GIS在高層建筑施工測量數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用研究

康文海

（四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610500）

0.引言

隨著科技的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一線城市的用地愈發(fā)緊張，為減少占地面積，建筑物逐漸由水平發(fā)展走向垂直發(fā)展。高層與超高層建筑越來越多。超高層建筑指高度達(dá)100 m以上或樓層數(shù)超過40層以上的建筑物。通過文獻(xiàn)研究可知：日本634 m的東京晴空塔、我國600 m的廣州塔與600 m的深圳平安大廈均屬于超高層建筑[1]。眾所周知，高層建筑的施工難度與技術(shù)要求更高，文獻(xiàn)[2]中指出，建筑施工測量工作是高層建筑工程中的先導(dǎo)性工作。當(dāng)前，高層建筑的測量要求逐漸提升，外界環(huán)境的變化會對施工測量工作造成較大影響。因此，如何選用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對施工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和分析成為高層建筑施工測量中的難點(diǎn)。

本研究選用地理信息系統(tǒng)（GIS）作為高層建筑施工測量數(shù)據(jù)處理的主要技術(shù)。GIS是隨著地理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)和信息科學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的一個學(xué)科[3，4]，其能把地圖的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成，將此技術(shù)應(yīng)用于高層建筑的施工測量中，可以提高高層建筑測量數(shù)據(jù)管理的能力及測量結(jié)果的可信度。

1.GIS系統(tǒng)在高層建筑施工測量中的數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

此次應(yīng)用設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于使用GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)高層建筑施工測量的不足，以提升高層建筑施工測量的數(shù)據(jù)處理能力，避免由于數(shù)據(jù)問題造成的測量誤差。

1.1 構(gòu)建測量坐標(biāo)系

在高層建筑施工測量時，為便于GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，需構(gòu)建相應(yīng)的測量坐標(biāo)系，便于采集測量數(shù)據(jù)。本研究采用地球坐標(biāo)系的形式，構(gòu)建建筑與地球體相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系[5]，對地球坐標(biāo)系的表現(xiàn)形式進(jìn)行研究，將地球空間坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系相結(jié)合，如圖1所示。

圖1坐標(biāo)系

由圖1可知：設(shè)定上述坐標(biāo)系中參考面的長半軸為a，短半軸為b，且此參考面為橢圓形。參考面的幾何中心與高層建筑的直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。短半軸b與直角坐標(biāo)系的Z軸重合。建筑物當(dāng)?shù)氐木暥仍O(shè)定為B，其經(jīng)過地面點(diǎn)S的圓形法線與參考面XOY平面形成夾角，設(shè)定XOY的OZ軸方向?yàn)檎?；大地?jīng)度L設(shè)定為經(jīng)過地面點(diǎn)的ZOY平面與子午面的夾角，將ZOX右旋后的方向設(shè)定為正方向；建筑物高度h設(shè)定為經(jīng)過E點(diǎn)的法線到參考面的距離。高層建筑的直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地面坐標(biāo)系，并使用此坐標(biāo)系完成測量工作。

1.2 施工測量設(shè)備優(yōu)化

為有效開展測量數(shù)據(jù)的采集工作，需對施工測量中使用的工具與設(shè)備展開優(yōu)化。

為保證測量結(jié)果的精度，在工程施工過程中，采用精密水準(zhǔn)儀作為主要高層建筑測量儀器。設(shè)定此設(shè)備的測量精度標(biāo)準(zhǔn)差為0.1 mm，高度測量精度為0.1 ppm，最小讀數(shù)0.01 mm。在測量過程中，可提速40%，以此消除因焦距導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大的問題。此設(shè)備中設(shè)定多種建筑的測量模式，采用傾斜補(bǔ)償器作為測量結(jié)果有效性的保障。使用精密水準(zhǔn)儀測量高層建筑，測量數(shù)據(jù)自動存儲在儀器的內(nèi)存卡上，在每次測量結(jié)束后，導(dǎo)出測量數(shù)據(jù)，并記錄相應(yīng)的測量時間。

在測量過程中，將測量的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定在建筑物外部輪廓上，使基準(zhǔn)點(diǎn)組成閉合水準(zhǔn)導(dǎo)線，并將其城市導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行量測，以此得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3 測量數(shù)據(jù)處理

通過上述測量，在得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)中，對高層建筑展開分層處理，在施工過程中逐步增加數(shù)據(jù)處理量，每升高4～5層時，做一次重新觀測，結(jié)構(gòu)封頂后完成觀測過程。為保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)度，對測量后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在此次研究中，使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，剔除系統(tǒng)測量誤差數(shù)據(jù)。

將獲取的數(shù)據(jù)通過線性離散方程表示，如式（1）所示：

式（1）中，xi為i時測量結(jié)果的狀態(tài)；Mi-1為i時刻線性離散方程狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；xi-1為i-1時GIS系統(tǒng)輸入的控制量；Ni-1為GIS系統(tǒng)控制輸入xi-1的增益矩陣；yi為i時刻的高層建筑外部測量值；Pi為觀測矩陣；Ki-1為i時刻GIS系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)噪聲；ji為系統(tǒng)量測噪聲。

在此次數(shù)據(jù)處理過程中，利用卡爾曼濾波融合算法中的先驗(yàn)估計(jì)與后驗(yàn)估計(jì)之間的關(guān)系對GIS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合。設(shè)定數(shù)據(jù)的先驗(yàn)估計(jì)為-i，后驗(yàn)估計(jì)為+i。則i時刻下的測量數(shù)據(jù)序列可表示為時刻下的數(shù)據(jù)先驗(yàn)估計(jì)如式（2）所示：

確定i時刻GIS系統(tǒng)的先驗(yàn)估計(jì)xˉ-i與后驗(yàn)估計(jì)后xˉ+i，為明確測量數(shù)據(jù)與系統(tǒng)之間的關(guān)系，對先驗(yàn)估計(jì)xˉ-i與后驗(yàn)估計(jì)后xˉ+i的協(xié)方差進(jìn)行求解，如式（3）所示：

通過式（2）對式（3）兩側(cè)添加同等期望，則i時刻測量結(jié)果x均值與i-1時刻測量結(jié)果x均值之間的關(guān)系，如式（4）所示：

通過式（4）對GIS系統(tǒng)測量后的高層建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)并剔除無效數(shù)據(jù)，以保證測量結(jié)果的可靠性。至此完成高層建筑施工測量的數(shù)據(jù)測量與數(shù)據(jù)處理部分。

2.測試研究

基于上述應(yīng)用設(shè)計(jì)部分，開展GIS系統(tǒng)高層建筑施工測量應(yīng)用測試，以驗(yàn)證本研究中GIS系統(tǒng)高層建筑施工測量應(yīng)用內(nèi)容的可行性。

2.1 試驗(yàn)場地設(shè)定

在此次試驗(yàn)過程中，將某大學(xué)校園的施工場地作為測試對象。在施工場地中進(jìn)行工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)實(shí)時監(jiān)測設(shè)定?？紤]到測量過程中會出現(xiàn)行人車輛干擾與視線通道干擾等問題，所以將測量設(shè)備安裝至高層建筑的外部輪廓中，根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，將測量中產(chǎn)生的正弦函數(shù)作為計(jì)算參數(shù)。根據(jù)上述設(shè)定，試驗(yàn)場地與測量點(diǎn)的設(shè)定結(jié)果如圖2所示。

圖2試驗(yàn)場地

在此次試驗(yàn)中，采用GIS系統(tǒng)高層建筑施工數(shù)據(jù)處理方法、傳統(tǒng)高層建筑數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用文獻(xiàn)[4]的高層建筑數(shù)據(jù)處理方法，對試驗(yàn)場地目標(biāo)建筑測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，對比三種方法的數(shù)據(jù)處理差異性及測試結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)定

在此次試驗(yàn)中，為保證三種高層建筑測量方法可在同一試驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)行，對試驗(yàn)中使用的設(shè)備儀器展開設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)備包含工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、變焦鏡頭、自開發(fā)系統(tǒng)。此次試驗(yàn)中使用的工業(yè)數(shù)字相機(jī)型號為GE1050，圖像分辨率為1024×1024，其變焦鏡頭最遠(yuǎn)焦距為1000 mm，可實(shí)現(xiàn)對超高層建筑的施工測量。此試驗(yàn)設(shè)備與預(yù)先設(shè)定的試驗(yàn)場地作為試驗(yàn)對比平臺。

2.3 試驗(yàn)對比對象

在此次試驗(yàn)過程中，設(shè)定試驗(yàn)對比對象為垂直測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果的誤差值。為提升試驗(yàn)的可對比性，設(shè)定目標(biāo)建筑的測量距離為10 m、50 m、100 m。通過不同測量距離對比三種高層建筑測量方法的數(shù)據(jù)處理效果差異。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

10 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：當(dāng)測量距離較近時，三種高層施工測量方法的垂直距離測量數(shù)據(jù)誤差值大致相同，未出現(xiàn)某種方法處理效果最佳或最差的情況。由試驗(yàn)圖像分析可知，當(dāng)測量距離較近時，三種方法對于高層建筑測量的數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，誤差值均較低。因而，在首次使用中，未發(fā)現(xiàn)三種高層建筑測量數(shù)據(jù)處理方法的差異。

圖3 10 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果

50 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

此次試驗(yàn)擴(kuò)大了測量距離，增加了高層建筑垂直距離測量的數(shù)據(jù)處理難度，三種方法的垂直距離測量數(shù)據(jù)處理效果逐漸出現(xiàn)變化。文中提出的運(yùn)用GIS測量法的誤差值較低，且在多次測量過程中誤差值變化較小。采用文獻(xiàn)[4]技術(shù)的測量方法在使用過程中未出現(xiàn)誤差值波動過大情況，但仍具有較高的誤差值。傳統(tǒng)方法的處理誤差值較高，但符合建筑工程的相關(guān)要求。對上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析可知：測量距離對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的誤差值產(chǎn)生影響，應(yīng)控制測量距離，以保證數(shù)據(jù)處理與分析的有效性。

100 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

此組為垂直距離測量最大的試驗(yàn)，在此次試驗(yàn)中完成三種測量方法的對比。通過試驗(yàn)結(jié)果可知：文中提出的應(yīng)用GIS系統(tǒng)的高層測量方法的垂直距離測量數(shù)據(jù)處理結(jié)果優(yōu)于其他兩種方法。文中提出的方法在三次試驗(yàn)過程中，均未出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果誤差值過高的問題，其結(jié)果的可靠性較穩(wěn)定。用文獻(xiàn)[4]技術(shù)的數(shù)據(jù)處理效果較平穩(wěn)，但相比文中提出方法仍有不足。傳統(tǒng)的高層建筑數(shù)據(jù)處理分析方法的誤差值較大。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知：文中提出方法的測量數(shù)據(jù)管理效果最佳。

圖4 50 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果

圖5 100 m測量距離試驗(yàn)結(jié)果

3.結(jié)束語

本研究針對傳統(tǒng)高層建筑測量數(shù)據(jù)處理分析方法存在的問題，提出基于GIS系統(tǒng)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用該方法進(jìn)行高層建筑測量數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果具備有效性。在研究過程中，由于較少考慮天氣因素對測量結(jié)果造成的影響，故在測量時可能出現(xiàn)因外界環(huán)境導(dǎo)致的誤差。在日后研究中，將對外界環(huán)境對高層建筑施工測量方法的影響展開進(jìn)一步研究。