罗星塔零点设在福州马尾罗星塔公园,以闽江罗星塔段最低水位的水面作为基准面,从晚清开始沿用百余年,直至建国前及建国初期一直是东南沿海,特别是闽江流域的区域性高程基准。1952年底确定了“罗零”标高为黄海高程-2.179米。
由于全球70%以上的地表被海洋覆盖,海平面广阔无垠,那么我们该如何确定一个统一的海拔标准呢?有人可能会认为,既然地球上的四大洋是相互连通的,那么整个海洋区域的海平面应该是一致的,海岸任一点海平面都可作为全球统一高程系的起算面。事实上,这正是元代科学家郭守敬提出海拔概念,并从平均海面起算的基本思想,也是大地水准面最初的物理参照。
近百年来,科学家已经认识到平均海面是“不平的”,用验潮站观测的平均海面确定的高程零点或高程基准会依验潮站位置的不同而存在系统性差异,由验潮站观测数据确定的高程基准是区域性基准。正像罗星塔零点一样,许多江河流域的区域性高程基准实际采用了验潮站的低潮面为参考面,与沿海通航口岸的海道测量工作存在天然联系,采用的是海图深度基准面或与其接近的参考面,而并不是按平均海面对大地水准面逼近的“理论”要求而建立。
历史上,我国共设立过多个高程零点,包括大连高程零点、大沽高程零点、废黄河零点、坎门零点、吴淞高程零点、罗星塔高程零点和珠江高程零点等。这些高程零点的设立背景和作用各不相同,反映了我国在不同历史时期和地理区域的高程测量需求和标准。
早期的高程零点,沿海岸自北向南主要有:
▲大连高程零点:1905年9月,日俄战争刚刚结束,日本海军水路部在旅顺港设立验潮站,此后又于大连港建立验潮站,在一号码头埋没水准基点,其高程定为3.765m。
▲大沽高程零点:是1902年(光绪28年)由英国海军兵舰“赖伯勒”号的船长斯麦士在侵略天津大沽港期间,为测量大沽浅滩,经过16天潮汐观测,以大潮平均最低潮位作为起算面。
▲废黄河零点:是江淮水利测量局为建设和开发长江和淮河地区水利工程,聘请一个美国人在1912年11月11日下午5时,以废黄河口低水位为基准面,确定高程基准零点。
▲吴淞高程零点:1860年上海海关巡工司,在上海黄浦江西岸张华滨设置吴淞信号站,竖立水尺和信号杆悬挂水准标球。1883年初,又在水尺旁埋设一普通水准标石作为基准标石。高程为当时测得的最低水位以上5.182m(17英尺)。经过1871年至1900年长期实测,确定经当时实测最低水位略低的水位作为水尺零点,此点在平均最低水位以下0.49m,当初称为吴淞海关零点,后正式定名为吴淞零点(W.H.z)。
▲罗星塔高程零点:1860年,英国人在福州马尾镇对岸长乐县营前设立海关,建造码头。通过验潮,在离码头台阶1m处的岩石斜坡处刻一标志,作为高程零点,称为“罗星塔零点”。
▲珠江高程零点:珠江高程基准是1908年(光绪34年)两广督练公所参谋处建立的,以广州粤海关前珠江的验潮水尺测得的平均潮位为基准面,水准基点为海关正门基石。
由此可知,罗星塔零点和吴淞高程零点是近代中国建立的第一代高程基准,也就是海拔原点。1860年,英国在福建省福州市马尾镇对岸的长乐县营前设立海关,建立码头。在离码头台阶1m多的岩石斜坡处刻有标志,作为高程零点,称为罗星塔零点。因该点经常浸水,甚至泥沙埋没,不便使用。后在该零点附近较高岩石上另刻一标志,称为罗星塔基点。
在被称为“中国塔”的罗星塔北侧,可以看到“罗零基准点”纪念碑。碑文上刻有:“罗星塔零点,简称罗零,设于罗星塔对岸马江低潮水位,为闽江流域工程部门常用的高程起算点。”
石上刻有“IX”,为罗马字9
“罗零基准”有两个基准点,其中“罗零点”是闽江罗星塔段最低水位的固定观测标记,但由于长时间浸没在水中,不方便使用,所以后来在罗零点上方约3米处另凿了一个固定标记,称为“罗基点”,也就是“Ⅸ”。“Ⅸ”指的是罗马数字9,表示“罗基点”标识处距离“罗零点”9尺(清尺),其高程为2.743米。
一直到中华人民共和国成立初期,福建的陆上高度和水下深度皆以“罗零基点”作为起点计算,标注为“罗零标高”。同时,该基准也被东南沿海各省采用,对当时的建设发展起到至关重要的作用。
五口通商时期,各国兵、商船纷纷进入闽江海口,触礁沉没事故屡有发生,确定出零点标高用于航道定位变得迫在眉睫。于是清政府在闽江口下游设立验潮站,但是当时的清政府尚未掌握海道测量(海洋测绘)技术,只得由船政衙署和港务当局请德国工程师进行系统测量。
从1866年至1896年历时30年,德国工程师最终在伯牙磹下码头江边礁石确定了马江端的最低水位的固定观测标记,也就是我们今天所了解的“罗零基点”。
建国后国家百废待兴,经济和国防建设需要详细、准确的各种测量基础资料,如各类坐标点、高程点、地形图作为依据。为统一全国高程零点以应急需,准备筹建一个国家水准原点。1952年,解放军总参谋部测绘局组织有关人员对沿海一些验潮站,如坎门、吴淞、青岛、大连、葫芦岛及一些高程基准点进行专题调查。
总参测绘局重点考察的高程基准点分别为青岛零点和坎门零点。只是由于国民党败逃台湾时,带走了1947年以前的验潮资料,以及战乱,原坎门验潮所没有相应的配套设施而没有被选中。在考察时,专家们认为把水准原点建在青岛较为理想,青岛大港验潮站原是1898年德国人侵占青岛时所建,屡遭战乱,一度中断观测。解放后由海军北海舰队直接管理,自1950年经过改造,增设了自动验潮仪,每天定时观测潮汐变化,潮汐观测较为正规。同时,由于观象山居高临下,能俯视青岛美丽的城市风貌和蓝色的海湾,附近有中科院天文台、地磁台、地震台,以及海军气象台,交通便捷,又便于水准线路联测。附近地质构造属稳定的花岗岩基岩,便于在原点周围建设若干参考点,构成高程原点的维持基准网。
1956年,国家测绘总局、总参测绘局、水利部、中国科学院地理研究所等单位专家,专门组成“中国东南部地区水准网平差委员会”,重新审查水准原点应用情况,对全国沿海十几个验潮站调查甄别。对保存有1年以上潮汐观测资料的坎门、吴淞、青岛、葫芦岛和大连5个验潮站全面了解和实地考察,认为青岛验潮站基本符合要求。
1957年,中国大地测量法式会选定青岛验潮站作为中国基本验潮站,以青岛大港验潮站测得的1950~1956年潮汐资料推求的平均海面(在验潮站工作水准点下3.61米)作为新的全国高程起算基准面,命名为“1956年黄海高程系”。经精确水准联测,青岛水准原点高于海平面72.289米,即原点高度定义为海拔72.289米。此后,即以此点高程作为全国高程计算依据。
在已有长期验潮资料积累的基础上,从1975年开始,国家又组织专门力量重新测量海平面,搜集全国沿海42个验潮站的900多年资料,逐个考证、鉴别,反复论证,最终还是选用青岛大港验潮站1952~1979年的潮位资料,进行严格推算,得出青岛验潮站10个19年平均海面的滑动平均值为验潮站零点上2.429米。观象山“水准原点”实际海拔为72.260米,确定该数据为中国测量高度的标准,称之为1985年国家高程基准。
1987年5月,国务院废除其他区域性高程零点,正式批准青岛观象山“水准原点”为中国测量高度唯一标准。
必须指出,根据全国沿海海洋水文气象状况,联测新的测量成果,得出我国渤海与北黄海、南黄海、东海和南海四个区域海平面,自北向南增大,平均每100km约相差1cm。如坎门附近海面比青岛海面约高22cm,南海海面比渤海海面约高34cm(最多差达70cm)。全国海面自南向北呈现三个阶梯形的变化,全国沿海海面不平。
1992年全国统一采用1985国家高程基准,罗星塔零点的使用由此成为历史,并于2022年2月正式列入市级文保单位。这些高程零点的设立和转换关系反映了我国在不同历史时期和地理区域的高程测量需求和标准的变化。例如,1956年黄海高程系的设立结束了过去高程基准繁杂的局面,而1985年国家高程基准的启用则进一步统一了全国的高程测量标准。
【鸣谢】特别感谢福建理工大学暴景阳教授对本文作了严谨科学的修改与斧正。