GPS测量技术在地铁施工控制网中的应用探讨

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摘要：本文结合大连市地铁施工控制网地布设说明利用gps技术，建立施工控制网的方法，从方案比选、坐标系和投影面选择、测量过程中的质量控制措施、控制网的复测与维护等方面进行探讨。

关键词：地铁；控制网；GPS；坐标系

一、前言

GPS技术具有全天候、精度均匀等优点，且选点埋石比常规方法更具灵活性，在工程控制测量中已经广泛采用。

地铁施工控制网建立的主要目的是为地铁各部位的施工放样以及地铁施工完成后的运营监测提供基准，因此地铁施工控制网的质量将直接影响到工程的总体质量。主要的问题，在目前的技术条件下采用何种建网方法才能更经济、有效地建立地铁施工控制网；建网方式选定后，还需要考虑存在哪些因素，对控制网精度产生影响。这样才能进行科学合理的设计和施测。

二、GPS布设地铁施工控制网的布设

2.1建网方法的选择

目前地铁施工控制网的建立方法主要有两种：一种是传统的三角网的方法，另一种是利用GPS技术建立。这两种方法在许多大型项目中都得到了成功的应用，各有特色。

2.1.1 GPS控制网布设原则

GPS控制网内应重合3～5个原有城市二等控制点或城市里的国家一、二等控制点，并尽量保证分布均匀。同时考虑到城市轨道交通总体规划建设，多线路分期建设情况，在城市轨道交通线路交会处和前后期衔接处应布设2个以上的重合点。

在隧道口、竖井、车站和车辆段附近应布设1～2各控制点，相邻控制点应有两个以上方向通视，其他位置的控制点之间至少有一个方向通视。

控制网中应有一定数量的GPS点与水准点重合，同时应考虑在少量相邻点间进行电磁波测距用以检查GPS测量成果。

对于所有选定的点位均已边连接方式按照静态相对定位原理布网，由于相邻点的相对点万恶中误差要求精度高，所以在控制网的布设时，相邻的短边控制点间保证同步观测。

GPS控制网必须由非同步独立观测构成闭合环或符合路线，每个闭合环或符合路线中的边数应附合规范规定。

2.1.2 GPS控制网的优化设计

为了确保GPS控制网的精度满足规范要求，在GPS控制网布设时有必要进行优化设计。主要内容为以下几种：

（1）零类设计：即控制网的基准设计，是对一个已知图形结构和观测方案的GPS向量网确定最优坐标系的优化设计。对于城市轨道交通GPS控制网，涉及到多线路的衔接，应首先进行已知点可靠性检验，选择多控制点约束平差方案，最终确定控制网的起算点。

（2）一类设计：即控制网图形设计，是在确定网的精度和观测方案情况下，得到最佳点位的优化设计。虽然GPS对图形设计要求不十分严格，但网形仍然影响着最后的成果精度。

（3）二类设计：即观测方案的最佳选择，主要包括时段设计、交通路线、观测时间等。

尽心控制网的优化设计，通常综合考虑以上几点来确定观测方案、基线选择、平差方案等。

2.2 测量过程中的质量控制措施

由于是施工控制网，精度要求较高，所以在具体施测的过程中，除遵循一般GPS测量所要注意的事项外，还要采取一定的措施尽量减少外业观测误差的影响。

首先，点位埋设好以后，一定要保证有一个充分的稳定期；其次，尽量选用双频GPS测量仪器；最后，观测前做好星历预报工作，选择比较有利的时段进行观测，并适当延长观测时间。多路径效应还是比较大的。

2.3 坐标系与投影面的选择

线路测量时所采用的坐标系为以参考椭球面为基准面的高斯平面直角坐标系。尽管该坐标系统满足规范规定的各项要求，但该坐标系统存在两种长度变形：第一种为高斯投影长度变形；第二种为投影基准高程面的不同所引起的长度变形。这两种投影变形的存在对地铁的施工放样是十分不利的。但为保证地铁的正常施工，施工坐标系和设计时所采用的坐标系统必须一致。因此在建立地铁施工控制网时，应本着既要保证施工控制网的坐标系和线路测量时所采用的坐标系相一致，同时还要使局部的施工控制网变形最小的原则，确定坐标系统和投影高程面。

地铁设计所用的地形图是在国家或城市坐标系统下测绘的，尽管该坐标系是以参考椭球面为基准面的高斯平面直角坐标系，存在着一定程度的投影变形，但在实际测绘大比例尺桥位地形图时，只采用线路坐标系作为起算数据，并未将测绘数据投影到椭球面上，因此该地形图可以理解为以国家或地方坐标系为基本框架的局部大比例尺地形图，不存在投影变形，与实际情况一致，即该地形图地投影面为平均高程面，地铁地设计长度可以理解为测区平均高程面上的距离。

由于地铁长度地设计值是在平均高程面上的长度，所以控制网地投影面应选择在平均高程面上，这样利用坐标反算的边长（即设计值）与实际测量的边长才会基本相等，从而有效地减少了第二种投影变形所带来的影响。否则如果在施工放样的过程中对实测边长做边长投影改正，这对一般施工测量人员来讲，概念上将很难接受，也不利于施工、监理单位对控制点的检核。

按照上述原则，我们建立了以JQ4坐标为已知坐标，以JQ4～JQ7方位角为已知方位角、以控制点架头平均高程为投影面高程的、附和在城市坐标系下的独立坐标系统。完全抵消了高斯投影的影响，大大降低了高程面的不同所带来的投影变形影响，所有观测边长与坐标反算边长完全一致，既方便使用，也有利于施工、监理单位对控制点的检核。

三、大连控制网分析

3.1作业方法及使用仪器

3.1.1 外业测量

使用5台套GPS仪器进行同步观测，有效观测时为1小时。

测量前先对已知控制点DTG[2]23、DTG[2]24、DTG[2] 25、DTG[2]26、DTG[2]27之间关系进行检验，经计算知起算数据精度可靠。之后以卫星定位点DTG[2]23、DTG[2]24起算，检测承包商布设的加密点24-1、24-2、24-0、24-4；以卫星定位点DTG[2]25、DTG[2]26起算，检测承包商布设的加密点25-1、25-2；以卫星定位点DTG[2]25、DTG[2]27起算，检测承包商布设的加密点18-2、18-3。

3.1.2 内业计算

主要参数设置：依据规范要求设置

3.1.3.数据处理

使用Trimble Geomatics Office软件进行处理数据。

首先，利用其基线解算模块解算各条基线。在GPS基线解算质量检核合格的基础上，首先进行三维无约束平差，利用无约束平差结果，评估基线解算质量、整体内符合精度以及外业观测质量，利用基线向量改正数进行粗差的符合性检验。

平差结果（略）。

四、内部质量检查

通过对观测资料及精度检查资料的全面检查，该工程作业方法、测量成果质量均满足要求。

无约束网平差报告（略）

五、结束语

在上述项目中，我们采用GPS建网的方法，作业过程中充分考虑了上述提到的几个问题，使作业成果达到了极高的精度（最弱点点位中误差为：0.004m；最弱边边长相对中误差3.6ppm）。从精密测距边长与平差成果反算边长比对结果看，利用GPS建立地铁施工控制网，在精度上完全能够满足施工要求，为大连地铁项目的顺利实施提供高精度测量保证。

参考文献：

[1]李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理 [ M ].武汉：武汉大学出版社，2005.

[2]徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民.GPS 测量原理及应用（修订版）[ M ].武汉：武汉大学出版社，2005.

[3]武汉测绘学院控制测量教研室，同济大学大地测量教研室.控制测量[M].北京：测绘出版社，1995.10