基于ArcGIS的建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)分析及三維模擬

趙海衛(wèi)，王芹，劉照永，尚學(xué)云

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116； 2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北石家莊 050021)

基于ArcGIS的建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)分析及三維模擬

趙海衛(wèi)1?，王芹1，劉照永1，尚學(xué)云2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116； 2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北石家莊 050021)

以麗馨園1＃居民樓沉降監(jiān)測所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例，利用專業(yè)GIS軟件ArcGIS中的空間分析和三維分析模塊，進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的綜合處理和分析，采用反距離加權(quán)插值法，生成DEM(數(shù)字高程模型)，進(jìn)一步生成麗馨園1＃居民樓的沉降等值線圖、沉降三維模擬圖。結(jié)果表明，以ArcGIS生成沉降曲線圖比傳統(tǒng)方法更快捷、準(zhǔn)確，沉降三維模擬圖更直觀、逼真，可及時、有效地將沉降信息和變形情況反映給項目決策者和施工人員，以提高作業(yè)效率和精度，從而為整個工程提供技術(shù)支持和決策依據(jù)，是一種快速、準(zhǔn)確表達(dá)沉降觀測成果的有效方法。

ArcGIS；沉降監(jiān)測；DEM；反距離加權(quán)插值；三維模擬

1 前 言

地基在荷載和其他因素的作用下要發(fā)生變形，產(chǎn)生均勻或不均勻沉降。變形過程會危害建筑物結(jié)構(gòu)的安全，影響日后建筑物的正常使用。為了保證建(構(gòu))筑物的正常使用壽命和建(構(gòu))筑物的安全性，并為以后的勘察設(shè)計施工提供可靠的資料及相應(yīng)的沉降參數(shù)，有必要對高層建筑物實施沉降觀測。監(jiān)測在施工、運(yùn)營、管理期間的變形情況，分析變形原因，預(yù)報未來變形，預(yù)防工程事故，監(jiān)督施工質(zhì)量，保證安全生產(chǎn)，以避免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。

本文通過對欒城麗馨園1＃居民樓施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理，應(yīng)用ArcGIS軟件建立沉降變形專題圖、沉降等值線圖和三維模擬圖，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果的可視化。

2 沉降觀測技術(shù)方案

2.1 監(jiān)測方案

鑒于沉降觀測內(nèi)容是對建筑物整個施工過程中垂直位移進(jìn)行的測量，其目的是通過測量為業(yè)主提供準(zhǔn)確可靠的沉降數(shù)據(jù)，便于業(yè)主分析建筑物的變形程度和變形趨勢。工程均采用DINI12電子水準(zhǔn)儀及配套的因瓦水準(zhǔn)尺進(jìn)行。根據(jù)《工程測量規(guī)范》GB50026－2007和《建筑變形測量規(guī)程》JGJ8－2007的要求，沉降觀測分為兩個部分，地下部分:沉降觀測點埋設(shè)穩(wěn)定后每層觀測1次，地上地下聯(lián)測1次；地上部分:第一層觀測1次，以后每增加2到3層觀測1次。主體結(jié)構(gòu)封頂后，第一年每三個月觀測1次，第二年每半年觀測1次，第三年以后每年觀測1次。值得說明的是根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》JGJ/T8－97的要求，在工程竣工后的觀測中若最后3個周期的平均沉降速度小于0.04 mm/d，可認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段，并停止觀測。

2.2 基準(zhǔn)點和監(jiān)測點的布設(shè)

鑒于基準(zhǔn)點的埋設(shè)要求，本工程根據(jù)實際情況在樓附近各布設(shè)3個基準(zhǔn)點并構(gòu)成水準(zhǔn)網(wǎng)，便于檢測。

1＃居民樓樓長為53.6 m，樓寬為12.2 m，樓高為18層。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》的要求，沉降監(jiān)測測點的布置應(yīng)以能全面反映建筑物地基變形特征并結(jié)合地質(zhì)情況及建筑結(jié)構(gòu)特點來確定?；谏鲜鲆?guī)則，監(jiān)測點布設(shè)在建筑物的四角、大轉(zhuǎn)角處每隔15 m左右的墻體上，沉降觀測點編號采用流水點號方法，流水號以東北角開始逆時針方向遞增。總共布設(shè)8個監(jiān)測點。本工程沉降監(jiān)測點位布設(shè)如圖1所示。

圖1 沉降監(jiān)測點位布設(shè)圖

3 沉降結(jié)果綜合分析

各次觀測記錄整理檢查無誤后，進(jìn)行平差計算，求出各次每個觀測點的高程值，利用Excel表格統(tǒng)計匯總，通過定制公式，計算每次沉降量和累計沉降量。1＃樓荷載、沉降量隨時間變化情況P－T－S曲線圖如圖2所示。

通過對沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，該樓6號點的沉降量最大，為 10.0 mm；1號點的沉降量最小，為6.5 mm；施工期日平均沉降速率為 0.06 mm/d，施工初期的沉降量較大，后期逐漸平穩(wěn)。

圖2 P－T－S曲線圖

4 基于ArcGIS的沉降數(shù)據(jù)分析

4.1 基于ArcGIS的沉降監(jiān)測三維模擬

本文主要運(yùn)用ArcGIS桌面系統(tǒng)中ArcMap和3D分析擴(kuò)展模塊ArcScene。在ArcGIS中，ArcMap提供了一體化的完整地圖繪制、顯示、編輯和輸出的集成環(huán)境。不僅可以按照要素屬性編輯和表現(xiàn)圖形，也可以直接繪制和生成要素數(shù)據(jù)；可以在數(shù)據(jù)視圖按照特定的符號瀏覽地理要素，也可同時在版面視圖生成打印輸出地圖；有全面的地圖符號、線形、填充和字體庫，支持多種輸出格式；可自動生成坐標(biāo)格網(wǎng)或經(jīng)緯網(wǎng)，能夠進(jìn)行多種方式的地圖標(biāo)注，具有強(qiáng)大的制圖編輯功能。ArcScene是ArcGIS三維分析模塊3D Analyst所提供的一個三維場景工具，它可以更加高效地管理三維GIS數(shù)據(jù)、進(jìn)行三維分析、創(chuàng)建三維要素以及建立具有三維場景屬性的圖層。

(1)應(yīng)用ArcGIS建立數(shù)字高程模型

ArcGIS不僅可以很方便地打開它本身所帶格式的圖形文件(?.shp)，而且可以直接讀取微軟公司的.mdb、.xls文件和數(shù)據(jù)庫文件.dbf以及直接讀取柵格圖像。利用ArcGIS可以很方便地將坐標(biāo)點直接轉(zhuǎn)換成點文件。先在Excel中建立所需屬性，例如XX、YY，然后打開ArcGIS，在主菜單中選擇Tools—Add XY Data，在彈出的對話框中的Choose a table from the map or browse for anther選擇Excel文件，在Coordinate System of Input Coordinates的Edit中選擇需要的坐標(biāo)系，單擊OK，在ArcMap中將會自動生成點。但此時的點文件是Excel文件，需一步導(dǎo)出把文件保存成.Shp格式。在Layers中選中Excel文件右鍵單擊，選擇Date—Export Data即可實現(xiàn)。具體步驟:

①【ArcMap】—【Tools】—【Add XY Data】，【Data】—【Export Data】，生成沉降監(jiān)測點。

②【3D Analyst】—【Interpolate to raster】—【Inverse Distance Weighted】，并利用監(jiān)測點和內(nèi)插點生成DEM (數(shù)字高程模型)專題模型，同時可對三維模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

③打開【ArcScene】功能視窗，將監(jiān)測點和生成的DEM添加到視窗內(nèi)，【Layer Properties】—【Base Heights】，通過改變此對話框內(nèi)的相應(yīng)屬性O(shè)btain heights for layer from surface，Z Unit Conversion來設(shè)置三維模型的參數(shù)。

(2)沉降監(jiān)測三維模擬

數(shù)字高程模型(DEM)是對地形表面簡單的、離散的數(shù)字表示模型，通常所說的DEM是指具有規(guī)則格網(wǎng)間距的高程數(shù)據(jù)集，一般以柵格數(shù)據(jù)的形式表示。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:

式中xi，yi為平面坐標(biāo)，zi為(xi，yi)的對應(yīng)高程。

DEM的建立是通過空間插值，即用已知值的控制點來估算其他點數(shù)值的過程，它基于原始地形起伏變化的連續(xù)光滑性，或者說鄰近的數(shù)據(jù)點間具有的相關(guān)性?？臻g插值是一種將點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面數(shù)據(jù)的方法，它將矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。GIS常用的插值方法，有距離加權(quán)倒數(shù)(IDW)法、自然近鄰法、反距離權(quán)重、樣條插值和克里格法等方法。DEM的精度與插值的方法有很大關(guān)系，我們需要根據(jù)各種方法的特點，結(jié)合不同應(yīng)用，從內(nèi)插精度、速度等方面選取最優(yōu)方法。

反距離加權(quán)插值法是基于相近相似原理，即兩個物體離得越近，它們的性質(zhì)就越相似；反之，離得越遠(yuǎn)相似性越小。反距離加權(quán)法使用預(yù)測區(qū)域內(nèi)已知的樣點值來預(yù)測除樣點外的任何位置的值。假設(shè)各已知樣點對預(yù)測點值的預(yù)測都有局部影響，其影響隨著距離的增加而減小。離預(yù)測點近的已知樣點在預(yù)測過程中所占的權(quán)重大于離預(yù)測點遠(yuǎn)的已知樣點的權(quán)重，反距離加權(quán)插值法的一般公式為:

式中，P為參數(shù)，通過求均方根預(yù)測誤差的最小值確定其最佳。權(quán)重與預(yù)測點和已知樣點間距離的P次冪成反比，因此，它顯著影響內(nèi)插的效果。ArcGIS中P的默認(rèn)值為2。

ArcGIS根據(jù)反距離加權(quán)插值生成沉降等值線專題圖，如圖3、圖4所示。在專題圖上可以拾取底面任意一點顯示其沉降量，可以很直觀看到整體的、不同時段的沉降狀況。根據(jù)沉降變形專題圖生成的沉降結(jié)果三維模擬圖(圖5)可以看出，初始狀態(tài)建筑物沒有沉降，平面格網(wǎng)圖呈水平狀態(tài)，沉降后各個監(jiān)測點的沉降幅度不同，形成沉降面的起伏變化。沉降量越小的點，高程越大，距初始面的距離越小。針對不同監(jiān)測時間的監(jiān)測結(jié)果可以生成任意監(jiān)測時間的三維模擬圖，方便對比單一沉降點的高程變化和基底整體高程變化情況，為施工過程中的實時監(jiān)測提供了有效辦法。

圖3 最終沉降變形圖

圖4 2009年08月06日沉降變形圖

圖5 最終沉降三維模擬

4.2 基于ArcGIS生成建筑物沉降曲線圖

利用監(jiān)測點生成的DEM提取等高線并自動賦以高程值，具體步驟:

【3DAnalyst】—【Surface Analysis】—【Contour】—【Layer Properties】—【Labels】。圖6為建筑物最終沉降等值線圖，它與傳統(tǒng)的手工繪制方法相比，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。

圖6 建筑物最終沉降等值線圖

5 結(jié) 語

本文借助ArcGIS的3D分析模塊，創(chuàng)建建筑物沉降變形專題圖和三維模擬圖，得到真實感較強(qiáng)的三維顯示效果，有效提高作業(yè)效率，使項目決策者和施工人員及時有效地獲取沉降信息和變形情況，從而提供技術(shù)支持和決策依據(jù)。本研究對于監(jiān)測點的三維分析功能僅局限于沉降三維模擬分析，功能上還不太完善，仍需要做進(jìn)一步的開發(fā)，與其他學(xué)科技術(shù)手段相互補(bǔ)充，從而為施測結(jié)果的有效、及時和直觀表達(dá)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

[1]李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2001，130

[2]Steve Bratt，Bob Booth.ArcGIS三維分析使用手冊 1 [PDF].

[3]GB50026－2007.工程測量規(guī)范[S].

[4]JGJ8－2007.建筑變形測量規(guī)程[S].

[5]劉湘南，黃方，王平.GIS空間分析原理與方法.北京:科學(xué)出版社，2008，186～233

[6]吳琳，李天文.基于GIS的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及其三維模擬.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2004(06)，67～70

Analysis of Building′s Subsidence Survey Data and Demo of Three－Dimensional Dodel Based on ArcGIS

Zhao HaiWei1，Wang Qin1，Liu Zhao Yong1，Shang XueYun2
(1.The School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.HeBei Environmental Geology Exploration Institute，ShiJiaZhuang 050021，China)

Applying the basic functions of spatial analysis and 3D simulation of the GIS Software ArcGIS9.2，analyzed the subsidence survey data of 1＃residential building of Li Xin Yuan.With the support of the ArcGIS software platform，using Inverse Distance Weighted interpolation，generated Digital Elevation Model，and finally established the settlement building contour map and 3D simulation.The results show that it is more efficient，accurate and vivid than traditional methods to analyze data of settlement building.It helps builders obtain subsidence information quickly and effectively，and provide technical support to the construction and decision－making.

ArcGIS；Settlement Monitoring；DEM；Inverse Distance Weighted；3D Simulation

1672－8262(2010)05－47－04

P208

B

2010—04—10

趙海衛(wèi)(1984—)，女，碩士研究生，研究方向:應(yīng)用地理信息系統(tǒng)。

國家973計劃資助項目2009CB219605