摘要：在地鐵工程GPS平面控制網(wǎng)的布設(shè)中，主要采用的的是邊連式的作業(yè)方式,保證了觀測(cè)的圖形強(qiáng)度，但是其作業(yè)效率較低。通過(guò)在天津地鐵二號(hào)線的GPS網(wǎng)觀測(cè)中，采用點(diǎn)、邊混連式的布網(wǎng)形式，既能得到較好的圖形強(qiáng)度，又極大的提高了作業(yè)效率，并且能獲得同樣的點(diǎn)邊精度。
　　關(guān)鍵詞：地鐵，GPS控制網(wǎng)，布網(wǎng)
　　一、概述及工程概況
　　80年代以來(lái)，隨著GPS定位技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展完善，使測(cè)繪定位技術(shù)發(fā)生了革命性的變革，為工程測(cè)量提供了嶄新的技術(shù)手段和方法。在我國(guó)GPS定位技術(shù)的應(yīng)用已深入各個(gè)領(lǐng)域，國(guó)家大地網(wǎng)、城市控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)的建立與改造已普遍地應(yīng)用GPS技術(shù)，在石油勘探、高速公路、通信線路、地下鐵路、隧道貫通、建筑變形、大壩監(jiān)測(cè)、山體滑坡、地震的形變監(jiān)測(cè)、海島或海域測(cè)量等也已廣泛的使用GPS技術(shù)。
　　而隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，作為城市軌道交通的地鐵建設(shè)成為各地方為緩解日益緊張的城市交通的重要措施。測(cè)量控制承載整個(gè)建設(shè)工程的基礎(chǔ)任務(wù)，為地鐵工程勘察、設(shè)計(jì)、施工乃至運(yùn)營(yíng)的順利進(jìn)行提供最基礎(chǔ)的服務(wù)。GPS平面控制測(cè)量已廣泛應(yīng)用于各城市地鐵建設(shè)中，本人在近年來(lái)北京、廣州、天津的地鐵建設(shè)中參與了其GPS首級(jí)平面控制網(wǎng)的測(cè)量工作。通過(guò)幾年的實(shí)踐，來(lái)談?wù)剮�點(diǎn)在GPS布網(wǎng)選擇上的幾點(diǎn)看法。
　　廣州市地鐵二號(hào)線是繼地鐵一號(hào)線之后的又一大型建設(shè)項(xiàng)目，該線北起新市，沿機(jī)場(chǎng)路向南經(jīng)廣州火車站、海珠廣場(chǎng)等地，南達(dá)昌崗路，然后沿昌崗路向東至琶洲，全線總長(zhǎng)約30km，呈L形布置，為廣州市南北交通的又一大動(dòng)脈；北京地鐵五號(hào)線南起宋家莊，北至太平莊，縱穿城市南北，全長(zhǎng)約27.7km，是北京市承諾的2008北京奧運(yùn)會(huì)的重點(diǎn)工程之一；天津地鐵二號(hào)線是天津市快速軌道交通網(wǎng)中的東西骨干線，西起外環(huán)線曹莊，東至機(jī)場(chǎng)李明莊，全長(zhǎng)約22.8km。
　　地鐵為現(xiàn)代大都市的主要交通命脈，它從地下穿越城市中心密集的建筑物，因此高精度的測(cè)量是設(shè)計(jì)與施工順利進(jìn)行的保證。在以上三條線中都采用了GPS測(cè)量來(lái)進(jìn)行其首級(jí)平面控制網(wǎng)的布設(shè)，在首次測(cè)設(shè)時(shí)都采用了大地四邊形和三角形為構(gòu)網(wǎng)的主要形式。我在參與天津地鐵二號(hào)線的復(fù)測(cè)時(shí)改變了其原有的布網(wǎng)形式，也獲得了預(yù)料之中的效果。
　　二、GPS布網(wǎng)形式
　　GPS基線向量網(wǎng)常用的布網(wǎng)形式有以下幾種：
　　●跟蹤站式
　　●會(huì)戰(zhàn)式
　　●多基準(zhǔn)站式
　　●同步圖形擴(kuò)展式
　　●單基準(zhǔn)站式
　　跟蹤站式是若干臺(tái)接收機(jī)長(zhǎng)期固定安放測(cè)站上進(jìn)行常年不間斷的觀測(cè)；
　　會(huì)戰(zhàn)式是多臺(tái)接收機(jī)集中在若干天內(nèi)分別在同一批次點(diǎn)上進(jìn)行多天、長(zhǎng)時(shí)段的同步觀測(cè)，完成一批到另一批，直到所有點(diǎn)觀測(cè)完畢。這兩種形式其基線都為進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)具有較高的精度和框架基準(zhǔn)特性，一般用于布設(shè)國(guó)家A、B級(jí)網(wǎng)或者更高的AA網(wǎng)。
　　多基準(zhǔn)站式就是有若干臺(tái)接收機(jī)再一段時(shí)間里長(zhǎng)期固定在某幾個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，這些測(cè)站稱之為基準(zhǔn)站，在基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測(cè)的同時(shí)，另外一些接收機(jī)則在這些基準(zhǔn)站周圍相互之間進(jìn)行同步觀測(cè)。這種方式已應(yīng)用于各城市的GPS動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)中，如深圳、北京。而對(duì)應(yīng)的單基準(zhǔn)站式由于各流動(dòng)站一般只與基準(zhǔn)站之間有同步觀測(cè)基線，故圖形強(qiáng)度很弱。
　　而所謂同步圖形擴(kuò)展式，就是多臺(tái)接收機(jī)在不同測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，在完成一個(gè)時(shí)段的同步觀測(cè)后，又遷移到其它的測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，每次同步觀測(cè)都可以形成一個(gè)同步圖形，在測(cè)量過(guò)程中，不同的同步圖形間一般有若干個(gè)公共點(diǎn)相連，整個(gè)GPS網(wǎng)由這些同步圖形構(gòu)成。同步圖形擴(kuò)展式的布網(wǎng)式具有擴(kuò)展速度快，圖形強(qiáng)度高，且作業(yè)方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。同步圖形擴(kuò)展式是布設(shè)GPS網(wǎng)時(shí)最常用的一種布網(wǎng)形式。
　　采用同步圖形擴(kuò)展式布設(shè)GPS基線向量網(wǎng)時(shí)的觀測(cè)作業(yè)方式主要有以下幾種形式：
　　 點(diǎn)連式
　　 邊連式
　　 網(wǎng)連式
　　 混連式
　　1．點(diǎn)連式
　　所謂點(diǎn)連式就是在觀測(cè)作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形間只通過(guò)一個(gè)公共點(diǎn)相連。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m-1個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些儀器觀測(cè)觀測(cè)了s個(gè)時(shí)段后，就可以測(cè)得1+s•(m-1)個(gè)點(diǎn)。
　　
　　                       
　　點(diǎn)連式觀測(cè)作業(yè)方式的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)效率高，圖形擴(kuò)展迅速；它的缺點(diǎn)是圖形強(qiáng)度低，如果連接點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題，將影響到后面的同步圖形。
　　2．邊連式
　　所謂邊連式就是在觀測(cè)作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個(gè)公共點(diǎn)）相連。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m-2個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些儀器觀測(cè)觀測(cè)了s個(gè)時(shí)段后，就可以測(cè)得2+s•(m-2)個(gè)點(diǎn)。
　　                    
　　
　　邊連式觀測(cè)作業(yè)方式具有較好的圖形強(qiáng)度和較高的作業(yè)效率。
　　3．網(wǎng)連式
　　所謂網(wǎng)連式就是在作業(yè)時(shí)，相鄰的同步圖形間有3個(gè)（含3個(gè)）以上的公共點(diǎn)相連。這樣，當(dāng)有m臺(tái)儀器共同作業(yè)時(shí)，每觀測(cè)一個(gè)時(shí)段，就可以測(cè)得m-k個(gè)新點(diǎn)，當(dāng)這些儀器觀測(cè)了s個(gè)時(shí)段后，就可以測(cè)得k+s•(m-k)個(gè)點(diǎn)。采用網(wǎng)連式觀測(cè)作業(yè)方式所測(cè)設(shè)的GPS網(wǎng)具有很強(qiáng)的圖形強(qiáng)度，但網(wǎng)連式觀測(cè)作業(yè)方式的作業(yè)效率很低。
　　4．混連式
　　在實(shí)際的GPS作業(yè)中，一般并不是單獨(dú)采用上面所介紹的某一種觀測(cè)作業(yè)模式，而是根據(jù)具體情況，有選擇地靈活采用這幾種方式作業(yè)，這樣一種觀測(cè)作業(yè)方式就是所謂的混連式。
　　混連式觀測(cè)作業(yè)方式是我們實(shí)際作業(yè)中最常用的作業(yè)方式，它實(shí)際上是點(diǎn)連式、邊連式和網(wǎng)連式的一個(gè)結(jié)合體。
　　三、地鐵工程中的布網(wǎng)形式
　　1．地鐵工程GPS網(wǎng)的特點(diǎn)
　　地鐵是城市交通的一種形式，由于其在建筑物稠密、地下管網(wǎng)繁多的城市環(huán)境中建設(shè)，不僅工程測(cè)量精度要求高，而且技術(shù)密集、造價(jià)昂貴。同時(shí)工程自身與工程環(huán)境的安全和穩(wěn)定在施工和運(yùn)營(yíng)期間相互影響較大，因此地鐵對(duì)工程測(cè)量的要求較高。
　　地鐵一般為線性工程，沿線路布設(shè)的控制點(diǎn)一般為直伸的線狀，因此在進(jìn)行其首級(jí)平面控制的GPS網(wǎng)形設(shè)計(jì)時(shí)，為控制網(wǎng)形，有時(shí)需要增加一些額外的控制點(diǎn)來(lái)增加圖形強(qiáng)度，也增添了布網(wǎng)的美觀，但同時(shí)也帶來(lái)額外的觀測(cè)任務(wù)，影響了工程的進(jìn)度，提高了作業(yè)成本。
　　2．廣州地鐵二號(hào)線的布網(wǎng)形式
　　在廣州地鐵二號(hào)線GPS平面控制網(wǎng)復(fù)測(cè)中，我們使用的儀器為L(zhǎng)eicaSR510單頻接收機(jī)四臺(tái)套，由三個(gè)已知點(diǎn)“摩星嶺”、“南方大廈”和“平崗”和待定點(diǎn)“機(jī)場(chǎng)路”、“德政北”、“中山大學(xué)”、“航道學(xué)校”等七個(gè)點(diǎn)構(gòu)成首級(jí)骨架網(wǎng)，采用大地四邊形和三角形的邊連式構(gòu)網(wǎng)方式。首級(jí)骨架網(wǎng)共觀測(cè)4個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測(cè)不低于2小時(shí)。首級(jí)網(wǎng)的七個(gè)點(diǎn)與其它待定點(diǎn)構(gòu)成二級(jí)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，主要采用大地四邊形的邊連式作業(yè)模式，觀測(cè)時(shí)間不小于1小時(shí)。
　　3．北京地鐵五號(hào)線的布網(wǎng)形式
　　北京地鐵五號(hào)線首級(jí)GPS平面網(wǎng)由五個(gè)北京市Ⅰ等三角點(diǎn)“三臺(tái)山”、“東莊子”、“羊坊”、“霍家營(yíng)”、“燕丹”和北京市Ⅱ等GPS點(diǎn)“東直門”為主控點(diǎn)，兼顧北京地鐵五號(hào)線北新橋～雍和宮盾構(gòu)試驗(yàn)段兩個(gè)GPS點(diǎn)A[130]7、A[130]6，重合原復(fù)八線GPS點(diǎn)“北京日?qǐng)?bào)社”和城市鐵路GPS點(diǎn)“G17”，以上10個(gè)點(diǎn)與其它35個(gè)待測(cè)點(diǎn)構(gòu)成整體結(jié)點(diǎn)控制網(wǎng)。觀測(cè)時(shí)也采用二級(jí)分級(jí)，“三臺(tái)山”、“東莊子”、“羊坊”、“霍家營(yíng)”、“燕丹”、“東直門”和待定點(diǎn)“肖村攪拌站”、CP1、CP2構(gòu)成大地四邊形邊連式骨架網(wǎng)；其它點(diǎn)與其構(gòu)成二級(jí)網(wǎng)，也采用邊連式的作業(yè)模式，構(gòu)網(wǎng)圖形為大地四邊形和三角形。
　　4．天津地鐵二號(hào)線的布網(wǎng)形式
　　天津地鐵二號(hào)線復(fù)測(cè)GPS控制網(wǎng)的布設(shè)采用分級(jí)布網(wǎng)，由2301、2305-1、2310、2315、23191、2324、2339、2331八個(gè)點(diǎn)采用大地四邊形邊連式構(gòu)成骨架網(wǎng)，骨架網(wǎng)分4個(gè)時(shí)段。其它30個(gè)待定點(diǎn)與骨架網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)導(dǎo)線結(jié)點(diǎn)網(wǎng)，采用點(diǎn)連式作業(yè)模式，二級(jí)網(wǎng)13個(gè)時(shí)段，每相鄰兩個(gè)時(shí)段只有一個(gè)公共點(diǎn)連接，保留有效的的獨(dú)立觀測(cè)基線，也就是沿地鐵線路方向施工控制使用的通視邊，整個(gè)二級(jí)網(wǎng)就連成一條直伸的導(dǎo)線，加上骨架網(wǎng)整個(gè)控制網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)、邊混連式的構(gòu)網(wǎng)作業(yè)模式。在這次布網(wǎng)中，為確保達(dá)到一定的規(guī)范精度要求，在選擇骨架網(wǎng)時(shí)，點(diǎn)位均勻分散，每?jī)蓚�(gè)骨架網(wǎng)點(diǎn)間二級(jí)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不超過(guò)5個(gè)。
　　5．作業(yè)結(jié)果與分析
　　下面看看我們?cè)谌��?xiàng)地鐵工程中GPS平面控制網(wǎng)基線解算和平差后的主要精度指標(biāo)：

                         
　　　　從以上的精度結(jié)果來(lái)看，拋開(kāi)起算點(diǎn)系統(tǒng)誤差的影響，三項(xiàng)工程觀測(cè)的精度相差不大，基本上滿足規(guī)范的要求，天津地鐵GPS網(wǎng)在點(diǎn)位精度上甚至優(yōu)于各網(wǎng)，因此采用點(diǎn)、邊混連模式在精度上也能同樣達(dá)到規(guī)范的要求。
　　廣州地鐵二號(hào)線GPS網(wǎng)在構(gòu)網(wǎng)時(shí)，為保證網(wǎng)形強(qiáng)度，增加了一些非有效的觀測(cè)點(diǎn)，在施工控制中基本上不會(huì)使用，也就是我們所說(shuō)的額外的觀測(cè)點(diǎn)，如“廣州大學(xué)”、“商學(xué)院”等，在施工過(guò)程中，根本就沒(méi)有使用過(guò)這些點(diǎn)，只是單純?yōu)槠涫准?jí)網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)所使用的點(diǎn)。這種作業(yè)模式保證了圖形強(qiáng)度，但從結(jié)果上分析，并沒(méi)有明顯的提高精度，反而影響了作業(yè)進(jìn)度。在北京地鐵五號(hào)線的布網(wǎng)中，雖然沒(méi)有增加這種非有效的觀測(cè)點(diǎn)，但是使用了較多的已知點(diǎn)來(lái)起到了相似的作用，而已知點(diǎn)過(guò)多，其起算系統(tǒng)誤差卻影響了網(wǎng)平差的精度，因此在測(cè)后的數(shù)據(jù)處理中，很多已知點(diǎn)只是作重合檢測(cè)點(diǎn)使用，來(lái)檢核網(wǎng)平差的成果。在廣州和北京的地鐵中采用都是邊連式的作業(yè)模式，圖形擴(kuò)展速度較慢，相對(duì)作業(yè)效率較低。
　　而在天津地鐵二號(hào)線的觀測(cè)中，我們只是在點(diǎn)位均勻分散的骨架網(wǎng)的觀測(cè)中采用大地四邊形的邊連模式，二級(jí)網(wǎng)中我們采用點(diǎn)連式的觀測(cè)模式，大大的提高了作業(yè)效率。在同樣采用四臺(tái)套的單頻接收機(jī)的情況下，廣州和北京的GPS網(wǎng)觀測(cè)中都是用時(shí)8天，而在天津觀測(cè)作業(yè)量相當(dāng)?shù)那闆r下卻只用時(shí)5天，也達(dá)到了同樣規(guī)范要求的精度。
　　但是在天津的二級(jí)網(wǎng)觀測(cè)中，我們也發(fā)現(xiàn)在每天的觀測(cè)結(jié)束后，同步環(huán)的閉合差我們可以隨時(shí)掌控，但對(duì)由于連接點(diǎn)的誤差引起的異步環(huán)誤差不能隨時(shí)掌握，在這一點(diǎn)上，就不如廣州和北京的邊連接模式中，它能隨時(shí)清楚相鄰的異步環(huán)閉合差，以便清楚地了解外業(yè)數(shù)據(jù)的可靠性，及時(shí)的安排外業(yè)補(bǔ)測(cè)工作。因此我們?cè)谔旖虻牟季W(wǎng)中平均分布骨架網(wǎng)點(diǎn)，當(dāng)觀測(cè)相鄰兩骨架網(wǎng)點(diǎn)間二級(jí)點(diǎn)后，就可以知道其間異步環(huán)的閉合差，來(lái)了解數(shù)據(jù)的可靠性。
　　四、結(jié)論
　　在目前的地鐵工程GPS控制網(wǎng)的布設(shè)中，由于相應(yīng)規(guī)范的精度要求比較高，因此在網(wǎng)形設(shè)計(jì)時(shí)多采用兩點(diǎn)相接的邊連接的作業(yè)模式，以保證數(shù)據(jù)的及時(shí)可靠性和較高的點(diǎn)位精度，但是相對(duì)于點(diǎn)連接模式，圖形擴(kuò)展速度慢，降低了作業(yè)效率，影響了作業(yè)進(jìn)度。而單純的點(diǎn)連接模式圖形強(qiáng)度低，也無(wú)法保證高精度的技術(shù)要求。所以在線性的地鐵工程GPS平面網(wǎng)測(cè)量中，我們采用點(diǎn)、邊混連式的布網(wǎng)形式，先選擇均勻分散的點(diǎn)構(gòu)成邊連接的骨架網(wǎng)觀測(cè)，然后以點(diǎn)連接方式把其它點(diǎn)與骨架網(wǎng)相連，這樣就能盡快的掌握異步環(huán)的閉合差，既能得到較好的圖形強(qiáng)度，又極大的提高了作業(yè)效率。在類似的線性工程中，特別是其二級(jí)控制網(wǎng)或在首級(jí)網(wǎng)復(fù)測(cè)中值得采用此種方模式。
　　在天津地鐵二號(hào)線GPS網(wǎng)觀測(cè)中，選擇骨架網(wǎng)時(shí)，我們一般保證相鄰兩點(diǎn)間的二級(jí)點(diǎn)不超過(guò)5個(gè)，是為了符合地鐵規(guī)范中對(duì)附合邊數(shù)的要求不能大于6，如果在精度要求較低的工程中，或者使用GPS進(jìn)行地鐵二級(jí)加密網(wǎng)時(shí)，我們可以選擇多于間隔5個(gè)點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)，將更加減少骨架網(wǎng)的工作量，效率又將提高。
　　
　　參考資料：
　　《我國(guó)工程測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與成就》，洪立波，測(cè)繪信息網(wǎng)；
　　《實(shí)用GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理教程》，武漢測(cè)繪科技大學(xué)地測(cè)學(xué)院；
　　《地下鐵道、輕軌交通工程測(cè)量規(guī)范》，GB50308-1999；
　　《全球定位系統(tǒng)城市測(cè)量技術(shù)規(guī)程》，CJJ73-97。