摘要：在地鐵工程GPS平面控制網的布設中，主要采用的的是邊連式的作業方式,保證了觀測的圖形強度，但是其作業效率較低。通過在天津地鐵二號線的GPS網觀測中，采用點、邊混連式的布網形式，既能得到較好的圖形強度，又極大的提高了作業效率，并且能獲得同樣的點邊精度。
　　關鍵詞：地鐵，GPS控制網，布網
　　一、概述及工程概況
　　80年代以來，隨著GPS定位技術的出現和不斷發展完善，使測繪定位技術發生了革命性的變革，為工程測量提供了嶄新的技術手段和方法。在我國GPS定位技術的應用已深入各個領域，國家大地網、城市控制網、工程控制網的建立與改造已普遍地應用GPS技術，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、大壩監測、山體滑坡、地震的形變監測、海島或海域測量等也已廣泛的使用GPS技術。
　　而隨著城市建設的不斷發展，作為城市軌道交通的地鐵建設成為各地方為緩解日益緊張的城市交通的重要措施。測量控制承載整個建設工程的基礎任務，為地鐵工程勘察、設計、施工乃至運營的順利進行提供最基礎的服務。GPS平面控制測量已廣泛應用于各城市地鐵建設中，本人在近年來北京、廣州、天津的地鐵建設中參與了其GPS首級平面控制網的測量工作。通過幾年的實踐，來談談幾點在GPS布網選擇上的幾點看法。
　　廣州市地鐵二號線是繼地鐵一號線之后的又一大型建設項目，該線北起新市，沿機場路向南經廣州火車站、海珠廣場等地，南達昌崗路，然后沿昌崗路向東至琶洲，全線總長約30km，呈L形布置，為廣州市南北交通的又一大動脈；北京地鐵五號線南起宋家莊，北至太平莊，縱穿城市南北，全長約27.7km，是北京市承諾的2008北京奧運會的重點工程之一；天津地鐵二號線是天津市快速軌道交通網中的東西骨干線，西起外環線曹莊，東至機場李明莊，全長約22.8km。
　　地鐵為現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，因此高精度的測量是設計與施工順利進行的保證。在以上三條線中都采用了GPS測量來進行其首級平面控制網的布設，在首次測設時都采用了大地四邊形和三角形為構網的主要形式。我在參與天津地鐵二號線的復測時改變了其原有的布網形式，也獲得了預料之中的效果。
　　二、GPS布網形式
　　GPS基線向量網常用的布網形式有以下幾種：
　　●跟蹤站式
　　●會戰式
　　●多基準站式
　　●同步圖形擴展式
　　●單基準站式
　　跟蹤站式是若干臺接收機長期固定安放測站上進行常年不間斷的觀測；
　　會戰式是多臺接收機集中在若干天內分別在同一批次點上進行多天、長時段的同步觀測，完成一批到另一批，直到所有點觀測完畢。這兩種形式其基線都為進行長時間的觀測具有較高的精度和框架基準特性，一般用于布設國家A、B級網或者更高的AA網。
　　多基準站式就是有若干臺接收機再一段時間里長期固定在某幾個點上進行長時間的觀測，這些測站稱之為基準站，在基準站進行觀測的同時，另外一些接收機則在這些基準站周圍相互之間進行同步觀測。這種方式已應用于各城市的GPS動態基準網建設中，如深圳、北京。而對應的單基準站式由于各流動站一般只與基準站之間有同步觀測基線，故圖形強度很弱。
　　而所謂同步圖形擴展式，就是多臺接收機在不同測站上進行同步觀測，在完成一個時段的同步觀測后，又遷移到其它的測站上進行同步觀測，每次同步觀測都可以形成一個同步圖形，在測量過程中，不同的同步圖形間一般有若干個公共點相連，整個GPS網由這些同步圖形構成。同步圖形擴展式的布網式具有擴展速度快，圖形強度高，且作業方法簡單的優點。同步圖形擴展式是布設GPS網時最常用的一種布網形式。
　　采用同步圖形擴展式布設GPS基線向量網時的觀測作業方式主要有以下幾種形式：
　　 點連式
　　 邊連式
　　 網連式
　　 混連式
　　1．點連式
　　所謂點連式就是在觀測作業時，相鄰的同步圖形間只通過一個公共點相連。這樣，當有m臺儀器共同作業時，每觀測一個時段，就可以測得m-1個新點，當這些儀器觀測觀測了s個時段后，就可以測得1+s•(m-1)個點。
　　
　　                       
　　點連式觀測作業方式的優點是作業效率高，圖形擴展迅速；它的缺點是圖形強度低，如果連接點發生問題，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作業時，相鄰的同步圖形間有一條邊（即兩個公共點）相連。這樣，當有m臺儀器共同作業時，每觀測一個時段，就可以測得m-2個新點，當這些儀器觀測觀測了s個時段后，就可以測得2+s•(m-2)個點。
　　                    
　　
　　邊連式觀測作業方式具有較好的圖形強度和較高的作業效率。
　　3．網連式
　　所謂網連式就是在作業時，相鄰的同步圖形間有3個（含3個）以上的公共點相連。這樣，當有m臺儀器共同作業時，每觀測一個時段，就可以測得m-k個新點，當這些儀器觀測了s個時段后，就可以測得k+s•(m-k)個點。采用網連式觀測作業方式所測設的GPS網具有很強的圖形強度，但網連式觀測作業方式的作業效率很低。
　　4．混連式
　　在實際的GPS作業中，一般并不是單獨采用上面所介紹的某一種觀測作業模式，而是根據具體情況，有選擇地靈活采用這幾種方式作業，這樣一種觀測作業方式就是所謂的混連式。
　　混連式觀測作業方式是我們實際作業中最常用的作業方式，它實際上是點連式、邊連式和網連式的一個結合體。
　　三、地鐵工程中的布網形式
　　1．地鐵工程GPS網的特點
　　地鐵是城市交通的一種形式，由于其在建筑物稠密、地下管網繁多的城市環境中建設，不僅工程測量精度要求高，而且技術密集、造價昂貴。同時工程自身與工程環境的安全和穩定在施工和運營期間相互影響較大，因此地鐵對工程測量的要求較高。
　　地鐵一般為線性工程，沿線路布設的控制點一般為直伸的線狀，因此在進行其首級平面控制的GPS網形設計時，為控制網形，有時需要增加一些額外的控制點來增加圖形強度，也增添了布網的美觀，但同時也帶來額外的觀測任務，影響了工程的進度，提高了作業成本。
　　2．廣州地鐵二號線的布網形式
　　在廣州地鐵二號線GPS平面控制網復測中，我們使用的儀器為LeicaSR510單頻接收機四臺套，由三個已知點“摩星嶺”、“南方大廈”和“平崗”和待定點“機場路”、“德政北”、“中山大學”、“航道學校”等七個點構成首級骨架網，采用大地四邊形和三角形的邊連式構網方式。首級骨架網共觀測4個時段，每個時段觀測不低于2小時。首級網的七個點與其它待定點構成二級導線結點網，主要采用大地四邊形的邊連式作業模式，觀測時間不小于1小時。
　　3．北京地鐵五號線的布網形式
　　北京地鐵五號線首級GPS平面網由五個北京市Ⅰ等三角點“三臺山”、“東莊子”、“羊坊”、“霍家營”、“燕丹”和北京市Ⅱ等GPS點“東直門”為主控點，兼顧北京地鐵五號線北新橋～雍和宮盾構試驗段兩個GPS點A[130]7、A[130]6，重合原復八線GPS點“北京日報社”和城市鐵路GPS點“G17”，以上10個點與其它35個待測點構成整體結點控制網。觀測時也采用二級分級，“三臺山”、“東莊子”、“羊坊”、“霍家營”、“燕丹”、“東直門”和待定點“肖村攪拌站”、CP1、CP2構成大地四邊形邊連式骨架網；其它點與其構成二級網，也采用邊連式的作業模式，構網圖形為大地四邊形和三角形。
　　4．天津地鐵二號線的布網形式
　　天津地鐵二號線復測GPS控制網的布設采用分級布網，由2301、2305-1、2310、2315、23191、2324、2339、2331八個點采用大地四邊形邊連式構成骨架網，骨架網分4個時段。其它30個待定點與骨架網構成二級導線結點網，采用點連式作業模式，二級網13個時段，每相鄰兩個時段只有一個公共點連接，保留有效的的獨立觀測基線，也就是沿地鐵線路方向施工控制使用的通視邊，整個二級網就連成一條直伸的導線，加上骨架網整個控制網構成一個點、邊混連式的構網作業模式。在這次布網中，為確保達到一定的規范精度要求，在選擇骨架網時，點位均勻分散，每兩個骨架網點間二級點的個數不超過5個。
　　5．作業結果與分析
　　下面看看我們在三項地鐵工程中GPS平面控制網基線解算和平差后的主要精度指標：

                         
　　　　從以上的精度結果來看，拋開起算點系統誤差的影響，三項工程觀測的精度相差不大，基本上滿足規范的要求，天津地鐵GPS網在點位精度上甚至優于各網，因此采用點、邊混連模式在精度上也能同樣達到規范的要求。
　　廣州地鐵二號線GPS網在構網時，為保證網形強度，增加了一些非有效的觀測點，在施工控制中基本上不會使用，也就是我們所說的額外的觀測點，如“廣州大學”、“商學院”等，在施工過程中，根本就沒有使用過這些點，只是單純為其首級網構網所使用的點。這種作業模式保證了圖形強度，但從結果上分析，并沒有明顯的提高精度，反而影響了作業進度。在北京地鐵五號線的布網中，雖然沒有增加這種非有效的觀測點，但是使用了較多的已知點來起到了相似的作用，而已知點過多，其起算系統誤差卻影響了網平差的精度，因此在測后的數據處理中，很多已知點只是作重合檢測點使用，來檢核網平差的成果。在廣州和北京的地鐵中采用都是邊連式的作業模式，圖形擴展速度較慢，相對作業效率較低。
　　而在天津地鐵二號線的觀測中，我們只是在點位均勻分散的骨架網的觀測中采用大地四邊形的邊連模式，二級網中我們采用點連式的觀測模式，大大的提高了作業效率。在同樣采用四臺套的單頻接收機的情況下，廣州和北京的GPS網觀測中都是用時8天，而在天津觀測作業量相當的情況下卻只用時5天，也達到了同樣規范要求的精度。
　　但是在天津的二級網觀測中，我們也發現在每天的觀測結束后，同步環的閉合差我們可以隨時掌控，但對由于連接點的誤差引起的異步環誤差不能隨時掌握，在這一點上，就不如廣州和北京的邊連接模式中，它能隨時清楚相鄰的異步環閉合差，以便清楚地了解外業數據的可靠性，及時的安排外業補測工作。因此我們在天津的布網中平均分布骨架網點，當觀測相鄰兩骨架網點間二級點后，就可以知道其間異步環的閉合差，來了解數據的可靠性。
　　四、結論
　　在目前的地鐵工程GPS控制網的布設中，由于相應規范的精度要求比較高，因此在網形設計時多采用兩點相接的邊連接的作業模式，以保證數據的及時可靠性和較高的點位精度，但是相對于點連接模式，圖形擴展速度慢，降低了作業效率，影響了作業進度。而單純的點連接模式圖形強度低，也無法保證高精度的技術要求。所以在線性的地鐵工程GPS平面網測量中，我們采用點、邊混連式的布網形式，先選擇均勻分散的點構成邊連接的骨架網觀測，然后以點連接方式把其它點與骨架網相連，這樣就能盡快的掌握異步環的閉合差，既能得到較好的圖形強度，又極大的提高了作業效率。在類似的線性工程中，特別是其二級控制網或在首級網復測中值得采用此種方模式。
　　在天津地鐵二號線GPS網觀測中，選擇骨架網時，我們一般保證相鄰兩點間的二級點不超過5個，是為了符合地鐵規范中對附合邊數的要求不能大于6，如果在精度要求較低的工程中，或者使用GPS進行地鐵二級加密網時，我們可以選擇多于間隔5個點構網，將更加減少骨架網的工作量，效率又將提高。
　　
　　參考資料：
　　《我國工程測量技術發展現狀與成就》，洪立波，測繪信息網；
　　《實用GPS測量數據處理教程》，武漢測繪科技大學地測學院；
　　《地下鐵道、輕軌交通工程測量規范》，GB50308-1999；
　　《全球定位系統城市測量技術規程》，CJJ73-97。