GIS 空間分析在城市地下軌道建設(shè)的應(yīng)用研究

王翠 馮劍 王玨 張莉潔

(陜西省渭南市城鄉(xiāng)規(guī)劃測(cè)繪服務(wù)中心，陜西 渭南 714000)

0 引言

隨著我國(guó)土木建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市地下軌道的建設(shè)工程日益增多。在地下軌道施工過(guò)程中，不可避免地對(duì)巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起的土層變形可能影響地面建筑物和既有管線設(shè)施，變形達(dá)到一定程度時(shí)將影響到地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。因此地下軌道施工引起的地層移動(dòng)與變形，尤其是在地面建筑設(shè)施和地下管線密集的城市中施工所造成的影響及其控制途徑，一直是人們關(guān)注的課題。為了有效地預(yù)防和減少地下軌道施工所引起的沉降和變形及其對(duì)周圍環(huán)境造成的損害，對(duì)地下軌道工程在施工過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

城市地下軌道施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，采集數(shù)據(jù)量非常大。目前，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大多以表格形式表示，形式單一、枯燥，管理者和施工單位無(wú)法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的、可視化分析，更不能立刻依靠數(shù)據(jù)判斷施工的進(jìn)展?fàn)顩r。因此，大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能以直觀的，可視化的方式把數(shù)據(jù)展現(xiàn)出來(lái)，并且依靠這種直觀且可視化的數(shù)據(jù)，管理者和施工者能夠判斷當(dāng)前施工狀況，甚至做出正確的決策分析，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

1 GIS概述

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)具有數(shù)據(jù)采集、輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理、空間分析、查詢、輸出和顯示功能，為系統(tǒng)用戶進(jìn)行預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)、規(guī)劃管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。GIS技術(shù)的發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。目前，隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件集成技術(shù)以及3D技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，GIS的主要研究領(lǐng)域和發(fā)展趨勢(shì)有:Web GIS，Com GIS，3D GIS和Open GIS等，它們都是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型和用途發(fā)展起來(lái)的。

與二維GIS相比，三維GIS對(duì)客觀世界的表達(dá)能給人以更真實(shí)的感受，它以立體造型技術(shù)向用戶展現(xiàn)地理空間現(xiàn)象，不僅能夠表達(dá)空間對(duì)象間的平面關(guān)系，而且能描述和表達(dá)它們之間的垂向關(guān)系;而且對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析和操作，是三維GIS特有的功能。

2 基于GIS的城市地下軌道施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間分析

2.1 GIS空間分析

從側(cè)重空間信息的提取和空間信息傳輸角度考慮，空間分析是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)，其目的在于提取和傳輸空間信息。分析對(duì)象是地理目標(biāo)的位置和形態(tài)特征，可將空間信息分為:空間位置、空間分布、空間統(tǒng)計(jì)、空間關(guān)系、空間關(guān)聯(lián)、空間對(duì)比、空間趨勢(shì)和空間運(yùn)動(dòng)。隨著空間分析向更深層次發(fā)展，空間分析逐步走向決策提供支持、空間分析對(duì)象是與決策支持有關(guān)的地理目標(biāo)的空間信息及其形成機(jī)理。

2.2 基于GIS的三維統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)圖(Statistical Chart)是專題地圖中經(jīng)常應(yīng)用的一類符號(hào)，用于表示制圖要素的多項(xiàng)屬性，如多項(xiàng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)或定點(diǎn)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)等。柱狀圖(Bar Chart)是常用的統(tǒng)計(jì)圖中的一種，用于表示制圖要素的兩項(xiàng)可比較的屬性或者變化趨勢(shì)。冠狀圖中有三個(gè)柱體分別表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始值，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率。初始值與當(dāng)前值柱體之間的高度差反映出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)間段里的沉降變化。兩種柱體的高度差越小，說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某短時(shí)間的沉降量越小，處于穩(wěn)定狀態(tài)。相反，如果兩個(gè)柱體之間的高度差越大，則說(shuō)明監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某段時(shí)間里的沉降量越大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

如某個(gè)點(diǎn)的代表沉降速率的柱體越高，說(shuō)明這個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在這一時(shí)期的沉降速率越大，反之，則沉降速率越小。比較所有的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率柱體，如果柱體整體的高度均勻，說(shuō)明在這個(gè)區(qū)段里，區(qū)間地表沉降相對(duì)比較穩(wěn)定。如果某一部分的柱體高度較高，說(shuō)明這部分所分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較快，發(fā)生異常。

因此，當(dāng)出現(xiàn)初始值柱體與當(dāng)前值柱體之間的高度差較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，或者經(jīng)比較有較高的沉降速率柱體出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即查看這些對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，若這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量超出了限值(30 mm)，則應(yīng)立即對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行查看，做出相應(yīng)的安全措施。

2.3 基于ArcScene的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

三維數(shù)據(jù)顯示提供了逼真的觀察視覺(jué)。ArcScene允許建立多圖層場(chǎng)景，并控制場(chǎng)景中每個(gè)圖層的符號(hào)化、三維空間定位和渲染。

圖1 地圖在ArcScene中的三維顯示

在ArcScene中，添加地鐵施工監(jiān)測(cè)圖形數(shù)據(jù)，地圖已在ArcS-cene中三維顯示，如圖1所示。以區(qū)間地表沉降點(diǎn)層為例，對(duì)地鐵施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。選用累計(jì)沉降值屬性字段值作為高程，通過(guò)選定層的Properties命令，在打開的Layer Properties對(duì)話框中選擇Base Heights標(biāo)簽，用Use a Constant value or expression to set heights for layer的方式建立高程。完成后可以看到二維要素被三維顯示，即區(qū)間地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照累計(jì)沉降值作為Z軸在三維空間中顯示，如圖2所示。從圖2中可發(fā)現(xiàn)，幾乎所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布狀態(tài)都呈現(xiàn)回歸法分布，用Identity方法查詢這群點(diǎn)的最下面的點(diǎn)屬性信息，可以看到，其累計(jì)沉降值為－17.6 mm，在限值(30 mm)范圍內(nèi)，由此可知這群監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降值也都在限值(30 mm)范圍內(nèi)，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生異常沉降。

從圖2還可發(fā)現(xiàn)有一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，已脫離其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獨(dú)自處于較遠(yuǎn)的位置，可斷定，此監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)異常。用Identity方法查詢其屬性值，如圖3所示，發(fā)現(xiàn)其累計(jì)沉降值為－41.1 mm，已經(jīng)超出限值(30 mm)范圍，在這種情況下應(yīng)立即察看此點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)情況，做出相應(yīng)的安全措施。由圖2點(diǎn)的空間分布位置可知，大多數(shù)點(diǎn)的分布都處于穩(wěn)定狀態(tài)，從這個(gè)狀態(tài)可以判斷出這一時(shí)期地鐵隧道施工過(guò)程中，這一區(qū)間的沉降情況也處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，未發(fā)生嚴(yán)重沉降情況。

圖2 以累計(jì)沉降值為Z軸的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維顯示

圖3 用Identity方法查詢點(diǎn)的屬性值

3 結(jié)語(yǔ)

基于GIS軟件平臺(tái)創(chuàng)建沉降監(jiān)測(cè)的三維統(tǒng)計(jì)圖和三維模擬圖，可以使決策者和施工人員及時(shí)了解變形情況，獲取沉降信息，為施工和決策提供有力的技術(shù)支持。地理信息系統(tǒng)是介于信息科學(xué)，空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科。地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣，在工程中的應(yīng)用多集中在邊坡變形監(jiān)測(cè)和地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)方面，如何在土木工程領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用GIS，需要各個(gè)方面專業(yè)人士的共同努力和不斷探索。

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