摘要：在地铁工程GPS平面控制网的布设中，主要采用的的是边连式的作业方式,保证了观测的图形强度，但是其作业效率较低。通过在天津地铁二号线的GPS网观测中，采用点、边混连式的布网形式，既能得到较好的图形强度，又极大的提高了作业效率，并且能获得同样的点边精度。
关键词：地铁，GPS控制网，布网
一、概述及工程概况
80年代以来，随着GPS定位技术的出现和不断发展完善，使测绘定位技术发生了革命性的变革，为工程测量提供了崭新的技术手段和方法。在我国GPS定位技术的应用已深入各个领域，国家大地网、城市控制网、工程控制网的建立与改造已普遍地应用GPS技术，在石油勘探、高速公路、通信线路、地下铁路、隧道贯通、建筑变形、大坝监测、山体滑坡、地震的形变监测、海岛或海域测量等也已广泛的使用GPS技术。
而随着城市建设的不断发展，作为城市轨道交通的地铁建设成为各地方为缓解日益紧张的城市交通的重要措施。测量控制承载整个建设工程的基础任务，为地铁工程勘察、设计、施工乃至运营的顺利进行提供最基础的服务。GPS平面控制测量已广泛应用于各城市地铁建设中，本人在近年来北京、广州、天津的地铁建设中参与了其GPS首级平面控制网的测量工作。通过几年的实践，来谈谈几点在GPS布网选择上的几点看法。
广州市地铁二号线是继地铁一号线之后的又一大型建设项目，该线北起新市，沿机场路向南经广州火车站、海珠广场等地，南达昌岗路，然后沿昌岗路向东至琶洲，全线总长约30km，呈L形布置，为广州市南北交通的又一大动脉；北京地铁五号线南起宋家庄，北至太平庄，纵穿城市南北，全长约27.7km，是北京市承诺的2008北京奥运会的重点工程之一；天津地铁二号线是天津市快速轨道交通网中的东西骨干线，西起外环线曹庄，东至机场李明庄，全长约22.8km。
地铁为现代大都市的主要交通命脉，它从地下穿越城市中心密集的建筑物，因此高精度的测量是设计与施工顺利进行的保证。在以上三条线中都采用了GPS测量来进行其首级平面控制网的布设，在首次测设时都采用了大地四边形和三角形为构网的主要形式。我在参与天津地铁二号线的复测时改变了其原有的布网形式，也获得了预料之中的效果。
二、GPS布网形式
GPS基线向量网常用的布网形式有以下几种：
●跟踪站式
●会战式
●多基准站式
●同步图形扩展式
●单基准站式
跟踪站式是若干台接收机长期固定安放测站上进行常年不间断的观测；
会战式是多台接收机集中在若干天内分别在同一批次点上进行多天、长时段的同步观测，完成一批到另一批，直到所有点观测完毕。这两种形式其基线都为进行长时间的观测具有较高的精度和框架基准特性，一般用于布设国家A、B级网或者更高的AA网。
多基准站式就是有若干台接收机再一段时间里长期固定在某几个点上进行长时间的观测，这些测站称之为基准站，在基准站进行观测的同时，另外一些接收机则在这些基准站周围相互之间进行同步观测。这种方式已应用于各城市的GPS动态基准网建设中，如深圳、北京。而对应的单基准站式由于各流动站一般只与基准站之间有同步观测基线，故图形强度很弱。
而所谓同步图形扩展式，就是多台接收机在不同测站上进行同步观测，在完成一个时段的同步观测后，又迁移到其它的测站上进行同步观测，每次同步观测都可以形成一个同步图形，在测量过程中，不同的同步图形间一般有若干个公共点相连，整个GPS网由这些同步图形构成。同步图形扩展式的布网式具有扩展速度快，图形强度高，且作业方法简单的优点。同步图形扩展式是布设GPS网时最常用的一种布网形式。
采用同步图形扩展式布设GPS基线向量网时的观测作业方式主要有以下几种形式：
点连式
边连式
网连式
混连式
1．点连式
所谓点连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间只通过一个公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-1个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得1+s•(m-1)个点。
点连式观测作业方式的优点是作业效率高，图形扩展迅速；它的缺点是图形强度低，如果连接点发生问题，将影响到后面的同步图形。
2．边连式
所谓边连式就是在观测作业时，相邻的同步图形间有一条边（即两个公共点）相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-2个新点，当这些仪器观测观测了s个时段后，就可以测得2+s•(m-2)个点。
边连式观测作业方式具有较好的图形强度和较高的作业效率。
3．网连式
所谓网连式就是在作业时，相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连。这样，当有m台仪器共同作业时，每观测一个时段，就可以测得m-k个新点，当这些仪器观测了s个时段后，就可以测得k+s•(m-k)个点。采用网连式观测作业方式所测设的GPS网具有很强的图形强度，但网连式观测作业方式的作业效率很低。
4．混连式
在实际的GPS作业中，一般并不是单独采用上面所介绍的某一种观测作业模式，而是根据具体情况，有选择地灵活采用这几种方式作业，这样一种观测作业方式就是所谓的混连式。
混连式观测作业方式是我们实际作业中最常用的作业方式，它实际上是点连式、边连式和网连式的一个结合体。
三、地铁工程中的布网形式
1．地铁工程GPS网的特点
地铁是城市交通的一种形式，由于其在建筑物稠密、地下管网繁多的城市环境中建设，不仅工程测量精度要求高，而且技术密集、造价昂贵。同时工程自身与工程环境的安全和稳定在施工和运营期间相互影响较大，因此地铁对工程测量的要求较高。
地铁一般为线性工程，沿线路布设的控制点一般为直伸的线状，因此在进行其首级平面控制的GPS网形设计时，为控制网形，有时需要增加一些额外的控制点来增加图形强度，也增添了布网的美观，但同时也带来额外的观测任务，影响了工程的进度，提高了作业成本。
2．广州地铁二号线的布网形式
在广州地铁二号线GPS平面控制网复测中，我们使用的仪器为LeicaSR510单频接收机四台套，由三个已知点“摩星岭”、“南方大厦”和“平岗”和待定点“机场路”、“德政北”、“中山大学”、“航道学校”等七个点构成首级骨架网，采用大地四边形和三角形的边连式构网方式。首级骨架网共观测4个时段，每个时段观测不低于2小时。首级网的七个点与其它待定点构成二级导线结点网，主要采用大地四边形的边连式作业模式，观测时间不小于1小时。
3．北京地铁五号线的布网形式
北京地铁五号线首级GPS平面网由五个北京市Ⅰ等三角点“三台山”、“东庄子”、“羊坊”、“霍家营”、“燕丹”和北京市Ⅱ等GPS点“东直门”为主控点，兼顾北京地铁五号线北新桥～雍和宫盾构试验段两个GPS点A[130]7、A[130]6，重合原复八线GPS点“北京日报社”和城市铁路GPS点“G17”，以上10个点与其它35个待测点构成整体结点控制网。观测时也采用二级分级，“三台山”、“东庄子”、“羊坊”、“霍家营”、“燕丹”、“东直门”和待定点“肖村搅拌站”、CP1、CP2构成大地四边形边连式骨架网；其它点与其构成二级网，也采用边连式的作业模式，构网图形为大地四边形和三角形。
4．天津地铁二号线的布网形式
天津地铁二号线复测GPS控制网的布设采用分级布网，由2301、2305-1、2310、2315、23191、2324、2339、2331八个点采用大地四边形边连式构成骨架网，骨架网分4个时段。其它30个待定点与骨架网构成二级导线结点网，采用点连式作业模式，二级网13个时段，每相邻两个时段只有一个公共点连接，保留有效的的独立观测基线，也就是沿地铁线路方向施工控制使用的通视边，整个二级网就连成一条直伸的导线，加上骨架网整个控制网构成一个点、边混连式的构网作业模式。在这次布网中，为确保达到一定的规范精度要求，在选择骨架网时，点位均匀分散，每两个骨架网点间二级点的个数不超过5个。
5．作业结果与分析
下面看看我们在三项地铁工程中GPS平面控制网基线解算和平差后的主要精度指标：
从以上的精度结果来看，抛开起算点系统误差的影响，三项工程观测的精度相差不大，基本上满足规范的要求，天津地铁GPS网在点位精度上甚至优于各网，因此采用点、边混连模式在精度上也能同样达到规范的要求。
广州地铁二号线GPS网在构网时，为保证网形强度，增加了一些非有效的观测点，在施工控制中基本上不会使用，也就是我们所说的额外的观测点，如“广州大学”、“商学院”等，在施工过程中，根本就没有使用过这些点，只是单纯为其首级网构网所使用的点。这种作业模式保证了图形强度，但从结果上分析，并没有明显的提高精度，反而影响了作业进度。在北京地铁五号线的布网中，虽然没有增加这种非有效的观测点，但是使用了较多的已知点来起到了相似的作用，而已知点过多，其起算系统误差却影响了网平差的精度，因此在测后的数据处理中，很多已知点只是作重合检测点使用，来检核网平差的成果。在广州和北京的地铁中采用都是边连式的作业模式，图形扩展速度较慢，相对作业效率较低。
而在天津地铁二号线的观测中，我们只是在点位均匀分散的骨架网的观测中采用大地四边形的边连模式，二级网中我们采用点连式的观测模式，大大的提高了作业效率。在同样采用四台套的单频接收机的情况下，广州和北京的GPS网观测中都是用时8天，而在天津观测作业量相当的情况下却只用时5天，也达到了同样规范要求的精度。
但是在天津的二级网观测中，我们也发现在每天的观测结束后，同步环的闭合差我们可以随时掌控，但对由于连接点的误差引起的异步环误差不能随时掌握，在这一点上，就不如广州和北京的边连接模式中，它能随时清楚相邻的异步环闭合差，以便清楚地了解外业数据的可靠性，及时的安排外业补测工作。因此我们在天津的布网中平均分布骨架网点，当观测相邻两骨架网点间二级点后，就可以知道其间异步环的闭合差，来了解数据的可靠性。
四、结论
在目前的地铁工程GPS控制网的布设中，由于相应规范的精度要求比较高，因此在网形设计时多采用两点相接的边连接的作业模式，以保证数据的及时可靠性和较高的点位精度，但是相对于点连接模式，图形扩展速度慢，降低了作业效率，影响了作业进度。而单纯的点连接模式图形强度低，也无法保证高精度的技术要求。所以在线性的地铁工程GPS平面网测量中，我们采用点、边混连式的布网形式，先选择均匀分散的点构成边连接的骨架网观测，然后以点连接方式把其它点与骨架网相连，这样就能尽快的掌握异步环的闭合差，既能得到较好的图形强度，又极大的提高了作业效率。在类似的线性工程中，特别是其二级控制网或在首级网复测中值得采用此种方模式。
在天津地铁二号线GPS网观测中，选择骨架网时，我们一般保证相邻两点间的二级点不超过5个，是为了符合地铁规范中对附合边数的要求不能大于6，如果在精度要求较低的工程中，或者使用GPS进行地铁二级加密网时，我们可以选择多于间隔5个点构网，将更加减少骨架网的工作量，效率又将提高。
参考资料：
《我国工程测量技术发展现状与成就》，洪立波，测绘信息网；
《实用GPS测量数据处理教程》，武汉测绘科技大学地测学院；
《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》，GB50308-1999；
《全球定位系统城市测量技术规程》，CJJ73-97。
