施工坐标系在工程测量中的应用
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工程测量分为工程控制测量、工程地形测量、施工测量、工程变形测量和竣工测量。在工程施工阶段进行的测量工作，是工程测量的重要内容，包括施工控制网的建立、建筑物的放样、竣工测量和施工期间的变形观测等。在测量前找到一种快捷、简单、方便的测量方法能极大减轻测量人员劳动强度，而且在施测过程中很容易检查出测量结果正确与否，精度是否满足工程规范标准，从而减少测量人员的测量错误，提高工程质量，起到事半功倍的作用。本文旨在详细阐述施工坐标系在工程测量中的应用，以期促进施工坐标系测量方法的发展与完善。
1 施工坐标系的定义
施工坐标系亦称工程坐标系，是根据特定工程建立的一种独立坐标系统，是一种假定的平面直角坐标系，坐标原点通常设在整个工程的西南角，坐标轴X、Y分别与主要建筑物主轴线平行或垂直。
2 施工坐标系适用范围
施工坐标系广泛应用于工业与民用建筑工程、隧道工程、桥梁工程、站场工程、水利工程等施工测量。对于大型线路工程，因其跨越多个投影带，投影长度变形不容忽视，应根据线路的长度和所在测区的不同而建立与本测区和本线路相适应的工程坐标系统。
3 施工坐标系建立方法
3.1 桥梁、隧道工程
桥梁、隧道控制测量中坐标系为保证长大桥梁、隧道工程的施工精度及贯通误差，一般采取实地联测、独立控制方式建立施工控制网，与线路控制坐标系统不一致。建立坐标系即要保证投影变形的精度，还要便于施工放样和控制横向贯通误差，具体建立方法为直线桥梁、隧道法；曲线桥梁、隧道；直线与曲线、组合桥梁、隧道。
1）直线桥梁、隧道。在定测时确定线路中线位置，一般以线路前进方向为X轴，X轴顺时针转90°形成Y轴，构成隧道施工工程坐标系。
2）曲线桥梁、隧道。在定测时确定线路两条切线位置，一般选择其中一条切线为X轴，线路前进方向与X轴方向一致，X轴顺时针转90°形成Y轴，构成隧道施工工程坐标系。
3）直线与曲线组合桥梁、隧道。多数情况下，桥梁、隧道其中一端位于曲线上，一般选择中间直线段为X轴，线路前进方向与X轴方向一致，X轴顺时针转90°形成Y轴，构成施工工程坐标系。 桥梁、隧道施工工程坐标系，一般在X、Y方向上均有加常数，X方向加常数为坐标原点在线路中的里程（或相对里程），X坐标值可直观地表示隧道的里程，对施工放样及施工均十分方便；Y方向加常数以不使控制网中各点Y坐标负值为准，一般为一整数，在直线隧道的放样和施工中，Y坐标值可直观地显示隧道中线位置及偏移量。坐标系的投影基准面一般选择为桥梁、隧道平均高程面。如果桥梁、隧道工程的高差较大，建立如上的平面坐标系后高程投影变形的影响也是比较显著的，要根据工程实际情况，可采用现场反改化的方式消除对施工放样和贯通的影响。
3.2 站场工程
站场基线是为方便站场平面测绘、车站改建或扩建设计时计算道测量、标定各种建筑物、设备的需要，沿站场主轴线测设的平面控制基准线，测设基线的目的也就是建立坐标系、建立站场测量的控制网。基线一般设在对测绘、设计和施工均有利的位置，简单的中间站及其他场、段（所），可利用正线及贯通股道的中心线或二者的外移桩做基线，编组站调车场部分宜以中轴线外移桩为基线。基线的类型可根据站场线路的平面形状，布设成直线型、折线形和综合型。根据站场设计需要，建立独立平面坐标系统，一般以平行于正线股道的基线为X轴，以正线或基线里程定义为X值，垂直于X轴的方向为Y轴。以基线上的控制点为依据，进行测绘站内股道、道岔、设备及建筑物平面位置，为站场设计提供基础测绘资料。
3.3 铁路工程
对路基、桥梁、隧道等构筑物以及影响铁路线路的滑坡体、高路堑边坡、采空区等进行变形监测，在这些变形监测中，通过合理建立平面坐标系，不仅计算方便，而且可以优化测量方法，下面对高路堑边坡进行地表的变形监测为例进行说明。高路堑边坡变形监测可分两部分进行，一部分为垂直位移监测，另一部分为平面位移监测。垂直位移监测使用高精度水准测量进行，即可准确测量出沉降情况。 由于高路堑边坡都沿铁路线，分布在线路一侧或两侧，其平面和垂直位移一般均向下垂直铁路线中线方向进行，根据其变形特点，可以将平面位移变形监测传统的测角、测距简化为以距离测量为主，具体方案为：在线中线上布设观测基点，对应里程处设置观测断面，为方便计算和直观表示边坡体观测点的坐标及向铁路中线的位移情况 ，坐标系的纵轴（Y轴）选近似平行于线路中心的方向，横轴（X轴）选垂直于线路的方向建立平面直角坐标系，坐标原点O可定义为X为对应线路里程值，Y可定义为0X可以看出是对应线路某个里程位置的观测点，从Y值可直接看出其距中线的距离及变化情况，用正负表示可区别位于线路的左右侧。外业观测可选用高精度全站仪进行距离测量即可，应用此方法也能克服短距离测角误差对平面位移监测的影响，从而保证变形监测的精度。
3.4 房屋建筑工程
为了对其平面位置进行施工放样的方便，使所采用的施工坐标系与建筑设计的轴线相平行或垂直，对于左右、前后对称的建筑物，甚至可以把坐标原点设置于其对称中心，以简化计算。
3.5 水利工程
施工坐标系通常是以大坝轴线为X坐标，垂直大坝轴线方向为Y坐标，便于水利工程施工放样。
4 施工坐标系转换方法
施工坐标系与测量坐标系（国家或地方独立坐标系）的坐标换算的两种方法，即公式计算法和图形转换法。
4.1 公式计算法
1）大地坐标系转换为施工坐标系
设X-0-Y为大地坐标系，x-o-y为施工坐标系。待转换点为P，大地坐标为xp、yp；施工坐标系原点O：大地坐标：Xo、Yo，施工坐标xo、yo；施工坐标系x轴之大地方位角a，dX=Xp-Xo、dY=Yp-Yo。P点转换后施工坐标为xp、yp：则 xp=（Yp-Yo）×sina+（Xp-Xo）×cosa（1）
yP=（Yp-Yo）×cosa-（Xp-Xo）×sina（2）
公式中：Xo为施工坐标系中的坐标原点o在大地坐标系中的纵坐标，单位m；Yo为施工坐标系中的坐标原点o在大地坐标系中的横坐标，单位m；a为两坐标系纵坐标的夹角。Xo、Yo和a总称为坐标换算元素，Xo、Yo设计图纸已给定。a可根据XP、YP、Xo、Yo计算获得。在进行坐标换算时要特别注意a角的正、负值。规定施工坐标纵轴ox在测量坐标系纵轴OX的右侧时a角为正值；若ox轴在OX轴的左侧，a角值为负。
2）施工坐标系转换为大地坐标系
设X-O-Y为大地坐标系，x-o-y为施工坐标系。待转换点为P，施工坐标为xp、yp；施工坐标系原点O：大地坐标：Xo、Yo，施工坐标：xo、yo；施工坐标系x轴之大地方位角a，dx=xp-xo、dy=yp-yo。P点转换后大地坐标为Xp、Yp：则
Xp=（xp-xo）×cosa-（yp-yo）×sina（3）
Yp=（xp-xo）×sina+（yp-yo）×cosa（4） 采用公式计算法进行坐标系转换可利用EXCEL表格或工程计算器编程自动计算，这样可避免手工计算和小数进位产生错误，极大提高工作效率，减轻劳动强度。
4.2 图形转换法
AutoCAD在工程施工中现已普及使用，使用AutoCAD在工程施工中进行坐标查询、工程制图、工程量计算、坐标换算等具有很大的优势。以下是采用AutoCAD图转换法进行坐标系转换的方法和步骤。
1）绘图：如果没有工程AutoCAD电子版图纸，可把设计图纸主要有关数据和甲方提供控制点，坐标资料输入AutoCAD制作成电子版图纸。如果有设计单位提供工程AutoCAD电子版图纸可直接利用。
2）复制另存附件：复制另存一个附件可避免错误操作损坏原始资料、前功尽弃。
3）施工坐标系设定：建立施工坐标系要选定合适坐标原点和坐标方向，坐标原点和坐标方向设定以能简单、明确计算出工程各部位施工坐标为原则。一般设定工程起始点为原点，工程长方向为X轴，短方向为Y轴。
4）大地坐标系转换为施工坐标系：施工坐标系坐标原点设定：在AutoCAD绘图界面中选择：工具-新建UCS-原点，选定图上设定的坐标原点，使设定的坐标原点的施工坐标为X，Y（0，0）或x，y（a，b），其中a，b为需设定的数值。旋转图形：首先根据大地坐标系和施工坐标系计算出两个坐楼系X轴夹角a，然后选定AUTOCAD电子版图纸所有图形元素，点击绘图工具栏旋转图标，命令行会提示指定旋转基点，选定施工坐标原点为旋转基点，使整个图形以施工坐标原点为基点旋转，旋转角度为计算出的两个坐标系X轴夹角a，即施工坐标系X轴和图纸界面X轴相重合。
5 结束语
在工程测量中通过建立各种不同的平面坐标系统，对控制投影变形，方便计算和施工放样，优化测量方案，保证测量精度，直观表现工程现状等起到十分重要的作用，更好地满足了工程测量中不同应用目的的需要。
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