基于ArcView GIS的沉降觀測數(shù)據(jù)三維分析研究

張海龍

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，密云 101500）

基于ArcView GIS的沉降觀測數(shù)據(jù)三維分析研究

張海龍

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，密云 101500）

本文在了解國內(nèi)外沉降觀測研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從變形觀測的理論出發(fā)，探求提高沉降觀測操作的質(zhì)量，并結(jié)合亞奧國家廣場建筑物沉降觀測實(shí)例，對測量所得到的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)整理。文章從理論分析入手，結(jié)合沉降觀測收集數(shù)據(jù)，然后在相關(guān)理論支持下進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。在數(shù)據(jù)分析過程中，著重運(yùn)用GIS軟件實(shí)現(xiàn)沉降的三維模擬，并繪制沉降等值線，直接、美觀的再現(xiàn)了沉降的過程。經(jīng)過分析，得出亞奧國際廣場建筑物沉降狀況的合理性，并提出了提高沉降觀測質(zhì)量、科學(xué)整理數(shù)據(jù)和成果分析的相關(guān)建議。

沉降觀測；數(shù)據(jù)分析；三維可視化

0 緒論

國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的階段，城市化進(jìn)程加快。各種各樣設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑涌現(xiàn)于大都市之中。隨著土地資源日漸減少與人口增長之間的矛盾日益突出，高層及超高層建筑越來越多。于是，建筑結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定問題成為現(xiàn)今建筑行業(yè)最最關(guān)注的焦點(diǎn)。沉降觀測的重要作用日趨明顯，特別是在高層建筑物施工過程中應(yīng)用沉降觀測加強(qiáng)全過程監(jiān)控，指導(dǎo)合理的施工工序，預(yù)防在施工過程中出現(xiàn)不均勻沉降，及時(shí)反饋信息為勘察設(shè)計(jì)施工部門提供一手資料，避免了因沉降原因造成建筑物主體結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)使用功能的裂縫，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對建筑物進(jìn)行沉降觀測也是國家規(guī)范要求必須執(zhí)行的，國家現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，高層建筑物、高聳構(gòu)筑物、重要古建筑物及連續(xù)生產(chǎn)設(shè)施基礎(chǔ)、動(dòng)力設(shè)備基礎(chǔ)、滑坡監(jiān)測等均要進(jìn)行沉降觀測。

0.1 研究的內(nèi)容及意義

本文以沉降觀測實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施過程和測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過項(xiàng)目的操作和數(shù)據(jù)的處理，研究沉降觀測提高精度的方法和數(shù)據(jù)處理的新方式，即以GIS為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的三維顯示。其目的是更好地指導(dǎo)工程施工，預(yù)防出現(xiàn)不均勻沉降，造成建筑物的安全隱患。

0.2 亞奧國際廣場沉降觀測工程概況

亞奧國際廣場位于北京市朝陽區(qū)慧忠里，為商住樓，地下3層，筏基，局部為地下車庫，與主樓同一底板。建筑物層高不同，其中A座9層，B座17～20層，C座9層，D座4層；相鄰兩樓間有后澆帶，共有3條后澆帶。這個(gè)工程與其他工程的不同之處就在于從整體來看建筑物樓層不同，可能存在不均勻沉降問題，并且存在后澆帶等問題。

（1）沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)

此次觀測的目標(biāo)為亞奧國際廣場的建筑物，并且樓的層高不同，沉降觀測點(diǎn)的布設(shè)以建筑物結(jié)構(gòu)及首層平面設(shè)計(jì)為依據(jù)，共布設(shè)50個(gè)觀測點(diǎn)。其中地上點(diǎn)23個(gè)，地下點(diǎn)27個(gè)。本文僅以地上觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，并實(shí)現(xiàn)GIS的三維顯示。

地上監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)分布情況詳見下圖1。

圖1 地上觀測點(diǎn)位分布圖

（2） 觀測周期

①首先對已做基點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，通過觀測值判定其穩(wěn)固后作為基準(zhǔn)點(diǎn)長期觀測使用，前3次必須與基點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，以后每2月進(jìn)行聯(lián)測1次；

②待建筑物一出自然地坪就需要在首層布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行觀測，待其與結(jié)構(gòu)牢固后（約5天左右）就可進(jìn)行第一次觀測。因建筑物層高不同，根據(jù)規(guī)范要求，每增高1層觀測1次，隨施工同步觀測至4層，通過4層隨施工觀測得到準(zhǔn)確的沉降量后，自5層開始每增高2層觀測1次，至最高樓層封頂時(shí)約需觀測12次，共計(jì)16次。

③主體竣工后，還應(yīng)根據(jù)后期工程施工情況對其建筑物每月觀測1次，約計(jì)6次。

④工程全部完工后，可根據(jù)需要布設(shè)隱蔽點(diǎn)，每季度觀測1次，約計(jì)4次。通過對觀測成果的沉降分析，確認(rèn)沉降變化穩(wěn)定后方能結(jié)束觀測工作。

（3）亞奧國際廣場建筑物沉降觀測內(nèi)業(yè)計(jì)算及成果分析

本文僅以地上觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，并實(shí)現(xiàn)GIS的三維顯示。于是,下面僅將地上觀測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并列表。

地上沉降觀測點(diǎn)沉降觀測成果表見附錄。

由沉降觀測成果表可以得到各次觀測的每點(diǎn)各期平均沉降量與沉降趨勢、沉降速度與發(fā)展趨勢，并為建筑物的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

0.3 ArcView GIS簡介

ArcView是世界上最為廣泛使用的GIS桌面軟件。利用其大量的符號和強(qiáng)大的地圖功能，用戶能夠方便地創(chuàng)建高質(zhì)量地圖。ArcView使得數(shù)據(jù)的管理和編輯很省事，任何人都可勝任。他為普通GIS用戶提供了一個(gè)通用的技術(shù)平臺(tái)，同時(shí)又具有強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)分析和制圖設(shè)計(jì)的能力，而且用戶界面友好，易于使用。

ArcView通過在邏輯工作流程中，設(shè)置可視化的任務(wù)模型來簡化復(fù)雜的分析和數(shù)據(jù)管理任務(wù)。非技術(shù)性用戶也可容易地操作ArcView，經(jīng)驗(yàn)豐富的用戶可利用復(fù)雜的工具進(jìn)行高級的地圖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)整合及空間分析。

ArcView 整個(gè)系統(tǒng)由基本模塊和可擴(kuò)充功能模塊構(gòu)成,可擴(kuò)充功能模塊包括:空間分析模塊、網(wǎng)絡(luò)分析模塊、三維分析模塊、繪圖輸出模塊、影響分析模塊、追蹤分析模塊、ArcView 因特網(wǎng)發(fā)布模塊,其中三維分析模塊是沉降觀測數(shù)據(jù)分析和三維顯示的核心部分。

1 基于ArcView GIS的沉降觀測數(shù)據(jù)分析及可視化

地理信息系統(tǒng)（GIS）軟件是當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的數(shù)據(jù)分析軟件。地理信息系統(tǒng)（GIS）具有強(qiáng)大的功能，它不僅能夠?qū)Χ喾N數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性建庫，實(shí)現(xiàn)各種空間分析，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)分析結(jié)果的三維顯示，使問題的分析結(jié)果變得直觀易懂。然而，GIS常被應(yīng)用于自然資源管理、各種突發(fā)事件的規(guī)劃、市場分析、設(shè)施規(guī)劃、運(yùn)輸規(guī)劃以及軍事上，但是在工程測量方面的相關(guān)應(yīng)用卻鮮有實(shí)例，以往對于建筑物沉降變形的觀測結(jié)果多是以數(shù)據(jù)和圖表形式表現(xiàn)，沒有三維模擬的表現(xiàn)形式，很難直觀地掌握建筑物的空間沉降情況，以下探求利用ArcView GIS 3.3軟件中的空間分析和三維分析模塊來實(shí)現(xiàn)亞奧國際廣場建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)分析及其三維可視化模擬。

1.1 沉降觀測三維模擬建立步驟

（1）Arcview三維分析模塊、空間分析模塊等相關(guān)模塊的裝入

①打開ArcView 3.3，點(diǎn)擊【File】下的【Extensions】中的“3D Analyst”“Spatial Analyist”等復(fù)選框,點(diǎn)擊OK來添加相關(guān)分析模塊。如下圖2所示：

圖2 ArcView 3.3添加功能模塊操作界面

②指定 ArcView 將要?jiǎng)?chuàng)建的面狀主題的 Shape 文件的名稱為“亞奧大廈”，并在隨后出現(xiàn)的新的對話框內(nèi)找到相關(guān)路徑保存，單擊“OK”鈕。一個(gè)新的、空白的主題將出現(xiàn)在當(dāng)前視圖的主題目錄表中。在繪圖工具板中點(diǎn)擊輸入多邊形圖標(biāo)，用鼠標(biāo)依次輸入亞奧國際廣場建筑物的各個(gè)拐點(diǎn)，雙擊表示完成最后一點(diǎn)，多邊形自動(dòng)封閉。如下圖3：

圖3 在ArcView 3.3中創(chuàng)建的亞奧國際廣場建筑物平面的成果圖

（2）標(biāo)繪參與分析的沉降觀測點(diǎn)

①視圖窗口界面中，選定“視圖”【View】。

②在彈出的對話框內(nèi)選擇想要?jiǎng)?chuàng)建的新主題【New Theme】的圖形要素類型，選擇Point，并點(diǎn)擊OK。

③標(biāo)繪出亞奧大廈沉降點(diǎn)，指定 ArcView 將要?jiǎng)?chuàng)建的點(diǎn)狀主題的 Shape 文件的名稱為“沉降點(diǎn)”，并在隨后出現(xiàn)的新的對話框內(nèi)找到相關(guān)路徑保存，單擊“OK”鈕。并對各點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注和數(shù)據(jù)的錄入，見下表1，表4。

表1 沉降觀測點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)錄入表

圖4 在ArcView 3.3中標(biāo)繪的沉降點(diǎn)圖

（3）利用觀測點(diǎn)和內(nèi)插點(diǎn)生成DEM(數(shù)字高程模型)

①從【Surface】菜單中選擇【Interpolate Grid】命令。

②在出現(xiàn)的Output Grid Specification對話框中設(shè)定輸出主題的范圍、柵格單元大小及柵格行、列數(shù)。

③接下來出現(xiàn)的Interpolate Surface對話框中，從Method列表中選擇IDW（注意：在菜單中只有IDW和Spline兩種內(nèi)插方法可以選擇）。在Z Value Field列表中選擇celiangs字段，單擊OK。 利用沉降點(diǎn)數(shù)據(jù)和內(nèi)插點(diǎn)生成柵格主題如下圖5：

圖5 沉降點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)和內(nèi)插點(diǎn)生成的DEM及圖例

④為了便于觀看，給生成的亞奧國際廣場DEM加色并將其與亞奧國際廣場建筑物的輪廓重疊顯示如下圖6：

圖6 生成的DEM與亞奧國際廣場建筑物的輪廓疊加效果圖及圖例

從生成的DEM與亞奧國際廣場建筑物的輪廓疊加效果，參照圖例不難看出：生成的DEM中顏色越淺，代表的沉降量越大；反之，顏色越深，代表的沉降量越小。

⑤激活“亞奧大廈. Shape”，選擇【Theme】菜單下【Convert to Grid】將“亞奧大廈. Shape”柵格化，并選擇【Analysis】菜單下【Map calculator】用其與沉降點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的DEM做乘法運(yùn)算，生成以亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM，操作過程及生成圖形如下圖7、圖8。

圖7 Map Calculation操作界面

圖8 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM及圖例

（4）三維可視化

打開【3D Scene】功能視窗,分別將亞奧國際廣場建筑物數(shù)據(jù)的內(nèi)插生成的DEM和以亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM都添加到視窗內(nèi),通過改變此對話框內(nèi)相應(yīng)屬性Surface、Z factor 、Offset heights by value or expression 來設(shè)置三維模型的參數(shù)。

①按下（Add Theme圖標(biāo)按鈕），分別添加并激活亞奧國際廣場DEM和以亞奧廣場建筑物為邊界的DEM。

②打開并點(diǎn)擊三維場景中的按鈕，以顯示DEM層面。

③分別激活兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)層面，再點(diǎn)擊【Theme】菜單下的【3D Properties】，設(shè)置【3D Properties】下的Base heights為Surface選項(xiàng)，分別設(shè)置Surface的文件名兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)層面的文件名，設(shè)置高程的偏移量(Offset Heights)為0，如圖9。

圖9 3D Theme Properties對話框

④然后激活層面亞奧廣場建筑物為邊界的DEM，再點(diǎn)擊【Theme】菜單下的【3D Properties】，設(shè)置【3D Properties】下的Base heights為Surface選項(xiàng)，分別設(shè)置Surface的文件名兩個(gè)DEM數(shù)據(jù)層面的文件名，設(shè)置高程的偏移量(Offset Heights)為0，如圖10。

圖10 3D Theme Properties對話框

⑤點(diǎn)擊【3D Scene】菜單下的【properties】，修改設(shè)置三維場景的屬性。設(shè)置三維場景的垂直放縮因子（Vertical exaggeration factor）為4，背景色（Background color）為白色，太陽方位角（ Sun azimuth）為Northeast,太陽高度角（ Sun altitude）為Low。

1.2 亞奧國際廣場沉降觀測三維模擬成果

數(shù)字高程模型DEM是地理空間定位的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集合，因此凡是牽扯到地理空間定位，在研究過程中又依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持的課題，一般都要建立數(shù)字高程模型。由ArcView 生成的數(shù)字高程模型DEM是表示區(qū)域上的三維向量有限序列,用函數(shù)的形式描述為：

研究建立DEM 的方法是通過內(nèi)插高程點(diǎn)生成的,即在一個(gè)由( x , y) 坐標(biāo)平面構(gòu)成的二維空間中,由已知若干離散點(diǎn)iP的高程,估算待內(nèi)插點(diǎn)的高程。DEM內(nèi)插包含了表面重建以及從重建表面提取高程信息的過程,也包含了根據(jù)隨機(jī)分布數(shù)據(jù)點(diǎn)或從規(guī)則格網(wǎng)中獲取的高程量測值生成等高線的過程。DEM內(nèi)插方法主要有分塊內(nèi)插、剖分內(nèi)插和單點(diǎn)移面內(nèi)插,此次采用的是分塊內(nèi)插中的最小二乘配置法, 它是一種基于統(tǒng)計(jì)的、廣泛用于測量學(xué)科中的內(nèi)插方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是具有嚴(yán)密的數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論依據(jù)，可以得到光滑連續(xù)的空間曲面，能較好的保存所研究物體的細(xì)節(jié)，并通過重疊保持了內(nèi)插面的連續(xù)性，在重建的DEM上可以提取區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的高程值，點(diǎn)擊DEM的某個(gè)部位便顯示其屬性對話框（圖11）。結(jié)合實(shí)例就可以了解整個(gè)沉降面內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的沉降量，了解整棟建筑物的沉降趨勢。

圖11 DEM高程沉降數(shù)據(jù)查詢

依照前述的建立步驟生成亞奧國際廣場建筑物沉降觀測結(jié)果三維模擬圖。分析可知,起始狀態(tài)樓房未出現(xiàn)沉降,其平面圖呈水平態(tài),因此各點(diǎn)位的高程iz都是相等的，樓房沉降后, 由于各個(gè)點(diǎn)位的沉降幅度不同,形成了沉降面的高低起伏變化,沉降量越小的點(diǎn)位,其高程值iz越大,距初始面距離越短, 反之同理, 相應(yīng)點(diǎn)位對應(yīng)的平面坐標(biāo)(ix,iy)不改變，見圖12、圖13、圖14、圖15、圖16。

圖12 沉降觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插形成的DEM的不同角度的三維顯示圖a

圖13 沉降觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插形成的DEM的不同角度的三維顯示圖b

圖14 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖a

圖15 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖b

圖16 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖c

從DEM和亞奧國際廣場建筑物平面圖疊加三維顯示的結(jié)果上看：建筑物整體來說沉降不是很均勻，建筑物的B座和C座沉降量較大，A座和D座的沉降量較小，通過對比存在很大差異，在這里就體現(xiàn)了在施工過程中設(shè)計(jì)后澆帶的必要性。從三維圖上還有一個(gè)細(xì)節(jié)的地方，就是圖上出現(xiàn)較明顯突起的部位，這個(gè)位置恰好是沉降觀測點(diǎn)J22所在的位置，在周圍點(diǎn)都有明顯下沉的趨勢情況下，這個(gè)點(diǎn)卻顯示為上升狀態(tài)，從推理上可以得到這個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)存在著問題，可能是觀測沉降點(diǎn)被碰過的緣故。這是傳統(tǒng)的沉降分析方法不能夠明顯發(fā)現(xiàn)的。通過用ArcView 3.3對亞奧國際廣場建筑物沉降數(shù)據(jù)的三維顯示，使地基沉降整體變化情況一目了然，直觀、準(zhǔn)確的再現(xiàn)了建筑物的整體沉降變化情況，利于我們更好的進(jìn)行不均勻沉降的分析，而且能夠使我們得到傳統(tǒng)的分析方法無法分析得出的結(jié)果，能夠更好的指導(dǎo)建筑物的施工。

1.3 基于ArcView 3.3生成建筑物沉降等值線圖

（1）建立步驟

在利用觀測點(diǎn)生成的DEM提取沉降等值線并自動(dòng)賦以累計(jì)沉降值,具體步驟從【Surface】選擇【Create Contours】自動(dòng)生成等沉線。然后選擇【Theme】菜單下的【Auto-Label】。

（2）沉降觀測等值線成果圖

基于ArcView GIS 3.3生成建筑物沉降等值線圖與傳統(tǒng)的手工繪制法相比速度更快捷、內(nèi)容更確切、外形更美觀,從而為決策施工人員提供更準(zhǔn)確可靠的信息。沉降等值線如下圖17所示：

圖17 亞奧廣場建筑物沉降等值線圖

建筑物沉降等值線圖直觀的以量化形式反映了建筑物平面內(nèi)各個(gè)區(qū)域的沉降變化情況，并在不同區(qū)域間形成數(shù)字對比，更好的呈現(xiàn)建筑物的總體沉降和各點(diǎn)的沉降狀態(tài)，亞奧國際廣場建筑物沉降等值線圖同樣也說明了建筑物整體沉降不是很均勻，但是符合建筑規(guī)范的要求，另外也可以看出J22點(diǎn)處的等值線較密集，數(shù)據(jù)存在一定的問題。

2 結(jié)論

本文主要以亞澳國際廣場建筑物整體為研究對象，以最終累計(jì)沉降量為數(shù)據(jù)源，借助ArcView GIS 3.3軟件，生成沉降觀測數(shù)據(jù)的DEM，實(shí)現(xiàn)沉降觀測數(shù)據(jù)的三維可視化，生成沉降動(dòng)態(tài)三維模擬圖和沉降等值線圖。使得沉降分析結(jié)果人性化，便于理解和分析，實(shí)現(xiàn)了分析速度更加快捷、分析內(nèi)容更加準(zhǔn)確、分析成果更加美觀的目的，為施測結(jié)果的有效、及時(shí)和直觀表達(dá)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，可為決策者和施工者提供更加可靠、直觀的沉降觀測信息。

[1] 陳龍飛，金其坤. 工程測量. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 1990,247.

[2] 朱建軍, 曾卓喬等. 變形測量的理論與方法.長沙:中南大學(xué)出版社, 2004,256.

[3] 陳海霞．沉降觀測中常遇問題及其分析與處理．淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)． 2007,88～89.

[4] 陳永奇、吳子安、吳中如.變形監(jiān)測分析與預(yù)報(bào).北京：測繪出版社,2003.

[5] 湯國安, 趙牡丹. 地理信息系統(tǒng)[ M] . 北京: 科學(xué)出版社,2000. 108.

[6] 黃聲享,尹 暉,蔣 征.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

3-D Data Analysis on the Settlement Observation Based on ArcView GIS

ZHANG Hailong

(Beijing Geo-engineering Design Research Institute, Beijing 101500)

On the basis of study situation on the settlement observation at home and abroad, this paper discusses how to improve operation efficiency of the settlement observation. Combined with the building settlement observation example of the Ya-Ao National Square, the settlement monitoring data has been analyzed and sorted. At this stage, we mainly utilize GIS software to simulate the 3-D settlement, and draw the settlement isolines. According to above-mentioned work, we consider that the building settlement of the Ya-Ao National Square is rational, and suggest how to improve operation efficiency of the settlement observation, and how to effectively analyze data and study result.

Settlement observation; Data analysis; 3-D Visualization

TP319

A

1007-1903(2010)03-0032-07