GIS在高層建筑施工測量數據管理中的應用研究

康文海

（四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610500）

0.引言

隨著科技的進步與經濟的發展，一線城市的用地愈發緊張，為減少占地面積，建筑物逐漸由水平發展走向垂直發展。高層與超高層建筑越來越多。超高層建筑指高度達100 m以上或樓層數超過40層以上的建筑物。通過文獻研究可知：日本634 m的東京晴空塔、我國600 m的廣州塔與600 m的深圳平安大廈均屬于超高層建筑[1]。眾所周知，高層建筑的施工難度與技術要求更高，文獻[2]中指出，建筑施工測量工作是高層建筑工程中的先導性工作。當前，高層建筑的測量要求逐漸提升，外界環境的變化會對施工測量工作造成較大影響。因此，如何選用恰當的技術對施工測量數據進行有效處理和分析成為高層建筑施工測量中的難點。

本研究選用地理信息系統（GIS）作為高層建筑施工測量數據處理的主要技術。GIS是隨著地理科學、計算機技術、遙感技術和信息科學的發展而產生的一個學科[3，4]，其能把地圖的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫進行集成，將此技術應用于高層建筑的施工測量中，可以提高高層建筑測量數據管理的能力及測量結果的可信度。

1.GIS系統在高層建筑施工測量中的數據管理設計

此次應用設計的重點在于使用GIS系統的數據處理技術優化傳統高層建筑施工測量的不足，以提升高層建筑施工測量的數據處理能力，避免由于數據問題造成的測量誤差。

1.1 構建測量坐標系

在高層建筑施工測量時，為便于GIS系統的數據管理應用，需構建相應的測量坐標系，便于采集測量數據。本研究采用地球坐標系的形式，構建建筑與地球體相關聯的坐標系[5]，對地球坐標系的表現形式進行研究，將地球空間坐標系與大地坐標系相結合，如圖1所示。

圖1坐標系

由圖1可知：設定上述坐標系中參考面的長半軸為a，短半軸為b，且此參考面為橢圓形。參考面的幾何中心與高層建筑的直角坐標系原點重合。短半軸b與直角坐標系的Z軸重合。建筑物當地的緯度設定為B，其經過地面點S的圓形法線與參考面XOY平面形成夾角，設定XOY的OZ軸方向為正；大地經度L設定為經過地面點的ZOY平面與子午面的夾角，將ZOX右旋后的方向設定為正方向；建筑物高度h設定為經過E點的法線到參考面的距離。高層建筑的直角坐標系轉換為地面坐標系，并使用此坐標系完成測量工作。

1.2 施工測量設備優化

為有效開展測量數據的采集工作，需對施工測量中使用的工具與設備展開優化。

為保證測量結果的精度，在工程施工過程中，采用精密水準儀作為主要高層建筑測量儀器。設定此設備的測量精度標準差為0.1 mm，高度測量精度為0.1 ppm，最小讀數0.01 mm。在測量過程中，可提速40%，以此消除因焦距導致測量結果誤差較大的問題。此設備中設定多種建筑的測量模式，采用傾斜補償器作為測量結果有效性的保障。使用精密水準儀測量高層建筑，測量數據自動存儲在儀器的內存卡上，在每次測量結束后，導出測量數據，并記錄相應的測量時間。

在測量過程中，將測量的基準點設定在建筑物外部輪廓上，使基準點組成閉合水準導線，并將其城市導線點進行量測，以此得到基礎數據。

1.3 測量數據處理

通過上述測量，在得到基礎數據的基礎上，將基礎數據導入GIS系統中，對高層建筑展開分層處理，在施工過程中逐步增加數據處理量，每升高4～5層時，做一次重新觀測，結構封頂后完成觀測過程。為保證測量結果的精準度，對測量后的數據進行處理。在此次研究中，使用數據融合技術，剔除系統測量誤差數據。

將獲取的數據通過線性離散方程表示，如式（1）所示：

式（1）中，xi為i時測量結果的狀態；Mi-1為i時刻線性離散方程狀態轉移矩陣；xi-1為i-1時GIS系統輸入的控制量；Ni-1為GIS系統控制輸入xi-1的增益矩陣；yi為i時刻的高層建筑外部測量值；Pi為觀測矩陣；Ki-1為i時刻GIS系統內部的系統噪聲；ji為系統量測噪聲。

在此次數據處理過程中，利用卡爾曼濾波融合算法中的先驗估計與后驗估計之間的關系對GIS系統測量數據進行濾波融合。設定數據的先驗估計為-i，后驗估計為+i。則i時刻下的測量數據序列可表示為時刻下的數據先驗估計如式（2）所示：

確定i時刻GIS系統的先驗估計xˉ-i與后驗估計后xˉ+i，為明確測量數據與系統之間的關系，對先驗估計xˉ-i與后驗估計后xˉ+i的協方差進行求解，如式（3）所示：

通過式（2）對式（3）兩側添加同等期望，則i時刻測量結果x均值與i-1時刻測量結果x均值之間的關系，如式（4）所示：

通過式（4）對GIS系統測量后的高層建筑數據進行檢驗并剔除無效數據，以保證測量結果的可靠性。至此完成高層建筑施工測量的數據測量與數據處理部分。

2.測試研究

基于上述應用設計部分，開展GIS系統高層建筑施工測量應用測試，以驗證本研究中GIS系統高層建筑施工測量應用內容的可行性。

2.1 試驗場地設定

在此次試驗過程中，將某大學校園的施工場地作為測試對象。在施工場地中進行工業數字攝像機實時監測設定。考慮到測量過程中會出現行人車輛干擾與視線通道干擾等問題，所以將測量設備安裝至高層建筑的外部輪廓中，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》，將測量中產生的正弦函數作為計算參數。根據上述設定，試驗場地與測量點的設定結果如圖2所示。

圖2試驗場地

在此次試驗中，采用GIS系統高層建筑施工數據處理方法、傳統高層建筑數據處理方法及應用文獻[4]的高層建筑數據處理方法，對試驗場地目標建筑測量的基礎數據進行分析與處理，對比三種方法的數據處理差異性及測試結果。

2.2 試驗儀器設定

在此次試驗中，為保證三種高層建筑測量方法可在同一試驗環境中運行，對試驗中使用的設備儀器展開設計。試驗設備包含工業數字攝像機、變焦鏡頭、自開發系統。此次試驗中使用的工業數字相機型號為GE1050，圖像分辨率為1024×1024，其變焦鏡頭最遠焦距為1000 mm，可實現對超高層建筑的施工測量。此試驗設備與預先設定的試驗場地作為試驗對比平臺。

2.3 試驗對比對象

在此次試驗過程中，設定試驗對比對象為垂直測量數據處理結果的誤差值。為提升試驗的可對比性，設定目標建筑的測量距離為10 m、50 m、100 m。通過不同測量距離對比三種高層建筑測量方法的數據處理效果差異。

2.4 試驗結果分析

10 m測量距離試驗結果如圖3所示。

由圖3可知：當測量距離較近時，三種高層施工測量方法的垂直距離測量數據誤差值大致相同，未出現某種方法處理效果最佳或最差的情況。由試驗圖像分析可知，當測量距離較近時，三種方法對于高層建筑測量的數據處理能力較強，誤差值均較低。因而，在首次使用中，未發現三種高層建筑測量數據處理方法的差異。

圖3 10 m測量距離試驗結果

50 m測量距離試驗結果如圖4所示。

此次試驗擴大了測量距離，增加了高層建筑垂直距離測量的數據處理難度，三種方法的垂直距離測量數據處理效果逐漸出現變化。文中提出的運用GIS測量法的誤差值較低，且在多次測量過程中誤差值變化較小。采用文獻[4]技術的測量方法在使用過程中未出現誤差值波動過大情況，但仍具有較高的誤差值。傳統方法的處理誤差值較高，但符合建筑工程的相關要求。對上述試驗結果進行綜合分析可知：測量距離對數據處理結果的誤差值產生影響，應控制測量距離，以保證數據處理與分析的有效性。

100 m測量距離試驗結果如圖5所示。

此組為垂直距離測量最大的試驗，在此次試驗中完成三種測量方法的對比。通過試驗結果可知：文中提出的應用GIS系統的高層測量方法的垂直距離測量數據處理結果優于其他兩種方法。文中提出的方法在三次試驗過程中，均未出現數據處理結果誤差值過高的問題，其結果的可靠性較穩定。用文獻[4]技術的數據處理效果較平穩，但相比文中提出方法仍有不足。傳統的高層建筑數據處理分析方法的誤差值較大。綜合上述試驗結果可知：文中提出方法的測量數據管理效果最佳。

圖4 50 m測量距離試驗結果

圖5 100 m測量距離試驗結果

3.結束語

本研究針對傳統高層建筑測量數據處理分析方法存在的問題，提出基于GIS系統技術的數據處理方法。試驗結果表明：使用該方法進行高層建筑測量數據的分析處理結果具備有效性。在研究過程中，由于較少考慮天氣因素對測量結果造成的影響，故在測量時可能出現因外界環境導致的誤差。在日后研究中，將對外界環境對高層建筑施工測量方法的影響展開進一步研究。