沉降觀測數據處理系統的構建與設計

胡冬芽，宋奇海，蘇鐵柱

(1.珠海市測繪院，廣東珠海519000;2.南京農業大學土地管理學院，江蘇南京210007;3.湖南省勘察測繪院，湖南株洲412007)

沉降觀測數據處理系統的構建與設計

胡冬芽1，宋奇海2，蘇鐵柱3

(1.珠海市測繪院，廣東珠海519000;2.南京農業大學土地管理學院，江蘇南京210007;3.湖南省勘察測繪院，湖南株洲412007)

當前，建筑物沉降觀測非常普遍和繁瑣，如何構建相關計算機軟件來處理沉降觀測數據和編寫報告，極具現實意義和實用價值。分析沉降觀測的特點、方法及圖表拓撲關聯，構建和展示所開發軟件的功能和特色。

沉降觀測;Excel;圖表;VSTO

一、引 言

自改革開放以來，我國經濟高速發展，住房和辦公條件明顯改善，可建設用地資源日漸減少，建筑設計施工技術水平不斷提高，高層及超高層建(構)筑物越來越多。高層及超高層建(構)筑物的興建，改變了地面原有狀態，地基荷載的增加，引起地基及周圍地層的變形。為保障建(構)筑物的使用安全和正常使用壽命，并為建設過程中的勘察設計與施工提供可靠的資料來源和技術參數，建(構)筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。本文針對土木工程沉降觀測數據的計算方法、曲線模擬和沉降分析等技術環節，敘述如何構建計算機軟件系統來取代人工方式，并作出應用性分析研究。該方法可大大降低工作強度和提高沉降觀測效率，具有很強的應用和技術推廣價值。

二、沉降觀測技術及規范

形變觀測的任務是周期性地對觀測點進行重復觀測得到多期觀測值，以求得各個觀測周期間的變化量。主要包括:

1)測定建筑物地基的沉降量、不均勻沉降(沉降差)及沉降速度。

2)計算周期沉降量、周期沉降速度、地基傾斜、彎曲和重大構件(橋墩等)傾斜等。

形變觀測的工作內容應根據建(構)筑物的性質與地基情況來定，其主要特點是:

1)具有明確的針對性，既有重點，又要作全面考慮，以期正確反映建(構)筑物的現狀。通過計算機來整理觀測資料，詳細計算各影響因子值(位移大小、沉降速率等)，并將其繪制成便于實際應用的圖表。

2)探討建(構)筑物的形變成因，求出形變值與荷載之間的函數關系，從而對建(構)筑物運營狀態作出正確判斷并進行相關預測預報。

根據建(構)筑物的特性，以及建設、設計單位的要求選擇沉降觀測精度的等級。如在沒有特別要求的情況下，針對一般性高層建(構)筑物，采用二等水準測量觀測方法就能滿足沉降觀測要求。其各項觀測指標要求如下。

1)往返較差、附和或環線閉合差:Δh=∑a－∑b≤1.0;

2)測站前后視距≤30 m;

3)測站前后視距差≤1.0 m;

4)前后視距累積差≤3.0 m;

5)沉降觀測點相對于后視點的高差容差≤1.0 mm。

形變觀測技術方案確定后，用測繪儀器(水準儀等)定時進行觀測，形成一定數量的數據集合后，需要內業處理(計算、分析和建模等)，并提交如下成果:①沉降觀測成果表(或者位移成果表);②沉降(位移)觀測點位分布圖及各周期沉降展開圖;③u+t+s(沉降速度-時間-沉降量)曲線圖;④p+ t+s(荷載-時間-沉降量)曲線圖;⑤ 建筑物等沉降曲線圖;⑥沉降(位移)觀測分析報告。

三、Excel利用特色介紹

Microsoft Excel是世界上功能強大、技術先進、使用最方便的電子表格軟件之一。它不僅是功能齊全的電子表格處理軟件，也是一種操作簡便的制圖工具，同時支持用戶功能性的二次開發(目前微軟主要支持的開發工具是 visual studio tools for office，VSTO)。它可對表格中的各種數據進行快速處理、計算和分析等，并便捷地生成各種直觀、生動的圖表。

多年來的實踐表明，對于形變(沉降和位移)測量的紛繁數據，Excel是最好的數據記錄器(多頁表格)，同時又是最好的計算器和繪圖工具;測繪人員只要懂得一些Excel的宏命令，會寫一些簡單的代碼，就可以充分利用Excel。

1.Excel的工作表與四維數據

沉降(變形)測量是按次(期)進行的，每次(期)測量的數據算一組，這里的四維數據，也就是三維地形數據和一維時間數據，即f(x，y，h，t)。一般格式文件(包括數據庫格式文件)不易表達四維數據，而Excel則可以很巧妙地表達，它提供了多重工作簿(sheets)。理論上，一個Excel文件可以包含無限個工作簿(實際與計算機內存和存貯硬盤有關聯)。沉降觀測中，將每一次(期)測量數據錄入一個工作簿并改名(如圖1所示)。

圖1 Excel的多個工作簿

2.各種數據格式的設定和檢查

對于非10進制的數據，如角度值，測量儀器顯示的是度分秒，為 60進制，如 12.345 6表示12°34'56″，如何計算角度和檢查是否超限，用戶如何采用自編函數，Excel已很好地加以解決。同樣對于時間值類型數據的計算，如何快速計算兩個日期值的間隔天數(如從2007年1月21日起，到2009年8月28日止)，Excel有專門的計算函數(DateDiff(interval，date1，date2［，firstdayofweek［，firstweekofyear］］)，使用非常方便。另外，對于設置數據格式(小數位數、日期等)，則更加簡單，有專門的對話框(如圖2所示)，用戶都很熟悉其設置方法，本文不再贅述。

3.圖與表的拓撲關聯

Excel圖表是指將工作表中的數據用圖形表示出來，使用起來也非常簡便。當基于工作表選定區域建立圖表時，Excel使用來自工作表的數值，并將其當作數據點在圖表上加以顯示。數據點用條形、線條、柱形、切片、點及其他形狀表示，這些形狀稱作數據標示(如圖3所示)。Excel工作表中任何數據有變化，圖形都會隨之變化，同樣，圖形有任何變化，數據也會跟隨變化。也就是說，圖形和表格數據是相互關聯、有拓撲關系的。

圖2 數據格式設置

圖3 繪圖式樣

四、沉降數據處理軟件架構的設計

本軟件系統編程語言選用C#語言，采用VSTO開發模式，編程界面簡潔大方，不修改Excel主菜單，只是添加Excel任務窗格，將處理沉降數據的功能加載在上面(如圖4所示)。 1.軟件的功能設計與架構

圖4 沉降軟件的界面

本系統實現的功能結構圖如圖5所示。

圖5 系統架構圖

2.軟件功能分析

1)參數設置。主要設置小數位數、角度值格式(度分秒或者弧度)、極限形變值等，為計算精度和預警作準備。

2)參考例子與幫助。對于一線測量工作人員，本軟件提供參考例子，以方便理解和掌握，同時提供在線幫助。

3)數據錄入/輸出與編輯功能。出現專門的界面，用戶可按照界面提示輸入各種數據，也可以仿照例子，在Excel工作表里輸入(典型的Excel操作);可將輸出數據按次轉為一般文本數據保存或者與其他軟件交換。

4)數據計算與超限檢查。按次檢查和計算沉降值、時間間隔及誤差是否超限。

5)分點計算形變值和繪制折線圖。按照每個測點的各期測量值，計算形變值和累計形變量、時間間隔值，并繪制每點形變折線圖，支持圖形輸出到AutoCAD。

6)多個(全部)測點計算形變并繪制折線圖。計算形變值和累計形變值、時間間隔值，并繪制多條形變折線圖，用作比較和監測。

7)位移量的計算、圖形繪制和沉降曲線的回歸分析模擬、預測。

8)沉降量展開圖繪制與分析，找出沉降異常點，避免拉裂建(構)筑物。

9)沉降量等值線和沉降速度等值線繪制。

10)綜合分析和報告生成。根據計算數據，按照國家規范要求，得出形變結論，編寫出形變觀測報告。

11)觀測數據的檢驗與評估。對于測量數據，主要分析數據的穩定性和可靠性，進行如下檢測:①線性回歸檢驗;②奇異性檢驗與插補;③回歸分析與建模;④自由網平差。

3.應用實例

通過對南通地區某商業大廈(22層，地下2層，地上20層)的形變觀測數據進行處理，驗證了本系統計算的快捷和圖表成果的可靠。形變監測時間為4.5年。其中，建設初期(0.5年)是基坑的位移監測數據處理;中期是建設期間(1年)沉降觀測的數據處理;后期是竣工后(3年)進行沉降觀測的數據處理。各期數據圖、表和監測報告自動生成，方便快捷。有關圖表略。

五、結束語

實踐證明，本沉降觀測數據處理系統采用VSTO方式實現了Excel的二次開發，節約了計算機內存;使用方便、操作簡單，能夠適合不同計算機水平用戶。該系統自動繪制各種生動美觀的圖表，編寫標準的監測報告，極大地減少了工作強度，提高了工作效率，具有很強的應用及推廣價值。

［1］ 中華人民共和國建設部.JGJ 8—2007建筑變形測量規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［2］ 中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50026—2007工程測量規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］ 中國地質調查局.DD 2006—2地面沉降監測技術要求［S］.北京:［s.n.］，2006.

［4］ 趙春江.C#數字圖像處理算法典型實例［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［5］ 曾洪飛，張帆，盧擇臨.AutoCAD VBA＆VB.NET開發:基礎與實例教程［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［6］ KATHLEEN M，PAUL S.VSTO開發者指南［M］.李永倫，譯.北京:機械工業出版社，2009.

［7］ 伍逸.C#二維三維圖形繪制工程實例寶典［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［8］ Excel Home.Excel VBA實戰技巧精粹［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

Construction and Design of the Settlement Observational Data Processing System

HU Dongya，SONG Qihai，SU Tiezhu

0494-0911(2012)06-0025-03

P208

B

2012-02-15

胡冬芽(1972—)，男，江西新余人，高級工程師，主要從事測繪地理信息實用技術研究工作。