GIS組件在群樁基礎可視化監控系統中的應用*

薛 濤 唐 勇 王江明

1 概述

隨著我國新建橋梁規模的不斷刷新,其安全問題也越來越突出。為確保大橋在施工期和運營期的安全,許多大橋都投入了大量資金建立復雜的安全監測系統,以便隨時掌握其工作性態。由于監測系統涉及范圍廣、監測項目多、數據量也異常龐大,采用單測點或相鄰測點的傳統數據處理與分析系統已不能滿足要求,這就需要一個不僅具有強大的數據處理能力,而且要能夠使監測信息可視化,并能給管理者進行多測點分析提供幫助的監測系統。要滿足上述要求,通過一般的繪圖方式直接實現,不僅工作量大,而且直觀性不好。引入地理信息系統(GIS)[1,2]是一個很好的解決方案。通過比選,ESRI公司的Mapobjects(簡稱MO)組件不僅具有強大的圖形信息可視化查詢功能,而且還支持多種數據庫,同時具有常用的統計功能,能夠實現強大的數據管理功能。借助MO以及數據庫編程技術開發的可視化監控系統很好地融合了數據庫、圖庫管理功能[3],從而滿足了復雜安全監控系統數據分析的需求。

2 系統設計

2.1 設計準備工作

準備工作主要包括以下三個方面:

1)開發環境的選擇。考慮到涉及大量數據的數據庫編程需要一個功能強大的完全面向對象,并且對數據庫開發有著強大支持,且能夠快捷、高效開發數據庫應用程序的語言,文中選擇對數據庫開發有著很大優勢的DotNet環境下的C#語言[4]。

2)MO的數據圖層文件準備。MO可以使用的數據文件格式有Shapefile,Coverage,SDE,VPF,SteetMap和各種CAD文件,這里選擇常用的Shapefile文件格式[5]。Shapefile文件可通過ARCGIS軟件的轉換工具將包含監測測點的橋梁結構CAD圖轉換為以地理信息數據存儲的Shapefile文件,并向對應的DBF數據庫添加各種非地理信息字段,如測點編號、樁號、傳感器類型、渲染偏移量等。由于監測網是分斷面的三維監測網,而MO只能顯示二維地理信息,因此分斷面制作包含監測點信息的Shapefile文件,即一個斷面一個圖層,從而可以實現三維監測網點的可視化。

3)關聯數據庫設計。為了提高存儲效率,方便讀寫操作,采用ACCESS數據庫存儲各種實測的物理量,并且與DBF數據庫建立關聯。關聯數據庫的表設計必須要與DBF數據庫一致,即要有相同屬性和屬性值的關聯字段,并且一張表對應一個DBF數據庫。MDB數據表設計視圖見表1。

表1 MDB數據表設計視圖

2.2 功能實現的主要技術環節

1)可視化圖形操作基本功能。可視化圖形操作的基本功能包括:圖形放大、圖形縮小、恢復原始大、圖形移動和改變顯示的圖層。通過設置圖層的Visible屬性來確定圖層的顯示與否,當某一斷面圖層選定時將其Visible屬性設置為true,當前顯示的圖層Visible屬性設置為false,刷新控件即可。由于MO不能顯示純文本的圖層,因此要顯示樁號和測點編號需要利用MO的Renderer屬性進行渲染,而標注渲染是通過對象LabelRenderer來顯示圖形特征對應的屬性文字,用Field屬性來指定來源字段,通過Symbol對象設置字體大小顏色等屬性。簡略代碼如下:

ESRI.MapObjects2.Core.MapLayer lyr=(ESRI.MapObjects2.Core.MapLayer)axMap1.Layers.Item(“Polygon”);

ESRI.MapObjects2.Core.LabelRenderer lb=newESRI.MapObjects2.Core.LabelRendererClass();

lb.Field=“樁號”;

ESRI.MapObjects2.Core.TextSymbol sym=lb.get-Symbol(0);

lyr.Renderer=lb;

this.axMap1.CtlRefresh()。

2)觀測數據查詢及標識功能。MO支持強大的查詢功能,通過SearchExpression方法查找屬性數據庫(dbf)中的數據,實現對圖形特征的查找,并且返回的結果可以閃爍或者變色顯示。Search Expression的查詢表達式支持SQL語言,這樣就可以根據自己需要實現對某一類測點信息的篩選。

3)突出顯示功能。根據自己需要,當某些測點需要著重顯示時,可用標注功能在旁邊繪制“+”“△”等標注符號。可以通過鼠標選中某些測點,并且查看選中測點的一些基本信息。選中功能通過圖層的Search By Distance方法實現。標注功能的效果圖如圖1所示。

4)ACCESS數據庫讀寫。為了縮短實測信息與可視化信息的轉換周期,采用自動從已有的資料管理子系統數據庫中讀取各測點的實測物理量,寫入已建立的關聯數據庫中。這里應用VS.NET所特有的ADO.NET控件可以輕松實現數據庫的讀寫操作。當增加一次測次,增加一個以采集時間命名的字段,再向該列寫入數據即可。

5)測點觀測序列統計圖表功能。圖表功能主要包括兩種:分級渲染圖和柱狀圖。有了這兩種圖,將使測點信息的空間分析更容易。實現圖表功能首先必須實現ACCESS數據庫與DBF數據庫相關聯,通過圖層的AddRelate方法實現兩種數據庫的關聯。

分級渲染圖和柱狀圖通過MO的Chart Render對象即可實現,對于需要顯示的數值,用Group Render對象組合Chart Render和Label Render對象即可實現。此外,由于MO本身不顯示圖例,需要自己繪制圖例。這里通過代碼添加不同底色的Label控件來實現顯示圖例的功能。

MO提供了輸出接口,可將控件當前顯示的圖形輸出為JPEG等圖形文件。代碼為:

this .axMap1 .Expo rtMapToJpeg (path , 100 , true , 1 , ESRI .MapObjects2.Core .Ex port Symbology Scale Constants.moAll SymbologyScaled)。

3 應用實例

以長江河口某大型橋梁的群樁基礎可視化監測系統(這里僅指具有可視化功能的子系統)為例介紹開發的主要技術環節。該橋梁主塔墩群樁基礎由131根直徑2.8 m/2.5 m的超長鉆孔灌注樁[6]組成。為了研究大型群樁基礎的傳力機理,在代表性基樁樁身布置了多個監測斷面。現應用所研發的可視化監測子系統(STview)對代表性基樁的樁頂斷面進行多測點分析。

3.1 單測次可視化分析

這里選擇2005年上半年的一次數據進行分析。該測次數據經過數據管理系統計算之后,自動導入到可視化系統的關聯數據庫中。首先應用統計功能統計出該測次的樁頂軸力各統計值:最大值為 16 MN,最小值為 3.6 MN,平均值為 10.6 MN,總和為253.5 MN。該測次的各樁軸力如圖2所示。從圖2中可以清晰看出,上部荷載經承臺傳遞到各樁的分配情況。總的分配規律是:位于上下游承臺中心區域的基樁樁頂軸力較大,而四周及系梁區的基樁樁頂軸力較小[7]。

3.2 多測次可視化分析

借助柱狀圖可進行多測次可視化分析。仍然以樁頂軸力為例,如圖3所示。不僅可以清晰的看出各基樁的樁頂軸力變化規律,而且各測次軸力的分布情況也一目了然,規律與前面所述的單測次基本一致,即中心區域的樁頂軸力普遍高于周邊區域的樁。

4 結語

引入GIS組件建立起來的群樁基礎可視化監測系統,不僅能使測點信息可視化,而且還能給管理者進行多測點分析提供幫助,有利于提高監測信息的分析效率。此外,本文所介紹的研發思路對于其他橋梁也具有借鑒意義。

[1] 田 鵬,陳景燕,楊松林.地鐵施工變形監測管理分析[J].鐵道勘察,2005(6):36-38.

[2] 吳振君,鄧建輝,閔 弘.基于GIS的滑坡監測信息管理與分析系統[J].巖土力學,2004,25(11):1739-1743.

[3] 陳 松,韓學偉.大型橋梁地基基礎安全監控系統研究[J].水文地質工程地質,2005(5):44-47.

[4] 王獻輝,顧沖時,劉成棟.應用VS[1].NET開發B/S結構大壩安全監測Web系統軟件[J].水電自動化與大壩安全監測,2003,27(3):41-44.

[5] 薛 偉.MapObjects地理信息系統程序設計[M].北京:國防工業出版社,2006.

[6] 游慶仲,董學武,張雄文.蘇通大橋挑戰與創新[J].東南大學學報,2006,36(S2):15-22.

[7] 張雄文,董學武,李 鎮.蘇通大橋主塔墩基礎群樁效應研究[J].河海大學學報,2006,34(2):200-203.