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随着科学技术的进步和人类社会的发展，工程结构愈来愈复杂，其施工建设对测量的精度要求亦越来越高。对于土木工程而言，普通工程测量的测量精度多在厘米级水平，采用常规测量手段和方法就可满足工程施工要求；而精密工程测量则要求在毫米乃至毫米以下，若采用常规测量手段和方法则难以达到精度要求。事实上，精密工程测量一直是工程测量界关注的问题，因为精密工程测量代表着工程测量学的发展方向，是促进工程测量学科发展的动力。本文将试图通过国内外一些已成功实施的工程项目，讨论有关精密工程控制网建立的一些通用作法。
一、控制网的布设
精密工程测量是指绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到10um，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作。精密工程控制网的作用是在工程施工前（设计阶段）、施工中（施工阶段）以及施工后（竣工运营阶段）的各个不同的阶段对被测量（放样）点、线和面提供可靠的测量基准。
精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大地测量和常规工程测量控制网。
工程控制网优化设计方法有解析法和模拟法两种解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值，一般将网的精度、可靠性和灵敏度指标作为目标函数或约束条件。模拟法优化设计是根据设计资料和地形图资料在图上选点布网，模拟观测方案和观测值，计算网的各种质量指标，如精度、可靠性和灵敏度等。相比较而言，由于模拟法比较灵活，加之有测量经验容易实现：相反解析法求出的最后结果可能很好，但无法实施。
在实践中，按以下步骤进行优化设计：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量指标，若质量偏低。则必须提高观测值的精度。
二、测量仪器和控制网的实施
目前几乎所有精密工程测量都采用高精度的全站仪和各种高精度ＧＰＳ接收机，以及高精度水准仪，为控制网的实施提供技术保障。值得重视的是，所有的仪器设备和设施，在测量前均应进行所有项目的鉴定检核，以便于在后续的数据处理中进行各项必要的改正。如全站仪的测角内外符合精度，边长的加乘常数和周期误差，水准仪的ｉ角误差和透镜运行误差，ＧＰＳ的相位偏心误差等。
原则上所有的测量控制点均应不受变形因素影响，通常埋设至基岩层，以确保点位稳固，用钢筋混泥土现场浇铸，并采用强制归心装置，以消除对中误差。作业要求至少按工程测量规范二等要求施测。长度和水准需进行必要的往返观测，借以减弱其综合观测误差。此外，照准误差不能忽视，根据经验，多数粗差的产生往往是照准上出现问题。
与常规控制不同的另一方面，需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控制点是否稳定。
三、内业数据处理
精密工程控制网涉及的数据处理内容较多，相对其他较复杂一些，概括起来分三个部分。一是坐标系和投影面的选择。多数情况一般采用地方独立坐标系，若考虑到今后的需要，还应和国家控制网进行联测。选择地方独立坐标系主要是有利于施工放样的方便，为了反映网的内部实际精度而不受起始点误差的影响，也经常选择一个已知点和一个已知方向来作为网的起算数据。二是数据的预处理，边角网涉及的数据预处理项目有：数据整理，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化，闭合差验算等。水准测量包括数据整理，尺长改正、水准在不平行改正，闭合差验算等。三是网的平差，由于观测值涉及到多个不同类型和来源，通常采用按方差分量估计进行定权平差。
方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模型，或者说更为准确地知道模型参数的随机性质，这是平差理论上的要求。过去经常忽略它，取代的是经验，这对精度要求不高的控制网来说是允许的。但对精密工程控制网来说必须对多种观测量进行综合处理，这可从后面的实例和参考文献得到应证。因此，方差分量估计已成为精密工程测量平差的必备内容。
计算过程中，应密切注意观测值改正数的变化。对于较大的改正数要采取措施，较好的办法是用巴尔达的数据探测法对观测值进行处理，其作法是每次只对一个较大的改正数（如大于３，５倍的中误差）所对应的观测值进行处理，直到所有的改正数均小于某一个阀值。稳健估计法虽具有抵抗多个粗差影响的优点，但不易对多个粗差同时进行定位和定值。
四、工程实例
上海光源是中国科学院和上海市政府联合投资建设的国家大型综合同步加速器工程项目。该工程项目呈圆形结构，造型奇特新颖。从里到外主要分为四大块：环内设备用房、直线隧道、增强器隧道、储存环隧道和试验大厅。根据需要将加速后的不同能量的高能粒子穿过不同的储存环隧道锯齿墙来供科技人员进行实验。由于此项目为国家重大工程，在前期筹备时就提出了该工程建筑、安装施工的两个难点：一是建筑施工工艺较复杂；二是测量定位精度要求较高。因此，测量定位引起业主、监理、施工三方的高度重视，除施工单位，还特聘请监理公司和研究单位同共作测量方案、布设测量控制网和测点放样复核。
（一）首级控制网的布设
根据工程的外形结构和施工情况，首级控制网点的选择布设在施工场地四周（见图1），且点位不受施工的影响，点的设置要稳固。经模拟优化设计后，确定图中ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ、ＹＤ和ＹＥ为首级控制点，Ｇ１０和Ｇ９为上海测绘院提供的起算点，共同组成首级控制网。
圖1上海光源工程首级平面控制网布点示意图
由于控制网精度要求高，以及将来设备定位、结构施工结束后，后期整体变形监测的需要，首级控制点均由设计根据现场施工条件制作：在已选点上用工程钻钻至基岩层，然后用长６０ｍ的ＰＨＣ管桩埋至地下，中间填满碎石混泥土，顶部预留1.4ｍ制作四个强制归心点，分别为ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ和ＹＤ，ＹＥ点设在先建的综合办公楼楼顶。考虑到高程精度的要求，在ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ、ＹＤ上用钢钉在ＰＨＣ管桩上焊接一向上小弯钩，作为四个水准点标志，组成高程控制网。
（二）首级控制网的测量
由于高能粒子研究场地周围观测因素，首级平面控制采用Leica 1800高精度全站仪进行边角同测，组成边角网。该仪器的测角精度为１〞，测距精度为１ｍｍ＋ｌｘｌ０，施测前均经过严格的常数检测。为了减小对中误差，外业观测仪器采用强制对中，并按城市二等控制网要求施测，角度观测６测回（测回之间变换数），边长正倒镜各三测回（测回间重新照准），为了考察系统误差，边长往返观测。边长观测时输入温度和气压等气象数据以进行温度和气压的改正。
高程控制网的观测图形和路线与平面控制网相同，起始数据利用测绘院提供的Ｇ９和Ｇ１０控制点作已知高程点，布设成具有两个闭合环的水准网。外业施测采用高精度ＷｉｌｄＮＡ２配合铟钢尺按城市二等水准往返观测。
（三）内业测量数据处理
１、数据预处理
边角网涉及的数据预处理项目有：数据整理，闭合差验算，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化等。由于该工程总占地面积不大，控制网最长边307ｍ，平均227ｍ：加之采用上海城市坐标系，经试算，只进行了边长常数及周期误差改正、倾斜改正，其他改正均小于0.1ｍｍ。
２、按赫尔默特方差分量估计定权。通过观测值的改正数来估计先验方差，其基本思想是，先给观测值的权赋予某个初值，然后计算其观测值的改正数，根据改正数进一步计算先验权的近似值，反复计算，一直到当两类方差因子相等时，最后求得验后估值。
３、计算结果分析。
（１）按照本文介绍的方法用全站仪按边角测量建立高精度工程控制网，其点位误差最大达到２.７mm。完全满足点位中误差小于５mm的工程施工精度要求；
（２）采用赫尔默特方差分量估计定权，比采用经验公式定权更加合理。计算数据表明，采用赫尔默特方差分量估计定权后的精度比按经验公式有所提高，整体精度提高约２６％，虽然在坐标上两种定权方法最大只相差０.５mm，但对高精度工程控制网来说差别还是显著的。
（３）采用赫尔默特方差分量估计定权，不依赖权的初值。在计算过程中，初始权取为单位阵，最后估计结果完全相同，只是在叠代次数上多了１次，说明赫尔默特方法收敛较快。
五、结语
详细地介绍了精密工程测量控制网的布设、控制测量的实施和数据处理的通用作业方法，指出了作业中应注意的问题，文中还结合上海光源精密工程控制网的建立，进一步说明了通用作业方法的可行性，对同类高精度工程控制网的建立具有一定的指导作用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
一、控制网的布设
精密工程测量是指绝对测量精度达到毫米量级，相对测量精度达到10um，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作。精密工程控制网的作用是在工程施工前（设计阶段）、施工中（施工阶段）以及施工后（竣工运营阶段）的各个不同的阶段对被测量（放样）点、线和面提供可靠的测量基准。
精密工程测量控制网在许多方面有别于国家大地测量和常规工程测量控制网。
工程控制网优化设计方法有解析法和模拟法两种解析法是基于优化设计理论构造目标函数和约束条件，解求目标函数的极大值或极小值，一般将网的精度、可靠性和灵敏度指标作为目标函数或约束条件。模拟法优化设计是根据设计资料和地形图资料在图上选点布网，模拟观测方案和观测值，计算网的各种质量指标，如精度、可靠性和灵敏度等。相比较而言，由于模拟法比较灵活，加之有测量经验容易实现：相反解析法求出的最后结果可能很好，但无法实施。
在实践中，按以下步骤进行优化设计：先固定观测值的精度，对选取的网点，观测所有可能的边和方向，计算网的质量指标，若质量偏低。则必须提高观测值的精度。
二、测量仪器和控制网的实施
目前几乎所有精密工程测量都采用高精度的全站仪和各种高精度ＧＰＳ接收机，以及高精度水准仪，为控制网的实施提供技术保障。值得重视的是，所有的仪器设备和设施，在测量前均应进行所有项目的鉴定检核，以便于在后续的数据处理中进行各项必要的改正。如全站仪的测角内外符合精度，边长的加乘常数和周期误差，水准仪的ｉ角误差和透镜运行误差，ＧＰＳ的相位偏心误差等。
原则上所有的测量控制点均应不受变形因素影响，通常埋设至基岩层，以确保点位稳固，用钢筋混泥土现场浇铸，并采用强制归心装置，以消除对中误差。作业要求至少按工程测量规范二等要求施测。长度和水准需进行必要的往返观测，借以减弱其综合观测误差。此外，照准误差不能忽视，根据经验，多数粗差的产生往往是照准上出现问题。
与常规控制不同的另一方面，需要定期对网进行检测，以考察所埋设的有可能发生变动的控制点是否稳定。
三、内业数据处理
精密工程控制网涉及的数据处理内容较多，相对其他较复杂一些，概括起来分三个部分。一是坐标系和投影面的选择。多数情况一般采用地方独立坐标系，若考虑到今后的需要，还应和国家控制网进行联测。选择地方独立坐标系主要是有利于施工放样的方便，为了反映网的内部实际精度而不受起始点误差的影响，也经常选择一个已知点和一个已知方向来作为网的起算数据。二是数据的预处理，边角网涉及的数据预处理项目有：数据整理，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化，闭合差验算等。水准测量包括数据整理，尺长改正、水准在不平行改正，闭合差验算等。三是网的平差，由于观测值涉及到多个不同类型和来源，通常采用按方差分量估计进行定权平差。
方差和协方差分量估计实质上是精化平差的随机模型，或者说更为准确地知道模型参数的随机性质，这是平差理论上的要求。过去经常忽略它，取代的是经验，这对精度要求不高的控制网来说是允许的。但对精密工程控制网来说必须对多种观测量进行综合处理，这可从后面的实例和参考文献得到应证。因此，方差分量估计已成为精密工程测量平差的必备内容。
计算过程中，应密切注意观测值改正数的变化。对于较大的改正数要采取措施，较好的办法是用巴尔达的数据探测法对观测值进行处理，其作法是每次只对一个较大的改正数（如大于３，５倍的中误差）所对应的观测值进行处理，直到所有的改正数均小于某一个阀值。稳健估计法虽具有抵抗多个粗差影响的优点，但不易对多个粗差同时进行定位和定值。
四、工程实例
上海光源是中国科学院和上海市政府联合投资建设的国家大型综合同步加速器工程项目。该工程项目呈圆形结构，造型奇特新颖。从里到外主要分为四大块：环内设备用房、直线隧道、增强器隧道、储存环隧道和试验大厅。根据需要将加速后的不同能量的高能粒子穿过不同的储存环隧道锯齿墙来供科技人员进行实验。由于此项目为国家重大工程，在前期筹备时就提出了该工程建筑、安装施工的两个难点：一是建筑施工工艺较复杂；二是测量定位精度要求较高。因此，测量定位引起业主、监理、施工三方的高度重视，除施工单位，还特聘请监理公司和研究单位同共作测量方案、布设测量控制网和测点放样复核。
（一）首级控制网的布设
根据工程的外形结构和施工情况，首级控制网点的选择布设在施工场地四周（见图1），且点位不受施工的影响，点的设置要稳固。经模拟优化设计后，确定图中ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ、ＹＤ和ＹＥ为首级控制点，Ｇ１０和Ｇ９为上海测绘院提供的起算点，共同组成首级控制网。
圖1上海光源工程首级平面控制网布点示意图
由于控制网精度要求高，以及将来设备定位、结构施工结束后，后期整体变形监测的需要，首级控制点均由设计根据现场施工条件制作：在已选点上用工程钻钻至基岩层，然后用长６０ｍ的ＰＨＣ管桩埋至地下，中间填满碎石混泥土，顶部预留1.4ｍ制作四个强制归心点，分别为ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ和ＹＤ，ＹＥ点设在先建的综合办公楼楼顶。考虑到高程精度的要求，在ＹＡ、ＹＢ、ＹＣ、ＹＤ上用钢钉在ＰＨＣ管桩上焊接一向上小弯钩，作为四个水准点标志，组成高程控制网。
（二）首级控制网的测量
由于高能粒子研究场地周围观测因素，首级平面控制采用Leica 1800高精度全站仪进行边角同测，组成边角网。该仪器的测角精度为１〞，测距精度为１ｍｍ＋ｌｘｌ０，施测前均经过严格的常数检测。为了减小对中误差，外业观测仪器采用强制对中，并按城市二等控制网要求施测，角度观测６测回（测回之间变换数），边长正倒镜各三测回（测回间重新照准），为了考察系统误差，边长往返观测。边长观测时输入温度和气压等气象数据以进行温度和气压的改正。
高程控制网的观测图形和路线与平面控制网相同，起始数据利用测绘院提供的Ｇ９和Ｇ１０控制点作已知高程点，布设成具有两个闭合环的水准网。外业施测采用高精度ＷｉｌｄＮＡ２配合铟钢尺按城市二等水准往返观测。
（三）内业测量数据处理
１、数据预处理
边角网涉及的数据预处理项目有：数据整理，闭合差验算，方向投影改化，边长常数及周期误差改正、倾斜改正和投影改化等。由于该工程总占地面积不大，控制网最长边307ｍ，平均227ｍ：加之采用上海城市坐标系，经试算，只进行了边长常数及周期误差改正、倾斜改正，其他改正均小于0.1ｍｍ。
２、按赫尔默特方差分量估计定权。通过观测值的改正数来估计先验方差，其基本思想是，先给观测值的权赋予某个初值，然后计算其观测值的改正数，根据改正数进一步计算先验权的近似值，反复计算，一直到当两类方差因子相等时，最后求得验后估值。
３、计算结果分析。
（１）按照本文介绍的方法用全站仪按边角测量建立高精度工程控制网，其点位误差最大达到２.７mm。完全满足点位中误差小于５mm的工程施工精度要求；
（２）采用赫尔默特方差分量估计定权，比采用经验公式定权更加合理。计算数据表明，采用赫尔默特方差分量估计定权后的精度比按经验公式有所提高，整体精度提高约２６％，虽然在坐标上两种定权方法最大只相差０.５mm，但对高精度工程控制网来说差别还是显著的。
（３）采用赫尔默特方差分量估计定权，不依赖权的初值。在计算过程中，初始权取为单位阵，最后估计结果完全相同，只是在叠代次数上多了１次，说明赫尔默特方法收敛较快。
五、结语
详细地介绍了精密工程测量控制网的布设、控制测量的实施和数据处理的通用作业方法，指出了作业中应注意的问题，文中还结合上海光源精密工程控制网的建立，进一步说明了通用作业方法的可行性，对同类高精度工程控制网的建立具有一定的指导作用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。