基于ArcView GIS的沉降觀測數據三維分析研究

張海龍

（北京市地質工程設計研究院，密云 101500）

基于ArcView GIS的沉降觀測數據三維分析研究

張海龍

（北京市地質工程設計研究院，密云 101500）

本文在了解國內外沉降觀測研究現狀的基礎上，從變形觀測的理論出發，探求提高沉降觀測操作的質量，并結合亞奧國家廣場建筑物沉降觀測實例，對測量所得到的沉降監測數據進行科學整理。文章從理論分析入手，結合沉降觀測收集數據，然后在相關理論支持下進行監測數據的分析。在數據分析過程中，著重運用GIS軟件實現沉降的三維模擬，并繪制沉降等值線，直接、美觀的再現了沉降的過程。經過分析，得出亞奧國際廣場建筑物沉降狀況的合理性，并提出了提高沉降觀測質量、科學整理數據和成果分析的相關建議。

沉降觀測；數據分析；三維可視化

0 緒論

國民經濟高速發展的階段，城市化進程加快。各種各樣設計新穎、結構復雜的建筑涌現于大都市之中。隨著土地資源日漸減少與人口增長之間的矛盾日益突出，高層及超高層建筑越來越多。于是，建筑結構與基礎的安全穩定問題成為現今建筑行業最最關注的焦點。沉降觀測的重要作用日趨明顯，特別是在高層建筑物施工過程中應用沉降觀測加強全過程監控，指導合理的施工工序，預防在施工過程中出現不均勻沉降，及時反饋信息為勘察設計施工部門提供一手資料，避免了因沉降原因造成建筑物主體結構的破壞或產生影響結構使用功能的裂縫，造成巨大的經濟損失。對建筑物進行沉降觀測也是國家規范要求必須執行的，國家現行規范規定，高層建筑物、高聳構筑物、重要古建筑物及連續生產設施基礎、動力設備基礎、滑坡監測等均要進行沉降觀測。

0.1 研究的內容及意義

本文以沉降觀測實際項目的實施過程和測量數據為基礎，通過項目的操作和數據的處理，研究沉降觀測提高精度的方法和數據處理的新方式，即以GIS為平臺實現數據分析的三維顯示。其目的是更好地指導工程施工，預防出現不均勻沉降，造成建筑物的安全隱患。

0.2 亞奧國際廣場沉降觀測工程概況

亞奧國際廣場位于北京市朝陽區慧忠里，為商住樓，地下3層，筏基，局部為地下車庫，與主樓同一底板。建筑物層高不同，其中A座9層，B座17～20層，C座9層，D座4層；相鄰兩樓間有后澆帶，共有3條后澆帶。這個工程與其他工程的不同之處就在于從整體來看建筑物樓層不同，可能存在不均勻沉降問題，并且存在后澆帶等問題。

（1）沉降觀測點的布設

此次觀測的目標為亞奧國際廣場的建筑物，并且樓的層高不同，沉降觀測點的布設以建筑物結構及首層平面設計為依據，共布設50個觀測點。其中地上點23個，地下點27個。本文僅以地上觀測數據為例進行數據整理與分析，并實現GIS的三維顯示。

地上監測點點分布情況詳見下圖1。

圖1 地上觀測點位分布圖

（2） 觀測周期

①首先對已做基點進行聯測，通過觀測值判定其穩固后作為基準點長期觀測使用，前3次必須與基點進行聯測，以后每2月進行聯測1次；

②待建筑物一出自然地坪就需要在首層布設監測點進行觀測，待其與結構牢固后（約5天左右）就可進行第一次觀測。因建筑物層高不同，根據規范要求，每增高1層觀測1次，隨施工同步觀測至4層，通過4層隨施工觀測得到準確的沉降量后，自5層開始每增高2層觀測1次，至最高樓層封頂時約需觀測12次，共計16次。

③主體竣工后，還應根據后期工程施工情況對其建筑物每月觀測1次，約計6次。

④工程全部完工后，可根據需要布設隱蔽點，每季度觀測1次，約計4次。通過對觀測成果的沉降分析，確認沉降變化穩定后方能結束觀測工作。

（3）亞奧國際廣場建筑物沉降觀測內業計算及成果分析

本文僅以地上觀測數據為例進行數據整理與分析，并實現GIS的三維顯示。于是,下面僅將地上觀測點的觀測數據進行整理并列表。

地上沉降觀測點沉降觀測成果表見附錄。

由沉降觀測成果表可以得到各次觀測的每點各期平均沉降量與沉降趨勢、沉降速度與發展趨勢，并為建筑物的數據分析提供數據基礎。

0.3 ArcView GIS簡介

ArcView是世界上最為廣泛使用的GIS桌面軟件。利用其大量的符號和強大的地圖功能，用戶能夠方便地創建高質量地圖。ArcView使得數據的管理和編輯很省事，任何人都可勝任。他為普通GIS用戶提供了一個通用的技術平臺，同時又具有強大的地理數據顯示、查詢、統計分析和制圖設計的能力，而且用戶界面友好，易于使用。

ArcView通過在邏輯工作流程中，設置可視化的任務模型來簡化復雜的分析和數據管理任務。非技術性用戶也可容易地操作ArcView，經驗豐富的用戶可利用復雜的工具進行高級的地圖設計、數據整合及空間分析。

ArcView 整個系統由基本模塊和可擴充功能模塊構成,可擴充功能模塊包括:空間分析模塊、網絡分析模塊、三維分析模塊、繪圖輸出模塊、影響分析模塊、追蹤分析模塊、ArcView 因特網發布模塊,其中三維分析模塊是沉降觀測數據分析和三維顯示的核心部分。

1 基于ArcView GIS的沉降觀測數據分析及可視化

地理信息系統（GIS）軟件是當前應用十分廣泛的數據分析軟件。地理信息系統（GIS）具有強大的功能，它不僅能夠對多種數據進行屬性建庫，實現各種空間分析，而且還能夠實現分析結果的三維顯示，使問題的分析結果變得直觀易懂。然而，GIS常被應用于自然資源管理、各種突發事件的規劃、市場分析、設施規劃、運輸規劃以及軍事上，但是在工程測量方面的相關應用卻鮮有實例，以往對于建筑物沉降變形的觀測結果多是以數據和圖表形式表現，沒有三維模擬的表現形式，很難直觀地掌握建筑物的空間沉降情況，以下探求利用ArcView GIS 3.3軟件中的空間分析和三維分析模塊來實現亞奧國際廣場建筑物沉降觀測數據分析及其三維可視化模擬。

1.1 沉降觀測三維模擬建立步驟

（1）Arcview三維分析模塊、空間分析模塊等相關模塊的裝入

①打開ArcView 3.3，點擊【File】下的【Extensions】中的“3D Analyst”“Spatial Analyist”等復選框,點擊OK來添加相關分析模塊。如下圖2所示：

圖2 ArcView 3.3添加功能模塊操作界面

②指定 ArcView 將要創建的面狀主題的 Shape 文件的名稱為“亞奧大廈”，并在隨后出現的新的對話框內找到相關路徑保存，單擊“OK”鈕。一個新的、空白的主題將出現在當前視圖的主題目錄表中。在繪圖工具板中點擊輸入多邊形圖標，用鼠標依次輸入亞奧國際廣場建筑物的各個拐點，雙擊表示完成最后一點，多邊形自動封閉。如下圖3：

圖3 在ArcView 3.3中創建的亞奧國際廣場建筑物平面的成果圖

（2）標繪參與分析的沉降觀測點

①視圖窗口界面中，選定“視圖”【View】。

②在彈出的對話框內選擇想要創建的新主題【New Theme】的圖形要素類型，選擇Point，并點擊OK。

③標繪出亞奧大廈沉降點，指定 ArcView 將要創建的點狀主題的 Shape 文件的名稱為“沉降點”，并在隨后出現的新的對話框內找到相關路徑保存，單擊“OK”鈕。并對各點進行標注和數據的錄入，見下表1，表4。

表1 沉降觀測點屬性數據錄入表

圖4 在ArcView 3.3中標繪的沉降點圖

（3）利用觀測點和內插點生成DEM(數字高程模型)

①從【Surface】菜單中選擇【Interpolate Grid】命令。

②在出現的Output Grid Specification對話框中設定輸出主題的范圍、柵格單元大小及柵格行、列數。

③接下來出現的Interpolate Surface對話框中，從Method列表中選擇IDW（注意：在菜單中只有IDW和Spline兩種內插方法可以選擇）。在Z Value Field列表中選擇celiangs字段，單擊OK。 利用沉降點數據和內插點生成柵格主題如下圖5：

圖5 沉降點觀測數據和內插點生成的DEM及圖例

④為了便于觀看，給生成的亞奧國際廣場DEM加色并將其與亞奧國際廣場建筑物的輪廓重疊顯示如下圖6：

圖6 生成的DEM與亞奧國際廣場建筑物的輪廓疊加效果圖及圖例

從生成的DEM與亞奧國際廣場建筑物的輪廓疊加效果，參照圖例不難看出：生成的DEM中顏色越淺，代表的沉降量越大；反之，顏色越深，代表的沉降量越小。

⑤激活“亞奧大廈. Shape”，選擇【Theme】菜單下【Convert to Grid】將“亞奧大廈. Shape”柵格化，并選擇【Analysis】菜單下【Map calculator】用其與沉降點數據生成的DEM做乘法運算，生成以亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM，操作過程及生成圖形如下圖7、圖8。

圖7 Map Calculation操作界面

圖8 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM及圖例

（4）三維可視化

打開【3D Scene】功能視窗,分別將亞奧國際廣場建筑物數據的內插生成的DEM和以亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM都添加到視窗內,通過改變此對話框內相應屬性Surface、Z factor 、Offset heights by value or expression 來設置三維模型的參數。

①按下（Add Theme圖標按鈕），分別添加并激活亞奧國際廣場DEM和以亞奧廣場建筑物為邊界的DEM。

②打開并點擊三維場景中的按鈕，以顯示DEM層面。

③分別激活兩個DEM數據層面，再點擊【Theme】菜單下的【3D Properties】，設置【3D Properties】下的Base heights為Surface選項，分別設置Surface的文件名兩個DEM數據層面的文件名，設置高程的偏移量(Offset Heights)為0，如圖9。

圖9 3D Theme Properties對話框

④然后激活層面亞奧廣場建筑物為邊界的DEM，再點擊【Theme】菜單下的【3D Properties】，設置【3D Properties】下的Base heights為Surface選項，分別設置Surface的文件名兩個DEM數據層面的文件名，設置高程的偏移量(Offset Heights)為0，如圖10。

圖10 3D Theme Properties對話框

⑤點擊【3D Scene】菜單下的【properties】，修改設置三維場景的屬性。設置三維場景的垂直放縮因子（Vertical exaggeration factor）為4，背景色（Background color）為白色，太陽方位角（ Sun azimuth）為Northeast,太陽高度角（ Sun altitude）為Low。

1.2 亞奧國際廣場沉降觀測三維模擬成果

數字高程模型DEM是地理空間定位的數字數據集合，因此凡是牽扯到地理空間定位，在研究過程中又依靠計算機系統支持的課題，一般都要建立數字高程模型。由ArcView 生成的數字高程模型DEM是表示區域上的三維向量有限序列,用函數的形式描述為：

研究建立DEM 的方法是通過內插高程點生成的,即在一個由( x , y) 坐標平面構成的二維空間中,由已知若干離散點iP的高程,估算待內插點的高程。DEM內插包含了表面重建以及從重建表面提取高程信息的過程,也包含了根據隨機分布數據點或從規則格網中獲取的高程量測值生成等高線的過程。DEM內插方法主要有分塊內插、剖分內插和單點移面內插,此次采用的是分塊內插中的最小二乘配置法, 它是一種基于統計的、廣泛用于測量學科中的內插方法。這種方法的優點是具有嚴密的數理統計理論依據，可以得到光滑連續的空間曲面，能較好的保存所研究物體的細節，并通過重疊保持了內插面的連續性，在重建的DEM上可以提取區域內任一點的高程值，點擊DEM的某個部位便顯示其屬性對話框（圖11）。結合實例就可以了解整個沉降面內各個點的沉降量，了解整棟建筑物的沉降趨勢。

圖11 DEM高程沉降數據查詢

依照前述的建立步驟生成亞奧國際廣場建筑物沉降觀測結果三維模擬圖。分析可知,起始狀態樓房未出現沉降,其平面圖呈水平態,因此各點位的高程iz都是相等的，樓房沉降后, 由于各個點位的沉降幅度不同,形成了沉降面的高低起伏變化,沉降量越小的點位,其高程值iz越大,距初始面距離越短, 反之同理, 相應點位對應的平面坐標(ix,iy)不改變，見圖12、圖13、圖14、圖15、圖16。

圖12 沉降觀測數據內插形成的DEM的不同角度的三維顯示圖a

圖13 沉降觀測數據內插形成的DEM的不同角度的三維顯示圖b

圖14 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖a

圖15 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖b

圖16 亞奧國際廣場建筑物為邊界的DEM不同角度的三維顯示圖c

從DEM和亞奧國際廣場建筑物平面圖疊加三維顯示的結果上看：建筑物整體來說沉降不是很均勻，建筑物的B座和C座沉降量較大，A座和D座的沉降量較小，通過對比存在很大差異，在這里就體現了在施工過程中設計后澆帶的必要性。從三維圖上還有一個細節的地方，就是圖上出現較明顯突起的部位，這個位置恰好是沉降觀測點J22所在的位置，在周圍點都有明顯下沉的趨勢情況下，這個點卻顯示為上升狀態，從推理上可以得到這個點的測量數據存在著問題，可能是觀測沉降點被碰過的緣故。這是傳統的沉降分析方法不能夠明顯發現的。通過用ArcView 3.3對亞奧國際廣場建筑物沉降數據的三維顯示，使地基沉降整體變化情況一目了然，直觀、準確的再現了建筑物的整體沉降變化情況，利于我們更好的進行不均勻沉降的分析，而且能夠使我們得到傳統的分析方法無法分析得出的結果，能夠更好的指導建筑物的施工。

1.3 基于ArcView 3.3生成建筑物沉降等值線圖

（1）建立步驟

在利用觀測點生成的DEM提取沉降等值線并自動賦以累計沉降值,具體步驟從【Surface】選擇【Create Contours】自動生成等沉線。然后選擇【Theme】菜單下的【Auto-Label】。

（2）沉降觀測等值線成果圖

基于ArcView GIS 3.3生成建筑物沉降等值線圖與傳統的手工繪制法相比速度更快捷、內容更確切、外形更美觀,從而為決策施工人員提供更準確可靠的信息。沉降等值線如下圖17所示：

圖17 亞奧廣場建筑物沉降等值線圖

建筑物沉降等值線圖直觀的以量化形式反映了建筑物平面內各個區域的沉降變化情況，并在不同區域間形成數字對比，更好的呈現建筑物的總體沉降和各點的沉降狀態，亞奧國際廣場建筑物沉降等值線圖同樣也說明了建筑物整體沉降不是很均勻，但是符合建筑規范的要求，另外也可以看出J22點處的等值線較密集，數據存在一定的問題。

2 結論

本文主要以亞澳國際廣場建筑物整體為研究對象，以最終累計沉降量為數據源，借助ArcView GIS 3.3軟件，生成沉降觀測數據的DEM，實現沉降觀測數據的三維可視化，生成沉降動態三維模擬圖和沉降等值線圖。使得沉降分析結果人性化，便于理解和分析，實現了分析速度更加快捷、分析內容更加準確、分析成果更加美觀的目的，為施測結果的有效、及時和直觀表達提供強大的技術支撐，可為決策者和施工者提供更加可靠、直觀的沉降觀測信息。

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3-D Data Analysis on the Settlement Observation Based on ArcView GIS

ZHANG Hailong

(Beijing Geo-engineering Design Research Institute, Beijing 101500)

On the basis of study situation on the settlement observation at home and abroad, this paper discusses how to improve operation efficiency of the settlement observation. Combined with the building settlement observation example of the Ya-Ao National Square, the settlement monitoring data has been analyzed and sorted. At this stage, we mainly utilize GIS software to simulate the 3-D settlement, and draw the settlement isolines. According to above-mentioned work, we consider that the building settlement of the Ya-Ao National Square is rational, and suggest how to improve operation efficiency of the settlement observation, and how to effectively analyze data and study result.

Settlement observation; Data analysis; 3-D Visualization

TP319

A

1007-1903(2010)03-0032-07