城市轨道交通新旧首级平面控制网衔接技术研究

郝旦，王芬

(广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510060)

1 前 言

广州地铁轨道交通控制网是随着轨道交通建设逐步布设的，从1992年开始到现在，已经有23年历史，新布设线路是原有地铁线路的延拓，早期布设首级平面控制网不能有效覆盖新增地铁线路需求，需要布设扩网。为此，新旧首级平面控制网衔接问题就成为一项重要研究课题。

2 新旧首级平面控制网衔接技术问题分析

广州市轨道交通2015年建设线路是在原有地铁线路基础上进行增延，主要涉及广州东边地区，已有的控制网不能满足新规划线路的建设要求，需对原有的控制网进行扩展。原有首级平面控制网和新增首级平面控制网覆盖范围示意图如图1所示。

左边红色范围线内是早期建立的控制网(以下简称“原网”)，现已投入使用；右边绿色线范围即新建控制网(以下简称“新网”)。由于原网已在工程建设中应用，控制网的坐标系统已不能改变，新建网与原网是同精度等级的，既要统一坐标系，又要不歪曲新建网的测量结果。

在新网的平差计算中，为了统一归算到原有的坐标框架内，一般采用旧网的成果对新网进行约束平差，但这往往将旧网的误差带入新网的结果中，降低了新网的精度等级；特别是当新网中使用了若干原有网中控制点来约束时，由于这些旧点相互之间存在一定的不兼容，对新网最终结果的影响会非常大。如果不采用原控制网成果来约束新网，会导致新网和原网连接点坐标值不唯一，可能会有较大差异。

图1 广州地铁首级控制网覆盖范围示意图

3 新扩充GPS网布设及与现有网衔接

(1)新网布设情况

新布设首级控制网采用《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008，精度指标如表1所示。

新建设控制网精度指标 表1

新网设计网图如图2所示，黑色线为原网基线，红色线为新建网基线。

图2 广州地铁2015年规划线路图控制网图

(2)外业观测要求，外业观测GPS接收机设置及观测时间长度如表2所示：

2015年控制网扩网观测作业要求 表2

(3)控制网衔接处理原则

由于原网已在工程建设中应用，原网坐标系统不能改变，拟定平差衔接原则：

①统一坐标系统：将新网和原网通过平差处理衔接到一起，将新网纳入到原网，建立统一的坐标系统；

②原网不动：原网坐标已经应用，新网与原网衔接应保持原网控制点坐标不动或坐标改正数尽量小；

③新网精度不变：新网作为一个独立系统，其精度受制于自身观测和新增起算点，新网因连接所产生的变形应尽可能地小，应在测量精度范围以内。

(4)控制网衔接

选择新网区域兼容性好的二等起算点对新网独立平差，比较新网和原网重合点坐标较差，对较差小于 2.5 cm的，可作为新网的起算点用。对较差大于 2.5 cm的重合点，不作为起算点，分析原因，若观测条件较好，则可能是点位发生位移；否则是观测条件较差引起。

优化选择控制网中的二等起算点，尽量保持和原控制网点起算一致，选择使用东北边新增加控制网点中的部分广州市二等点、CORS站点，新增加的大沥镇二等点作为起算点。对起算点进行兼容性分析，选择最优组合，具体流程如图3所示(注：δ为相应等级GPS网边长精度)。

图3 起算点兼容性分析流程图

4 平差处理及成果分析

(1)三维无约束平差

以控制网中心点五山站的WGS-84三维坐标作为固定点，在WGS-84坐标系下进行三维无约束平差，分析三维无约束平差基线向量改正数的绝对值情况，统计情况如表3所示。

三维无约束平差基线向量改正数统计 表3

基线向量的改正值都在限差范围内，表明基线中没有粗差。

(2)二维约束平差

经检验合格并进行三维无约束平差后的框架网基线数据，在广州坐标系下进行二维约束平差。采用广州市20个二等控制点(六柴岗、石井中学、大田山、新塘、火炉山、莲花山、牛岗、新造、黄阁、横沥、南沙镇、神山、沙田村委、大沥镇、从化街口、灌村镇、联溪小学、沙溪水库、仙村、增城)及2个CORS站点(沙头、吕田)的广州西投影带坐标作为起算，平差得到框架网点广州西投影带坐标。

①基线较差检核

在广州坐标系下进行二维约束平差，约束平差基线分量的改正数与对应的同一基线无约束平差基线分量的改正数较差值全部符合规范要求，基线向量改正数较差统计如表4所示。

基线向量改正数较差统计 表4

②网平差点位精度统计

约束平差后，最弱点为天湖村委(137)，点位中误差为 1.20 cm。框架网控制点位精度统计如表5所示：

二维约束平差点位中误差统计 表5

从统计结果看，框架网整网内符合精度高，满足点位中误差规范要求。

③最弱边精度统计

2015年框架网(扩网)二维约束平差最弱边横沥站(HENGLI)-横沥(HL)边长长度为 2 208.688 m，相对中误差为1/30.4万，满足1/12万的精度要求。

④与2015年框架网(原网)坐标的比较

2015年框架网(扩网)广州坐标二维约束平差结果与2015年框架网(原网)结果进行比对。飞来岭(FL)点位坐标较差为 3.87 cm，该点为旧有广州市二等控制点，现场踏勘后发现该点周边树木遮挡严重，对空观测条件不理想，不适宜作为线路加密控制点的起算点使用。利用旧有基线数据进行平差计算的现场已毁控制点联合小学(LH)、岭头村(C2)、盐步(7)点位坐标较差均小于 2.5 cm。比对37个原有框架点广州坐标，证实现有保存完好的框架点点位坐标精度满足地铁控制网起算点使用，2015年框架网(扩网)二维约束得到的新点与原网的完全兼容，二维约束平差结果比较如表6、表7所示。

二维约束平差结果比较 表6

二维约束平差结果比较(部分) 表7

5 总 结

随着城市建设的发展，各类控制网的扩建在所难免，新旧控制网的衔接问题也就成为比较常见的问题。本文以广州市地铁2015年规划线路新旧控制网的衔接问题为例，在保证新控制网满足精度要求的前提下利用兼容性好的高等级控制点和新网原网重合点作为整网的起算点，对整网统一平差，保证了新网和原网的无缝衔接。在此过程中还充分利用原有观测基线和GZCORS的高精度WGS-84坐标，有效保证了观测基线的质量和整网的网形结构。