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摘 要：在桩基托换施工过程中需要对桥墩实时监测，常规监测手段难以满足要求，本文提出使用拓普康自动化监测系统。在监测网的布控过程中采用多方向后方交会，为了便于直观分析数据建立了独立坐标系，求取四参数后对基准点坐标进行了转换。利用自动化软件采集数据，快速存储、编辑，导出部分数据做了一元线性回归分析，预测了沉降量。
Abstract： It needs be real-time monitoring bridge pier in Pile underpinning， but routine monitoring methods cannot meet the requirement， this paper proposes to use TOPCON automatic monitoring system. It uses multi direction resection to establish monitoring network， and establish the independent coordinate system in order to visual analysis data， the coordinates of datum points are transformed through calculating the four parameters. The system can collect data， fast storage and editing data by using automated software. Derived part of the data to do a linear regression analysis predict the amount of settlement.
关键词：自动化监测 四参数 坐标转换 回归分析
Key words： automatic monitoring， four – parameter， coordinate transformation， regression analysis
1、工程概况
该项目为西安北至机场铁路机场站下穿主线桥的桩基托换工程。线路出机场站后，穿越机场T3A航站楼主线桥，该桥主要分两部分组成：由地面通往T3A航站楼二层候机大厅的主线桥；T2航站楼与T3A航站楼之间的连接桥。
由于机场站后区间隧道下穿T3A航站楼前主线桥22号墩，该墩于曲线内外侧分别设置两个独立的桥墩，分别为22-1号和22-2号墩，需对两个桥墩进行桩基托换。见图1。
在托换体系转换过程中要实时对桥墩进行监测，包括位移和沉降。常规测量手段难以满足施工要求，故采用自动化监测手段配合严密的建网及数据处理以达到监控的目的。
2、自动化监测系统
自动化监测系统的设备的軟、硬件主要包括：测量机器人、棱镜、通讯箱及供电电缆、信号转换器、计算机及专用软件等。
2.1 测量机器人
拓普康MS05AX测量机器人采用了三大最新的拓普康专利技术：IACS测角技术、RED-tech EX测距技术、多棱镜目标识别技术，并且具备三大特点：高精度、高性价比和自动化测量[2]。而强大的测量机器人自动化测量特性，装载了拓普康先进的电动驱动，可以实现包含自动跟踪、自动照准、智能识别、遥测控制等功能在内的自动化测量，极大提高了测量效率。
变形监测点及基准点均采用拓普康配套L型小棱镜。L型小棱镜体积小、安装方便、精度也满足要求，不仅方便安装和维护，同时可以降低成本。
2.2监测软件
与测量机器人配套的变形测量软件，包括动态基准实时测量软件和自动变形监测软件两部分。其在Windows环境下运行，并将数据存储在SQL Server数据库中，它可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。
3、测量监控
3.1监测网的建立
在不受施工影响的区域及位置固定的桥墩上，埋设基准点L型棱镜L1、L2、L3、L4同时在桥墩需要监测的部位同样埋设L型棱镜。
监测网的建立以地面GPS控制点CPII002、CPII003 CPII004为原始基准点，采用后方交会的方式设站[3]。精确测量L1、L2、L3、L4基准点及监测点的三维坐标D1（X1，Y1，H1）、D2（X2，Y2，H2）。由于都采用固定的L棱镜，故测量过程棱镜高都设置为零。见图2.
3.2四参数转换
为了便于对监测数据进行分析，同时更有利于控制下穿部位的22-1和22-2桥墩的变形。现选取D1、D2连线为自定义坐标x轴，右手垂线为y轴，假定D1坐标为（500，500）则D2（500+S，500）。S可以通过组网时精确测量的D1、D2的坐标反算得到。
即S=
现利用公共点D1、D2的两套坐标，使得基准点的地方坐标转换为独立坐标系下的坐标，便于后续的监测在独立坐标系进行。为此采用平面四参数来进行转换，由于长度公共使用S，所以尺度K取1。四参数采用以下公式计算[4]
x=Δx+Xcos-Ysin （3-1）
y=Δy+Xsin+Ycos （3-2）
=α2-α1
其中Δx、Δy为平移量，为地方坐标系X轴相对于独立坐标系x轴的偏角，正值为右偏、负值为左偏。α2、α1分别为D1与D2连线在地方坐标系和独立坐标系中的方位角，利用坐标反算容易求得。以D1点坐标带入式（3-1）和式（3-2）即可求得参数Δx、Δy。 利用求取的四参数，把基准点L1、L2、L3、L4的地方坐标带入式（3-1）和式（3-2），即可得到其在所建立的独立坐标系下的坐标。
3.3监测方法及自动化处理
选取不受施工影响又便于观测的桥墩位置，安装支架、架设仪器。见图3。
通过控制软件，在每个观测周期开始前，以仪器作为工作基点，通过对基准点L1、L2、L3、L4进行观测（使用其转换后的独立坐标），采用后方交会的方法推算出测站点的坐标，以此为起算依据，对所有的监测点进行自动观测，得到各监测点的方位角及距离，进而求得各监测点在独立坐标系下的三维坐标。由于误差的存在使得监测点D1和D2的坐标较建网时的坐标有不符值，现取D1、D2的最新坐标为初始值。其余监测点采用第一次测量值为初始值。
这样以来桥墩监测点每次的x变化量即为横桥向变化值，y变化量为顺桥向变化值。利用监测数据很容易直观判断桥墩的位移值。
为确保数据的准确，提高监测精度，监测测回数为4个测回。装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据，并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误，杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报表。
3.4沉降数据回归分析
一元线性回归分析只包括一个自变量和一个因变量，且二者的关系可用一条直线近似表示。直线的斜率和截距可利用二元函数[5]求偏导使其等于零即得到a和b的求解公式：
为了能简化分析过程，现仅以桥墩22-1的D1点一周的沉降数据做一元线性回归分析。（如图4）
通过对D1点一周的沉降数据做回归分析，得到趋势线y=-0.00027x+475.2808如图中红色所示。取x=8可预测到1.9日D1的高程为475.2786，达到所分析目的。
4、总结及经验
由于城市进程的加快，轨道交通工程在城市中越来越占据重要的地位。城市交通网及建筑密集，线路经常要下穿既有建筑物和结构物。在下穿过程中为了实时获取结构的变形情况，通常采用自动化监测设备采集数据。监测控制网的建立以地方坐标为原始基准点，选取至少两个主要监测点为公共点，利用文中所述方法，完成四参数的求取及基准点坐标的转换。独立坐标系的选取尽量与结构物平行或垂直，这样监测点不同周期的坐标差值能直观体现结构物的变形情况（横向或纵向）。若需要对监测成果化归到地方坐标，也可利用公共点反求四参数进而完成坐标的转换。
利用自动化设备配套软件，完成数据的快速存储、检索、编辑，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。由软件中导出D1点一周的沉降数据，在excel中做一元线性回归分析预测后期沉降量，在掌握大量数据的情况下可达到预控变形的目的。
参考文献：
[1]T3A航站楼主线桥桩基托换设计图 2016
[2]http：//www.topconpositioning.cn/
[3]李青岳 陳永奇. 工程测量学[M]. 测绘出版社， 1995.
[4]武汉大学测绘学院测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M]. 武汉大学出版社， 2014.
[5]盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计[M]. 高等教育出版社. 2001
Abstract： It needs be real-time monitoring bridge pier in Pile underpinning， but routine monitoring methods cannot meet the requirement， this paper proposes to use TOPCON automatic monitoring system. It uses multi direction resection to establish monitoring network， and establish the independent coordinate system in order to visual analysis data， the coordinates of datum points are transformed through calculating the four parameters. The system can collect data， fast storage and editing data by using automated software. Derived part of the data to do a linear regression analysis predict the amount of settlement.
关键词：自动化监测 四参数 坐标转换 回归分析
Key words： automatic monitoring， four – parameter， coordinate transformation， regression analysis
1、工程概况
该项目为西安北至机场铁路机场站下穿主线桥的桩基托换工程。线路出机场站后，穿越机场T3A航站楼主线桥，该桥主要分两部分组成：由地面通往T3A航站楼二层候机大厅的主线桥；T2航站楼与T3A航站楼之间的连接桥。
由于机场站后区间隧道下穿T3A航站楼前主线桥22号墩，该墩于曲线内外侧分别设置两个独立的桥墩，分别为22-1号和22-2号墩，需对两个桥墩进行桩基托换。见图1。
在托换体系转换过程中要实时对桥墩进行监测，包括位移和沉降。常规测量手段难以满足施工要求，故采用自动化监测手段配合严密的建网及数据处理以达到监控的目的。
2、自动化监测系统
自动化监测系统的设备的軟、硬件主要包括：测量机器人、棱镜、通讯箱及供电电缆、信号转换器、计算机及专用软件等。
2.1 测量机器人
拓普康MS05AX测量机器人采用了三大最新的拓普康专利技术：IACS测角技术、RED-tech EX测距技术、多棱镜目标识别技术，并且具备三大特点：高精度、高性价比和自动化测量[2]。而强大的测量机器人自动化测量特性，装载了拓普康先进的电动驱动，可以实现包含自动跟踪、自动照准、智能识别、遥测控制等功能在内的自动化测量，极大提高了测量效率。
变形监测点及基准点均采用拓普康配套L型小棱镜。L型小棱镜体积小、安装方便、精度也满足要求，不仅方便安装和维护，同时可以降低成本。
2.2监测软件
与测量机器人配套的变形测量软件，包括动态基准实时测量软件和自动变形监测软件两部分。其在Windows环境下运行，并将数据存储在SQL Server数据库中，它可按操作者设定的测量过程和选定的基准点、观测点进行相应的测量处理，实现数据的快速存储、检索、编辑，可实时显示量测数据，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。
3、测量监控
3.1监测网的建立
在不受施工影响的区域及位置固定的桥墩上，埋设基准点L型棱镜L1、L2、L3、L4同时在桥墩需要监测的部位同样埋设L型棱镜。
监测网的建立以地面GPS控制点CPII002、CPII003 CPII004为原始基准点，采用后方交会的方式设站[3]。精确测量L1、L2、L3、L4基准点及监测点的三维坐标D1（X1，Y1，H1）、D2（X2，Y2，H2）。由于都采用固定的L棱镜，故测量过程棱镜高都设置为零。见图2.
3.2四参数转换
为了便于对监测数据进行分析，同时更有利于控制下穿部位的22-1和22-2桥墩的变形。现选取D1、D2连线为自定义坐标x轴，右手垂线为y轴，假定D1坐标为（500，500）则D2（500+S，500）。S可以通过组网时精确测量的D1、D2的坐标反算得到。
即S=
现利用公共点D1、D2的两套坐标，使得基准点的地方坐标转换为独立坐标系下的坐标，便于后续的监测在独立坐标系进行。为此采用平面四参数来进行转换，由于长度公共使用S，所以尺度K取1。四参数采用以下公式计算[4]
x=Δx+Xcos-Ysin （3-1）
y=Δy+Xsin+Ycos （3-2）
=α2-α1
其中Δx、Δy为平移量，为地方坐标系X轴相对于独立坐标系x轴的偏角，正值为右偏、负值为左偏。α2、α1分别为D1与D2连线在地方坐标系和独立坐标系中的方位角，利用坐标反算容易求得。以D1点坐标带入式（3-1）和式（3-2）即可求得参数Δx、Δy。 利用求取的四参数，把基准点L1、L2、L3、L4的地方坐标带入式（3-1）和式（3-2），即可得到其在所建立的独立坐标系下的坐标。
3.3监测方法及自动化处理
选取不受施工影响又便于观测的桥墩位置，安装支架、架设仪器。见图3。
通过控制软件，在每个观测周期开始前，以仪器作为工作基点，通过对基准点L1、L2、L3、L4进行观测（使用其转换后的独立坐标），采用后方交会的方法推算出测站点的坐标，以此为起算依据，对所有的监测点进行自动观测，得到各监测点的方位角及距离，进而求得各监测点在独立坐标系下的三维坐标。由于误差的存在使得监测点D1和D2的坐标较建网时的坐标有不符值，现取D1、D2的最新坐标为初始值。其余监测点采用第一次测量值为初始值。
这样以来桥墩监测点每次的x变化量即为横桥向变化值，y变化量为顺桥向变化值。利用监测数据很容易直观判断桥墩的位移值。
为确保数据的准确，提高监测精度，监测测回数为4个测回。装有专用软件以实现整个监测过程的全自动化，既能控制全站仪按特定测量程序采集监测点数据，并将测量成果实时进行处理，以便及时发现错误，杜绝返工，也可以对各个观测周期的监测数据进行存储并生成监测报表。
3.4沉降数据回归分析
一元线性回归分析只包括一个自变量和一个因变量，且二者的关系可用一条直线近似表示。直线的斜率和截距可利用二元函数[5]求偏导使其等于零即得到a和b的求解公式：
为了能简化分析过程，现仅以桥墩22-1的D1点一周的沉降数据做一元线性回归分析。（如图4）
通过对D1点一周的沉降数据做回归分析，得到趋势线y=-0.00027x+475.2808如图中红色所示。取x=8可预测到1.9日D1的高程为475.2786，达到所分析目的。
4、总结及经验
由于城市进程的加快，轨道交通工程在城市中越来越占据重要的地位。城市交通网及建筑密集，线路经常要下穿既有建筑物和结构物。在下穿过程中为了实时获取结构的变形情况，通常采用自动化监测设备采集数据。监测控制网的建立以地方坐标为原始基准点，选取至少两个主要监测点为公共点，利用文中所述方法，完成四参数的求取及基准点坐标的转换。独立坐标系的选取尽量与结构物平行或垂直，这样监测点不同周期的坐标差值能直观体现结构物的变形情况（横向或纵向）。若需要对监测成果化归到地方坐标，也可利用公共点反求四参数进而完成坐标的转换。
利用自动化设备配套软件，完成数据的快速存储、检索、编辑，并进行实时处理或后处理，能实时显示图形或事后显示。由软件中导出D1点一周的沉降数据，在excel中做一元线性回归分析预测后期沉降量，在掌握大量数据的情况下可达到预控变形的目的。
参考文献：
[1]T3A航站楼主线桥桩基托换设计图 2016
[2]http：//www.topconpositioning.cn/
[3]李青岳 陳永奇. 工程测量学[M]. 测绘出版社， 1995.
[4]武汉大学测绘学院测量平差学科组. 误差理论与测量平差基础[M]. 武汉大学出版社， 2014.
[5]盛骤，谢式千，潘承毅.概率论与数理统计[M]. 高等教育出版社. 2001