基于ArcGIS的三維可視化深基坑監測系統的研發及應用

夏 鵬 崔宇鵬 張明偉 陳 誠 徐幫樹

(1.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.上海市隧道工程軌道交通設計研究院,山東 濟南 250061)

基于ArcGIS的三維可視化深基坑監測系統的研發及應用

夏 鵬1崔宇鵬1張明偉1陳 誠2徐幫樹1

(1.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061； 2.上海市隧道工程軌道交通設計研究院,山東 濟南 250061)

采用Geodatabase作為空間數據模型，并基于ArcGIS Engine二次組件庫技術和MATLAB BP神經網絡模型，研發出集深基坑監測數據管理、預測預警分析、可視化表達于一體的深基坑監測系統，通過長沙地鐵湘府路車站實例表明，該基坑監測系統能穩定處理大量監測數據。

基坑，監測數據，Geodatabase，ArcGIS Engine

0 引言

基坑工程中，由于影響因素眾多，現有的理論尚不能完全反映工程的各種復雜變化，在這種情況下，就需要通過現場監測來判斷施工是否符合預期要求。傳統的現場監測通過Excel和word文本形式來管理監測數據，當監測數據足夠大時，依賴人工篩選數據進行基坑預報檢測非常繁雜而且容易出錯。

早期的數據庫管理系統主要是基于傳統型的關系型數據庫的管理系統，無法處理地理信息，可視化和空間分析功能不足。具有代表性的有肖躍民[1]、鐘正雄[2]、石杏喜[3]、胡友健[4]、楊佳等人開發的系統[5-8]。

針對以上問題，本文基于Geodatabase空間數據庫技術對深基坑監測相關數據進行地理空間數據模型設計，利用ArcGIS Engine進行二次組件式開發，同時采用目前流行的界面控件插件DevExpress進行界面設計，結合MATLAB程序通過BP神經網絡模型對監測數據進行預測，開發一個集深基坑數據集成管理、預測預警、數據分析、可視化于一體的深基坑監測信息管理系統，對深基坑監測工作具有重要意義。

1 地理數據庫設計

1.1 要素分類

基坑監測數據庫主要包括勘察、設計、施工、監測四大類數據，Geodatabase空間數據庫將具有地理信息的數據以及其屬性信息一起存儲在空間數據庫中，針對深基坑監測的特點，將不具有地理信息的屬性數據存儲在大型關系型數據庫Microsoft Access/ file geodatabase/SQL Server2010中。

屬性數據如圖1所示，主要包括監測數據信息、工程信息、用戶信息、預警信息、施工工況信息。

1.2 要素間關系確定

深基坑監測數據管理要素間關系的關鍵問題是監測點空間要素和監測數據非空間要素屬性表之間的關聯。Geodatabase數據模型實現這種關系主要是通過創建關系類，通過關系類實現一種類型對象與另一種類型對象之間的一對一、一對多、多對多之間的關系。由于篇幅限制，以地表沉降測點屬性表、工程信息表、地表沉降監測數據信息表這三個要素表之間的關系來描述Geodatabase要素間關系的確定。如圖2所示，源表工程信息表通過主鍵工程編號(GCID)字段與目標表地表沉降測點屬性表中的外鍵工程編號(GCID)字段建立起一對多的對應關系。源表監測數據信息表通過主鍵地表測點編號(JCZDID)與目標表(地表沉降測點屬性表)外鍵JCZDID之間建立起一對一的對應關系。非空間要素屬性表之間建立關系也是通過建立關系類實現，如工程信息表與基坑的設計信息表建立關聯也是通過設立主外鍵進行關聯。

2 系統結構設計

2.1 系統總體架構

系統主要由數據采集、數據處理、數據入庫、數據分析這幾部分組成，如圖3所示。在系統建設過程中，體現在數據庫建設和功能設計兩個方面。在深基坑監測中，數據來源主要包括實時監測的傳感器數據、人工監測的數據，以及非結構化的文本、影像、圖片數據。根據數據分類標準對數據進行統計、整理。具有地理空間信息的數據存儲在空間數據庫中，監測數據通過剔除一些不正常數據后，存儲在屬性數據庫中。基于ArcGIS Engine組件式的開發技術，利用ArcGIS強大的地圖管理和空間分析的能力實現數據的編輯、查詢、預測預警的可視化操作，最終生成需要的圖表和報表。

2.2 系統功能設計

根據深基坑監測系統的需求分析，系統主要設計了以下模塊，分別是監測數據的管理模塊、數據的查詢模塊、基于GIS的可視化模塊、監測數據的預測預警分析模塊、監測報表的自動化輸出模塊，以及根據不同用戶需求的用戶管理模塊，如圖4所示。

3 基坑監測系統及應用

3.1 工程背景

湘府路車站位于湖南省長沙市雨花區湘府路，湘府路所處路段交通繁忙，人流量大，道路兩側各種通訊、城市照明管線及給排水管道密布。車站起始里程為DK9+742～DK10+018，有效站臺長為230 m,車站總長為276 m?；邮┕げ捎妹魍诜ㄊ┕?，基坑最大深度為20.41 m，圍護樁最大深度為22.90 m。

深基坑監測系統通過外部接口導入香江路車站的CAD文件數據，生成地圖文件通過GIS建立三維可視化模型如圖5所示。

3.2 監測數據的錄入

監測數據由系統提供兩種數據錄入方式導入檢測數據。第一種根據監測項目和測點編號篩選測點，手動輸入監測數據；第二種通過Excel批量導入的方式。通過對湘府路車站監測數據的整理，直接采用Excel批量導入系統，如圖6所示。

3.3 監測數據查詢

系統提供多種查詢方式，從查詢方式上分為屬性查詢和空間查詢，屬性查詢是基于用戶輸入的查詢條件進行查詢，系統內置SQL查詢語句，用戶只需要輸入查詢條件，交互性強。查詢條件可以為測點編號、監測數據、里程號、測點坐標等等。如查詢條件為“ID=1”，空間查詢是基于位置關系的查詢，空間查詢提供三種查詢方式，普通查詢即為點選查詢、多邊形查詢、圈選查詢?？臻g查詢通過繪制幾何圖形在地圖上選中監測點。通過屬性查詢和空間查詢方法選中的測點在地圖中以高亮的形式表示。測點的屬性信息會在系統界面的?？看翱谥酗@示。選擇相應的測點編號，測點的屬性信息會在DatagridView控件中顯示，同時，系統通過代碼實現了測點信息和監測數據的關聯，選擇相應的測點編號后，點擊眼睛按鈕，就會彈出如圖7所示的監測數據信息。

系統提供多重圖表展示功能對查詢的結果進行顯示，如折線圖、散點圖、柱狀圖、餅狀圖、曲線圖。生成的圖表提供導出功能，也可以插入到生成的報表中，豐富報表內容，如圖8所示。

3.4 監測數據預測預警

數據批量錄入系統之后，系統通過調用MATLAB程序，集成BP神經網絡模型，對監測數據進行預測，當監測數據超過警戒值時，系統將會對所監測的項目進行預警。由于國家標準規范和地方規范中針對同一個監測項目，警戒值也不盡相同，系統提供國家標準、地方標準和項目標準三種預警方法[9-13]。

我們此次檢測選用國家標準。監測超過預警值時，用不同的顏色在地圖中表示達到預警的目的，藍色表示監測點的變形量沒有超限，達到允許限值的60%時，用黃色表示；達到允許限值的80%時，用橙色表示；達到允許限值的100%時，用紅色表示；當監測數據處于之間時，用顏色漸變進行顯示。

監測數據錄入之后的預警效果如圖9所示，由于系統通過代碼實現測點和支護結構的關聯，所以預警位置非常準確且效果明顯。

4 結語

1)根據現行的基坑監測規范，參照前人研究成果，提出深基坑監測數據的分類標準，在此基礎上，給出數據庫表編碼和數據項編碼的標準，根據編碼規則可以對數據進行擴充，按照此標準，可實現基坑監測數據的共享。

2)采用現在使用廣泛的空間數據庫技術管理基坑監測數據，將空間數據和屬性數據放在同一個數據庫中，避免數據庫查詢的時候不停的切換數據庫，使得數據輸入和編輯更加準確，支持海量數據的無縫無分塊存儲、拼接。

3)以ArcEngine 10.2為平臺，利用ArcGIS二次組件庫進行系統開發，采用C#編程語言、VS2012開發環境、第三方控件DevExpress搭建系統界面，Ribbon界面風格簡潔美觀。系統初步實現了監測數據的錄入、管理、編輯、查詢、預警、報表和圖表生成功能。

[1] 肖躍民.某地鐵車站深大基坑開挖量測數據庫管理系統[J].工程設計與研究,1998(3):8-11.

[2] 鐘正雄.基坑工程監測數據庫管理系統的設計及應用[J].地下空間,1998(sup):323-328.

[3] 石杏喜，岳建平，林來俊.基坑監測數據管理系統的研究[J].江蘇地礦信息,2002,27(2):24-26.

[4] 胡友健，李 梅，賴祖龍，等.深基坑工程監測數據處理與預測報警系統[J].焦作工學院學報(自然科學版),2001(2):130-135.

[5] 張友良，陳從新，劉小巍.面向對象的深基坑監測模型及系統開發[J].巖石力學與工程學報,2000(sup):1061-1064.

[6] 謝 偉，高政國.基于Web方式的深基坑監測管理信息系統的設計[J].電腦與信息技術,2005(6):62-64.

[7] 吳振君，王 浩，王水林，等.分布式基坑監測信息管理與預警系統的研制[J].巖土力學,2008(9):2503-2507.

[8] 楊 佳，張志強，張強勇，等.深基坑安全監測信息分析系統的開發與應用[J].地下空間與工程學報,2010(6):1246-1250.

[9] 房師濤，王驍云，龔 昕，等.上海市深基坑基礎數據庫系統設計[J].巖土工程學報,2008(S1):659-662.

[10] 劉俊巖.建筑基坑工程監測技術規范(GB 50497—2009)實施手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[11] GB 50497—2009，建筑基坑工程監測技術規范[S].

[12] 國土資源部信息中心.國土資源數據庫標準及建設規范編制指南[Z].2009.

[13] 水工環信息化建設數據庫表結構規范[S].

The research and applicaticn of 3D visualization deep foundation pit monitoring on the basis of ArcGIS

Xia Peng1Cui Yupeng1Zhang Mingwei1Chen Cheng2Xu Bangshu1

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China；2.ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Jinan250061,China)

Geodatabase was proposes as a spatial data model. Basing on the technology of secondary component library of ArcGIS Engine and MATLAB BP modal, we developed a monitoring method which integrated deep foundation monitoring data management, forecast and early warning analysis and visual expression into one system.Taking the Xiangfu Road Station of Changsha Subway as an example, it is proved that this monitoring system can process a large number of test data stably.

foundation pit, monitoring data, Geodatabase, ArcGIS Engine

1009-6825(2017)01-0083-04

2016-10-27

夏 鵬(1989- )，男，在讀碩士； 崔宇鵬(1990- )，男，在讀碩士； 張明偉(1989- )，男，在讀碩士； 陳 誠(1990- )，男，助理工程師； 徐幫樹(1974- )，男，博士，副教授

TU463

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