城市軌道交通新舊首級(jí)平面控制網(wǎng)銜接技術(shù)研究

郝旦，王芬

(廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060)

1 前 言

廣州地鐵軌道交通控制網(wǎng)是隨著軌道交通建設(shè)逐步布設(shè)的，從1992年開始到現(xiàn)在，已經(jīng)有23年歷史，新布設(shè)線路是原有地鐵線路的延拓，早期布設(shè)首級(jí)平面控制網(wǎng)不能有效覆蓋新增地鐵線路需求，需要布設(shè)擴(kuò)網(wǎng)。為此，新舊首級(jí)平面控制網(wǎng)銜接問題就成為一項(xiàng)重要研究課題。

2 新舊首級(jí)平面控制網(wǎng)銜接技術(shù)問題分析

廣州市軌道交通2015年建設(shè)線路是在原有地鐵線路基礎(chǔ)上進(jìn)行增延，主要涉及廣州東邊地區(qū)，已有的控制網(wǎng)不能滿足新規(guī)劃線路的建設(shè)要求，需對(duì)原有的控制網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。原有首級(jí)平面控制網(wǎng)和新增首級(jí)平面控制網(wǎng)覆蓋范圍示意圖如圖1所示。

左邊紅色范圍線內(nèi)是早期建立的控制網(wǎng)(以下簡稱“原網(wǎng)”)，現(xiàn)已投入使用；右邊綠色線范圍即新建控制網(wǎng)(以下簡稱“新網(wǎng)”)。由于原網(wǎng)已在工程建設(shè)中應(yīng)用，控制網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)已不能改變，新建網(wǎng)與原網(wǎng)是同精度等級(jí)的，既要統(tǒng)一坐標(biāo)系，又要不歪曲新建網(wǎng)的測量結(jié)果。

在新網(wǎng)的平差計(jì)算中，為了統(tǒng)一歸算到原有的坐標(biāo)框架內(nèi)，一般采用舊網(wǎng)的成果對(duì)新網(wǎng)進(jìn)行約束平差，但這往往將舊網(wǎng)的誤差帶入新網(wǎng)的結(jié)果中，降低了新網(wǎng)的精度等級(jí)；特別是當(dāng)新網(wǎng)中使用了若干原有網(wǎng)中控制點(diǎn)來約束時(shí)，由于這些舊點(diǎn)相互之間存在一定的不兼容，對(duì)新網(wǎng)最終結(jié)果的影響會(huì)非常大。如果不采用原控制網(wǎng)成果來約束新網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致新網(wǎng)和原網(wǎng)連接點(diǎn)坐標(biāo)值不唯一，可能會(huì)有較大差異。

圖1 廣州地鐵首級(jí)控制網(wǎng)覆蓋范圍示意圖

3 新擴(kuò)充GPS網(wǎng)布設(shè)及與現(xiàn)有網(wǎng)銜接

(1)新網(wǎng)布設(shè)情況

新布設(shè)首級(jí)控制網(wǎng)采用《城市軌道交通工程測量規(guī)范》GB50308-2008，精度指標(biāo)如表1所示。

新建設(shè)控制網(wǎng)精度指標(biāo) 表1

新網(wǎng)設(shè)計(jì)網(wǎng)圖如圖2所示，黑色線為原網(wǎng)基線，紅色線為新建網(wǎng)基線。

圖2 廣州地鐵2015年規(guī)劃線路圖控制網(wǎng)圖

(2)外業(yè)觀測要求，外業(yè)觀測GPS接收機(jī)設(shè)置及觀測時(shí)間長度如表2所示：

2015年控制網(wǎng)擴(kuò)網(wǎng)觀測作業(yè)要求 表2

(3)控制網(wǎng)銜接處理原則

由于原網(wǎng)已在工程建設(shè)中應(yīng)用，原網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)不能改變，擬定平差銜接原則：

①統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)：將新網(wǎng)和原網(wǎng)通過平差處理銜接到一起，將新網(wǎng)納入到原網(wǎng)，建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)；

②原網(wǎng)不動(dòng)：原網(wǎng)坐標(biāo)已經(jīng)應(yīng)用，新網(wǎng)與原網(wǎng)銜接應(yīng)保持原網(wǎng)控制點(diǎn)坐標(biāo)不動(dòng)或坐標(biāo)改正數(shù)盡量小；

③新網(wǎng)精度不變：新網(wǎng)作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，其精度受制于自身觀測和新增起算點(diǎn)，新網(wǎng)因連接所產(chǎn)生的變形應(yīng)盡可能地小，應(yīng)在測量精度范圍以內(nèi)。

(4)控制網(wǎng)銜接

選擇新網(wǎng)區(qū)域兼容性好的二等起算點(diǎn)對(duì)新網(wǎng)獨(dú)立平差，比較新網(wǎng)和原網(wǎng)重合點(diǎn)坐標(biāo)較差，對(duì)較差小于 2.5 cm的，可作為新網(wǎng)的起算點(diǎn)用。對(duì)較差大于 2.5 cm的重合點(diǎn)，不作為起算點(diǎn)，分析原因，若觀測條件較好，則可能是點(diǎn)位發(fā)生位移；否則是觀測條件較差引起。

優(yōu)化選擇控制網(wǎng)中的二等起算點(diǎn)，盡量保持和原控制網(wǎng)點(diǎn)起算一致，選擇使用東北邊新增加控制網(wǎng)點(diǎn)中的部分廣州市二等點(diǎn)、CORS站點(diǎn)，新增加的大瀝鎮(zhèn)二等點(diǎn)作為起算點(diǎn)。對(duì)起算點(diǎn)進(jìn)行兼容性分析，選擇最優(yōu)組合，具體流程如圖3所示(注：δ為相應(yīng)等級(jí)GPS網(wǎng)邊長精度)。

圖3 起算點(diǎn)兼容性分析流程圖

4 平差處理及成果分析

(1)三維無約束平差

以控制網(wǎng)中心點(diǎn)五山站的WGS-84三維坐標(biāo)作為固定點(diǎn)，在WGS-84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維無約束平差，分析三維無約束平差基線向量改正數(shù)的絕對(duì)值情況，統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。

三維無約束平差基線向量改正數(shù)統(tǒng)計(jì) 表3

基線向量的改正值都在限差范圍內(nèi)，表明基線中沒有粗差。

(2)二維約束平差

經(jīng)檢驗(yàn)合格并進(jìn)行三維無約束平差后的框架網(wǎng)基線數(shù)據(jù)，在廣州坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。采用廣州市20個(gè)二等控制點(diǎn)(六柴崗、石井中學(xué)、大田山、新塘、火爐山、蓮花山、牛崗、新造、黃閣、橫瀝、南沙鎮(zhèn)、神山、沙田村委、大瀝鎮(zhèn)、從化街口、灌村鎮(zhèn)、聯(lián)溪小學(xué)、沙溪水庫、仙村、增城)及2個(gè)CORS站點(diǎn)(沙頭、呂田)的廣州西投影帶坐標(biāo)作為起算，平差得到框架網(wǎng)點(diǎn)廣州西投影帶坐標(biāo)。

①基線較差檢核

在廣州坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差，約束平差基線分量的改正數(shù)與對(duì)應(yīng)的同一基線無約束平差基線分量的改正數(shù)較差值全部符合規(guī)范要求，基線向量改正數(shù)較差統(tǒng)計(jì)如表4所示。

基線向量改正數(shù)較差統(tǒng)計(jì) 表4

②網(wǎng)平差點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)

約束平差后，最弱點(diǎn)為天湖村委(137)，點(diǎn)位中誤差為 1.20 cm。框架網(wǎng)控制點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)如表5所示：

二維約束平差點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì) 表5

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，框架網(wǎng)整網(wǎng)內(nèi)符合精度高，滿足點(diǎn)位中誤差規(guī)范要求。

③最弱邊精度統(tǒng)計(jì)

2015年框架網(wǎng)(擴(kuò)網(wǎng))二維約束平差最弱邊橫瀝站(HENGLI)-橫瀝(HL)邊長長度為 2 208.688 m，相對(duì)中誤差為1/30.4萬，滿足1/12萬的精度要求。

④與2015年框架網(wǎng)(原網(wǎng))坐標(biāo)的比較

2015年框架網(wǎng)(擴(kuò)網(wǎng))廣州坐標(biāo)二維約束平差結(jié)果與2015年框架網(wǎng)(原網(wǎng))結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。飛來嶺(FL)點(diǎn)位坐標(biāo)較差為 3.87 cm，該點(diǎn)為舊有廣州市二等控制點(diǎn)，現(xiàn)場踏勘后發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)周邊樹木遮擋嚴(yán)重，對(duì)空觀測條件不理想，不適宜作為線路加密控制點(diǎn)的起算點(diǎn)使用。利用舊有基線數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算的現(xiàn)場已毀控制點(diǎn)聯(lián)合小學(xué)(LH)、嶺頭村(C2)、鹽步(7)點(diǎn)位坐標(biāo)較差均小于 2.5 cm。比對(duì)37個(gè)原有框架點(diǎn)廣州坐標(biāo)，證實(shí)現(xiàn)有保存完好的框架點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)精度滿足地鐵控制網(wǎng)起算點(diǎn)使用，2015年框架網(wǎng)(擴(kuò)網(wǎng))二維約束得到的新點(diǎn)與原網(wǎng)的完全兼容，二維約束平差結(jié)果比較如表6、表7所示。

二維約束平差結(jié)果比較 表6

二維約束平差結(jié)果比較(部分) 表7

5 總 結(jié)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，各類控制網(wǎng)的擴(kuò)建在所難免，新舊控制網(wǎng)的銜接問題也就成為比較常見的問題。本文以廣州市地鐵2015年規(guī)劃線路新舊控制網(wǎng)的銜接問題為例，在保證新控制網(wǎng)滿足精度要求的前提下利用兼容性好的高等級(jí)控制點(diǎn)和新網(wǎng)原網(wǎng)重合點(diǎn)作為整網(wǎng)的起算點(diǎn)，對(duì)整網(wǎng)統(tǒng)一平差，保證了新網(wǎng)和原網(wǎng)的無縫銜接。在此過程中還充分利用原有觀測基線和GZCORS的高精度WGS-84坐標(biāo)，有效保證了觀測基線的質(zhì)量和整網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)。