仅自动化程度高,而且精度高。
因此广泛应用于导线测量、图根三角河量、高程测量、地籍测量、施工放样、断面测量和地形测量。
全站型电子速测仪的自动化功能有以下几方面:
2.1由斜距自动计算水平距、高程差和坐标差
在全站型电子速测仪中,一般都有微处理器。
微处理器是大规模集成电路发展的一种新型的电子器件。
它将电子计算机的中央处理单元集成在二片或几片大规模集成硅片上,作为时序计算或控制的单元。
微处理器主要由寄存器(数据寄存器与指令寄存器)、运算逻辑部件(执行算术运算及逻辑操作的控制部件,包括时钟脉冲发生器)及其他控制操作电路三部分组成。
如瑞士Kern厂生产的E1和E2型的电子经纬仪中,微处理器可以校正竖轴倾斜对于竖直角的影响,并且依照所用仪器和附属设备,如DM502或DM563型测距仪及R48记录器控制测量步骤。
当按键输入竖直角可自动显示经过地球曲率和大气折光差改正后的水平距离和高差,输入方位角即可显示坐标差,并可传送到记录装置中去。
2.2全天候数据终端设备可以自动记录、贮存、检索和显示
全站型电子速测仪的高度自动化,必须有数据收集和贮存单元,以便记录外业工作的测量数据和管理数据。
测量数据包括测量值(水平角、竖直角、斜距、高差和偏心差等)、测站及测点的有关数据(点号、仪器型号及仪器高等)。
管理数据系指日期、工程号、大气状态、时间、仪器编号、作业人员代号等一些便于对资料分类管理的信息。
如R48型记录器可用作贮存野外测量资料,这些资料可用人工输入或由电子经纬仪自动传送,补充资料可由键盘输入。
贮存在记忆系统内的资料可在任何时间进行检索和核对。
这些资料在仪器关闭时仍不会消失,约可保存一个月。
R48型记录器可以贮存48000个数字,足可记录极坐标上的800个点。
记录器通过一定接口可与计算机系统,如计算中心或台式计算机相连接,使外业测量到内业平差计算、打印及成图工作形成一套完整的自动化作业流程。
在电子速测仪中,早先是用磁带记录数据,但近年来已发展到用固体存贮器做数据记录器,具有轻便小巧、牢固稳定及省电等优点。
如瑞典AGA厂生产的Geodat、瑞士Kern厂生产的R48及WILD厂生产的GRE2和GRE3等都是20世纪80年代的最新产品。
2.3地面自动测图系统
全站型电子速测仪由于有三维坐标自动化测量的特点,为各种空间结构和地面测图提供了一种高效的自动测绘地形图的系统。
自动测图系统的核心部件是一台高性能台式图象屏电子计算机。
外业数据经过电子经纬仪、测距仪、数据终端机的输入,或由记录器自动输入,或者手控经过键盘输入,可以进行全面的编辑,用测量软件处理数据,产生x、y、z坐标数据。
自动测图系统是交互的,在屏幕上注记和编绘原图,再经过数控绘图桌自动绘出高质量的地形图、平面图或其他图件。
属于这类的自动测图系统有瑞士WILD厂生产的Geomap地面自动测图系统,瑞士Kern生产的R48及WILD厂生产的GRE2和GRE3等都是80年代的最新产品。
2.4施工放样自动化提高了工效
电子速测仪除了能够自动测绘地形图之外,还广泛应用于施工放样工作。
例如瑞士Kern厂生产的与DM502或DM503测距仪相结合使用的“RDIO远端接收器”系由接收、贮存和显示等单元组成,其外形大小和单块反射棱镜相当,作业时用卡销固定在反射镜的一侧,RDIO能接收测距仪发射的数据,并在镜站由液晶显示器作数字显示,在主机站当DM503测距仪与HP41C袖珍计算器、DIF41外围设备和RDIO接收器一道组成放样系统时,只要把所需要放样的点的坐标输入,仪器处于跟踪的工作方式,信息传到RDIO接收器上,持镜者就可以从RDIO的小光屏上看出他所需移动的方向和距离,同时持镜者也能通过选择开关分别读得斜距、平距、高差和纵向、横向坐标差之值。
棱镜手与主机站无需其他任何喊话、手势和无线电信号就能主动到达设计的放样点位,这就大大提高了测设点位的工作效率。
瑞士Kern厂的SICORD系统,还有一个特点是当RDIO接收器处于测距仪发射光束的光斑内时,能发出声响信号以辅助棱镜手掌握走动的方向,此时测距仪每两秒钟发射并显示一次新值。
使用RDIO远端接收器测设的最远距离可达400m以上。
为了提高测设工作的效率,瑞典AGA厂还生产了一种与Geodimeterl22或140型测距仪配套的“Unicom”的单向红外通话器,该通话器是以测距仪的红外光束为载波向镜站发送测量员的口令,在镜站则把接收装置安在反射镜的支架上,使棱镜手能按照主机站的指令放样到设计的点位上。
3高精度测量的现状
根据四化建设的需要,随着其他科学技术的发展,对建筑工程测量的精度和速度提出了更高的要求。
例如核反应堆需将重达数百吨的锅炉以厘米级的精度放入外壳内的位置,堋速器要求安放一块巨大的磁铁,以便产生一条精确的粒子轨道;射电望远镜要求以毫米的精度架设天线;某些科学实验工程与国防一程的建设以及工业自动化生产设备的安装,有的提出相邻点相对位置的误差不应超过0.1mm的精度。
为了满足这些要求,必须将高精度的仪器与设备引进到建筑工程测量中来,以便保证高精度定线、高精度定位及量测的需要。
比如长度测量,一方面用于100m以上的距离,可采用端士Kern厂生产的高精度测距仪MekometerME-3000,其测距的标称精度±(0.3ram+lppm),测程为2.5km;其次还有TellurometerMA-100,其标称精度为±(1.5ram+lppm),测程可达1.5km;此外在特殊条件下,可使用端典AGA厂生产的AGAl2标准仪器,其标称精度可达到±1ram。
另一方面用于50m左右的距离,可采用激光干涉仪,其最高精度可达0.089m。
使用这种仪器需要特殊设备,要建立一条直线导轨,使角反射器可沿导轨滑动,在滑动期间从基准点开始计算干涉条纹的数目。
该设备常用于检定标准基线。
除此之外,瑞士Kern厂生产的DISTOMETER弹力系统可达0.03ram的精度。
4结束语
综上所述,科技的快速发展,给工程测量带来了更多的新技术,新技术带来了操作更加便利、测量更加准确、工作效率更高的设备和仪器。
这就要求工程测量人员要不断提高对新技术的掌握程度、熟练应用新技术、新设备,将工程测量工作进行得更加精确。
广西水利水电 GXWATERRESOURCES&HYDROPOWERENGINEERING 2003
(2)8-11
工程测量新技术在水利工程中的开发与应用
丁万庆,张长路
(黄河水利委员会勘测规划设计研究院测绘总队,河南 郑州 450045)
[摘要] 介绍了TCA2003,DINI12,ME5000等几种测量仪器的特点、工作原理、主要用途及为此开发研制的高精度控制测量自动化系统;论述了GPS测量高程的现状、以及GPS测量高程的最新方法———精化大地水准面法的具体做法;总结了这些新技术在小浪底工程、南水北调西线工程等大型工程中的应用情况。
[关键词] 工程测量;新技术;应用;水利工程
[中图分类号] P204;TV221.1 [文献标识码] B [文章编号] 1003-1510(2003)02-0008-04
1 新型高精度工程测量仪器的应用
随着电子技术的发展,各种精密测量仪器不断出现,为测绘技术的发展提供了广阔的前景。
工程测量所使用的光学经纬仪和电磁波测距仪已逐渐被电子全站仪、智能型全站仪、数字水准仪所取代。
计算机技术的发展,使得测量数据的采集、处理自动化成为可能,促使高精度控制测量自动化系统的问世。
空间定位技术的发展,使得我们用上了高精度、全天候、不受通视条件限制的全球定位系统GPS。
大地水准面的精化,使得GPS测量高程的精度大幅度提
高,极大地提高了工作效率。
1.1 智能型全站仪TCA2003(测量机器人)
由徕卡公司推出的TCA系列全站仪,是采用马达驱动和软件控制的TPS(TotalstationPositionsystem)系统,它是智能型全站仪结合激光、通讯及CCD技术,集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、遥控、自动记录数据于一体的测量系统。
TCA系列智能全站仪又称“测量机器人”,以其独特的智能化、自动化性能应用于变形监测中,使用户轻松地获取变形观测数据,及时进行监测预报。
TCA2003智能全站仪标称测角精度为±0.5″,测距精度为±(1mm+1ppm×D)(D为被测距离)。
测程范围:
单棱镜可达2500m,三棱镜可达3500m。
该全站仪由马达驱动,在望远镜中安有同轴自动目标识别装置ATR(AutomaticTargetRecogni-tion),能自动瞄准普通棱镜进行测量。
可采用电子气泡精确整平仪器,并采用图形和数字形式显示垂直轴的纵、横向倾斜量,只需将仪器整平至10″即可,具有纵、横轴自动补偿器,提高了仪器整平精度。
仪器内置的Flash存贮器可装载应用软件,并独立运行于仪器上。
数据存贮在SRAM存贮卡上,也可用通讯电缆或数据电台与计算机连接由计算机存贮数据并控制全站仪。
小浪底工程的外部变形监测及滑坡体监测项目主要应用该仪器。
1.2 数字水准仪DINI12
DINI12精密数字水准仪采用了吊带式补偿方式,其视距的读取及存储、处理、采集均实现了自动化。
它操作更加快捷、方便、直观,成果精度更加可靠,其中误差达±0.3mm/km;它采用了目前最先进的几何位置法量算系统,还有8种可选的测量模式和自动平差功能,使数据格式完全符合国家测量规范要求;灵活的DOS操作系统不但能方便地与计算机连接,便于升级为中文界面,而且更适应现代化水利工程测量发展的要求。
DINI12装有1组CCD图象传感器,即光敏二极管矩阵电路和智能化微处理器(CPU),它们结合方便、灵活的DOS操作系统,配以条码铟钢尺与条码识别系统,实现全自动测量[1]。
其工作原理为:
仪器照准并启动测量按键后,条码尺上的刻度分划图像,经过日光的反射,在望远镜中成像,并通过分光器分成两束光,一束转射到观测镜上供人眼监视,另一束转射到光敏二极管阵列(CCD),其视频信号被光敏二极管所感应,随后转化成电信号,经整形后进入模数转换系统(A/D),从而输出数字信号送入微处理器处理(并由其操作软件计算),处理后的电数字信号一路存入PC卡,一路输出到面板的液晶显示器,从而完成整个测量过程。
小浪底工程的垂直位移监测项目主要用该仪器。
1.3 高精度测距仪ME5000
高精度测距仪ME5000是目前用于工程测量精度最高的测距仪,测距精度为(0.2mm+0.2ppm×D)(D为被测距离)。
测程:
低端范围:
20~1000m;高端范围:
100~8000m。
在平均条件下,能见度约15km,用1块反射镜可测5km,3块反射镜可测8km。
在不良条件,比如有雾,测程=能见度。
小浪底工程的水平固定点网观测主要用该仪器。
2 工程测量软件的开发
2.1 高精度控制测量自动化系统
高精度的测量控制网,水利系统一般分为施工阶段的施工控制网,施工运营阶段的变形控制网等。
因此,必须快速准确地提供测量成果,才能及时地为工程建设服务。
常规的测量方法是采用人工、用记录本加铅笔记录。
测量外业观测工作本身条件差、数据量大,采用人工记录,人脑计算、比较判断,要花很多时间,有时往往因计算过程出现问题不能及时发现,造成返工重测。
针对上述测量项目多、测量频率高、采集的数据量特别大、人工记录非常繁琐、易出错等问题,我们于1997年6月开始研制高精度控制测量自动化系统。
该系统的技术原理是通过软硬件的开发研制,实现电子手簿、测量仪器、室内微机之间的数据通讯;电子手簿记录计算、比较判断、校核存储、打印输出等小型数据处理;将外业采集的观测数据依内业平差软件要求的数据格式传送到室内微机进行平差计算;建立变形监测数据库,并及时进行数据处理,统计出有关变形量。
即实现野外数据采集自动化、内业数据处理自动化、内业数据管理自动化。
经过调研,选择通用性好、存储量大、屏幕功能强、软件资源丰富、携带方便、抗震能力强的HP200Lx掌上型电脑作为测量电子手簿。
利用掌上机的RS-232-C标准串行接口通过电缆分别与测量仪器、微机、打印机进行连接,实现测量仪器、计算机之间的数据通讯。
在PC机上研制出具有理论严密、算法先进、功能强大、正确可靠、汉字提示、菜单操作、界面友好、智能程度高、运行速度快等特点的高精度控制测量数据采集自动化系统软件包。
开发研制高精度控制测量成果的自动平差处理和数据管理软件包。
该系统能进行平面控制网及高程控制网的外业数据自动采集、校核,控制点输入的自动判断、自动组网,能进行外业验算,并进行数据平差,对于复测数据能按图表两种形式统计出数据变化量,画出位移量图及位移矢量图。
该系统集数据采集、校核、平差、管理于一体,均由计算机自动完成。
采用该系统进行高精度控制测量,免去了外业人员繁重的记录工作,减轻了测量人员的劳动强度,提高工作效率30%以上,确保了成果质量,增强了测绘单位的市场竞争力。
该成果运用于黄河小浪底水利枢纽工程、广西右江百色水利枢纽工程、洛河故县水库、河南省淇河盘石头水库等,社会效益、经济效益显著。
2.2 大地水准面精化软件的开发
2.2.1 GPS测量高程应用现状
目前,GPS技术已广泛地应用于各行业的测量工作,但仅局限于确定GPS控制点的平面位置,而GPS控制点的高程绝大多数单位仍采用以下两种方法:
①常规方法。
用水准仪、全站仪等仪器进行测量。
这种常规方法耗时、耗力、花费多;②GPS高程拟合法。
用足够量的GPS和水准重合点,拟合(内插)获得最佳逼近大地水准面,从而求得GPS测量点的高程。
但这种方法局限于测区范围较小,地形变化较小,且测区内需有分布较均匀和足够量的GPS和水准重合点,要满足这项要求,还需作大量的常规水准测量。
2.2.2 GPS测量高程研究前沿
GPS测定的大地高程,是高精度的高程资料,由于没有较精确的大地水准面成果,从而无法获得正常高,故得不到充分利用。
若能获得较精确的大地水准面成果,GPS测定的大地高就能很方便地转化为正常高,即1956年黄海高程或1985年国家高程基准。
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