變形監測數據的向量法可視化分析模型
——以珠海發電廠循環水泵房觀測數據為例

李會林

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

變形監測數據的向量法可視化分析模型
——以珠海發電廠循環水泵房觀測數據為例

李會林*

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519000)

針對當前變形監測缺乏整體趨勢分析的不足，本文提出了觀測數據的向量分析法，該法以向量為工具，在數據處理時將變形向量載入數據處理系統中，從而生成可視化程度較高的向量分析成果圖。利用珠海發電廠循環水泵房觀測數據，本文繪制了泵房位移向量圖和等沉降曲線圖。實驗表明，這種表示方法既簡單科學，又能反映變形的整體趨勢，不失為一種良好的變形數據處理新方法。

變形監測；向量；可視化；等沉降曲線圖

1 引 言

變形觀測是建筑工程在施工階段和運營階段必須進行的一項工程監測任務，它對預防重大質量安全事故的發生具有警報作用[1]。隨著測繪科技發展，目前變形監測的技術不斷完善和成熟，變形監測數據處理也日趨多樣化，各種監測數據處理系統也應運而生[2～4]。根據2007版《建筑變形測量規范》，數據處理應采用相應的數學模型，成果圖簡潔明確，能反映變化量與時間或其他要素的關系。根據規范，沉降觀測成果圖一般為時間-荷載-沉降量圖、縱橫斷面圖、荷載-沉降量-深度曲線圖等；位移觀測成果一般為深度-位移圖和時間-位移圖[5]，這些圖件的共同特點是能反映變化量與時間或荷載的精確關系，反映建筑物變形特點，但同時也暴露出一定不足，如不同觀測點變形量的整體趨勢分析不足，可視化程度不高等。針對這些問題，本文提出一種位移向量分析法，在CASS中繪制了位移向量圖，并在Surfer軟件中繪制了等沉降曲線，以解決上述變形圖件在數據分析與顯示方面的不足。

2 向量表示法

2.1 位移向量表示法

傳統的深度-位移圖可以定量描述位移隨深度或其他參數的變化情況，然而無法表示位移的方向，這對災害或工程質量分析是不利的。圖1(a)為某工程實測的大面積加荷引起的水平位移沿深度分布線[5]，從圖中可以看出右邊曲線深度為 6 m時最大位移量為 3.7 cm，然而位移的方向卻無法獲知。向量是既有方向又有大小的量，可以表示位移移動的方向和大小。在觀測點所在平面內，如果以第一期觀測數據為準，那么在其他觀測期中各觀測點的動態變化可以用向量表示圖1(b)。

圖1 位移圖的向量表示法

2.2 沉降量表示法

礦體TEN之所以能進行邊界計算，是由于TEN具有定位準、外表為平面和始終保凸三個特點[8]，因此TEN是不規則礦體建模的首選。在2D條件下，TIN的關系由“邊層次”決定，在3D條件下，TEN的關系由“面層次”來決定。三角形綁定了兩個相鄰的四面體，雖然位于三角形左右的四面體在三維環境中沒有什么意義，但是它決定該面的法向量的方向，這在礦體分析中會起到作用。在這里用n+1個結點表示TEN中的n維單純形(Sn)，那么沉降量的現有成果圖件多為時間-沉降量圖和等沉降曲線圖，其中時間-沉降量圖是采用二維圖表示沉降量隨時間的變化，一般在同一坐標系中繪制單點或多點在所有觀測周期內的沉降量，這是沉降測量最常規的表示方法；等沉降曲線是采用類似等高線的繪制方法，利用此圖可查出變形大致相等的區域，其優點是變化情況顯示直觀，可視性強，能夠進行定量分析，反映沉降變化整體特征。

3 向量分析法應用

本研究中采用的數據是廣東省珠海發電廠一期建(構)筑物沉降、變形觀測數據，整個廠區的沉降觀測網布設了三個基準點DBM1、DBM2、DBM3，點位分布在山腳下的基巖上，利于保存和使用，點位穩定可靠。水平變形監測的基準點布設三個，點號分別為DG01，DG02，DG03，均勻分布于山頂、輸煤控制室辦公樓頂、油碼頭的樁基礎上。沉降觀測按照《建筑變形測量規范》采用二級精度施測，水平變形采用GPS測量與全站儀小角度法相結合的方法觀測。由于觀測建(構)筑物繁多，研究中選用的是循環水泵房的水平、沉降觀測數據，循環水泵房的位移、沉降監測點布設如圖2所示。

圖2 循環水泵房的監測點布設

3.1 位移的向量表示法

以珠海發電廠循環水泵房的第一、二期觀測數據為例(表1)這里用向量法表示了位移變形量。第二次觀測位移相對于第一次的增量為△x、△y，它是確定位移方位的依據，在向量表示時，以象限角方位代替位移方位，根據△x、△y的正負4各組合，判定向量的象限角所在象限[6]，最終確定向量的8個方位，如果需要精確表示，可由△x、△y反算出向量象限角或坐標方位角，依據角值判定各監測點的位移方向。

珠海發電廠循環水泵房第一、二期水平位移觀測數據 表1

在南方CASS中，根據△x、△y反算出向量象限角，并對D19-D26點進行向量圖繪制，由于實際變形量太小，這里將向量模放大了2 000倍，循環水泵房的第一期、第二期變形情況如圖3所示。由圖3可以可知，循環水泵房的8個監測點中，D25變形值最大，D24變形值最小，各點位移方向呈不規律變化，從而證明位移變化不一致，建筑物是比較安全的。如果變形值或方向呈現出一定規律性，那么就要通過多次觀測確定該建筑是否存在結構性破壞，及早采取預警措施。

圖3 循環水泵房第二期相對于第一期位移向量圖

3.2 沉降量的向量表示法

珠海發電廠循環水泵房沉降觀測水準網布設成多結點的結點網，進行單程觀測，并采用南方平差易2005水準網嚴密平差程序進行平差計算。觀測時間從2004年11月15日開始，到2014年11月15日，共進行了20次觀測，觀測中采用了固定儀器、固定人員、固定測量方法的三固定原則，經檢驗，觀測成果準確可靠，其中D19-D26點20期觀測數據的沉降量-時間圖如圖4所示。

圖4 循環水泵房D19-D26點20期沉降量-時間圖

應用沉降量的向量表示法，可以制作任意兩期沉降量變化圖。基于Surfer軟件，這里利用循環水泵房dwg文件、第十期沉降觀測數據進行建模繪圖，得到第十期沉降量相對于第一期的等沉降曲線圖(圖5)，其中以沉降量增量數據為繪制要素、以 0.2 mm為等沉降曲線間隔，并進行了分層設色。

圖5是用Surfer繪制的等沉降曲線圖，Surfer在繪制等值線圖和三維圖時，有獨特的可視化表達方式[7，8]，尤其適宜于繪制等值線圖。圖5表示第十期沉降相對于第一期沉降的等沉降量變形圖，從等沉降曲線圖可以看出在D23處沉降量最大，等值線較密，D25處沉降量較大，而D19、D20、D26所處的泵房東部，沉降量變形小且比較均勻，整個循環水泵房由東向西沉降量逐漸增大。

圖5 等沉降曲線圖與沉降向量圖

4 結 論

基于珠海發電廠循環水泵房的位移與沉降觀測數據，本文提出了位移的向量圖數據處理方法。與傳統的方法相比，該法具有直觀易讀、可視化程度高、易于反映變形趨勢特征的優點。位移向量圖解決了過去位移監測變化只能反映增量，無法反映趨勢以及可視化程度不高的問題；等沉降曲線圖反映了兩期數據在沉降量大小、變形趨勢等方面的特征，該圖可視性強，能夠反映沉降量整體變化特點。除此之外，將各期沉降向量圖疊加，可得到整個建筑在各時段的變形特點，如果存在變形異常，可以及時提供變形預警，真正達到變形觀測為預警服務的目的。

[1] 王炎，丁衛平. 高層建筑物沉降觀測方案設計探討[J]. 北京測繪，2013(4)：83～85.

[2] 韓正，杜海霞，龍飛，薄懷志. 高層建筑沉降觀測及其數據分析[J]. 城市勘測，2009(1)：108～110.

[3] 胡冬芽，宋奇海，蘇鐵柱. 沉降觀測數據處理系統的構建與設計[J]. 測繪通報，2012(6)：25～27.

[4] 謝桂娟. 沉降觀測數據處理系統的設計與實現[D]. 合肥：合肥工業大學，2012：15～40.

[5] JGJ8-2007. 建筑變形測量規范[S].

[6] 吳立軍. 測量學[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2006：110～113.

[7] 宋明藝. 借助Surffer軟件實現快速繪制平面等值線圖[J]. 工程地球物理學報，2013，6(2)：244～246.

[8] 胡剛，張金龍. Surfer在沉陷監測中的應用研究[J]. 煤炭技術，2011，30(5)：182～184.

Visual Analysis Model for Deformation Monitoring Data Based on Vector——Taking the Observation Data of the Circulating Water Pump House of Zhuhai Power Plant as an Example

Li Huilin

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519000，China)

For lack of the overall trend analysis of the current deformation monitoring，this paper presents the vector analysis method for the observational data，the method takes vector as a tool，and the deformation vector was loaded into the data processing system while data processing，thus the vector analysis map with high level visualization was generated.By using the monitoring data of circulating water pump house of Zhuhai power plant，displacement vector and equal settlement curve diagram of the pump house have been drawn.Experimental results shows that this method is simple and scientific，and it can reflect the whole trend of deformation，furthermore，it is a new good method for deformation data processing.

deformation monitoring：vector：visualization：equal settlement curve

1672-8262(2016)06-123-04

TU196

B

2016—05—28

李會林(1982—)，男，工程師，主要從事城市測量技術工作。