GIS 空間分析在城市地下軌道建設的應用研究

王翠 馮劍 王玨 張莉潔

(陜西省渭南市城鄉規劃測繪服務中心，陜西 渭南 714000)

0 引言

隨著我國土木建設的蓬勃發展，城市地下軌道的建設工程日益增多。在地下軌道施工過程中，不可避免地對巖土體產生擾動，引起的土層變形可能影響地面建筑物和既有管線設施，變形達到一定程度時將影響到地面建筑物的安全和地下管線的正常使用。因此地下軌道施工引起的地層移動與變形，尤其是在地面建筑設施和地下管線密集的城市中施工所造成的影響及其控制途徑，一直是人們關注的課題。為了有效地預防和減少地下軌道施工所引起的沉降和變形及其對周圍環境造成的損害，對地下軌道工程在施工過程中進行監測具有重要的意義。

城市地下軌道施工監測點多，監測周期長，采集數據量非常大。目前，監測數據大多以表格形式表示，形式單一、枯燥，管理者和施工單位無法對監測數據進行直觀的、可視化分析，更不能立刻依靠數據判斷施工的進展狀況。因此，大量的監測數據能以直觀的，可視化的方式把數據展現出來，并且依靠這種直觀且可視化的數據，管理者和施工者能夠判斷當前施工狀況，甚至做出正確的決策分析，是當前亟待解決的問題。

1 GIS概述

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)具有數據采集、輸入、編輯、存儲、管理、空間分析、查詢、輸出和顯示功能，為系統用戶進行預測、監測、規劃管理和決策提供科學依據。GIS技術的發展是隨著計算機技術的發展而發展的。目前，隨著國際互聯網技術、面向對象技術、軟件集成技術以及3D技術的發展和日趨成熟，GIS的主要研究領域和發展趨勢有:Web GIS，Com GIS，3D GIS和Open GIS等，它們都是針對不同的數據類型和用途發展起來的。

與二維GIS相比，三維GIS對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，它以立體造型技術向用戶展現地理空間現象，不僅能夠表達空間對象間的平面關系，而且能描述和表達它們之間的垂向關系;而且對空間對象進行三維空間分析和操作，是三維GIS特有的功能。

2 基于GIS的城市地下軌道施工監測數據的空間分析

2.1 GIS空間分析

從側重空間信息的提取和空間信息傳輸角度考慮，空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的空間數據分析技術，其目的在于提取和傳輸空間信息。分析對象是地理目標的位置和形態特征，可將空間信息分為:空間位置、空間分布、空間統計、空間關系、空間關聯、空間對比、空間趨勢和空間運動。隨著空間分析向更深層次發展，空間分析逐步走向決策提供支持、空間分析對象是與決策支持有關的地理目標的空間信息及其形成機理。

2.2 基于GIS的三維統計分析

統計圖(Statistical Chart)是專題地圖中經常應用的一類符號，用于表示制圖要素的多項屬性，如多項分區統計指標或定點統計指標等。柱狀圖(Bar Chart)是常用的統計圖中的一種，用于表示制圖要素的兩項可比較的屬性或者變化趨勢。冠狀圖中有三個柱體分別表示監測點的初始值，監測點的當前值和監測點的沉降速率。初始值與當前值柱體之間的高度差反映出了監測點在某一時間段里的沉降變化。兩種柱體的高度差越小，說明監測點在某短時間的沉降量越小，處于穩定狀態。相反，如果兩個柱體之間的高度差越大，則說明監測點在某段時間里的沉降量越大，監測點處于不穩定狀態。

如某個點的代表沉降速率的柱體越高，說明這個監測點在這一時期的沉降速率越大，反之，則沉降速率越小。比較所有的監測點的沉降速率柱體，如果柱體整體的高度均勻，說明在這個區段里，區間地表沉降相對比較穩定。如果某一部分的柱體高度較高，說明這部分所分布的監測點沉降較快，發生異常。

因此，當出現初始值柱體與當前值柱體之間的高度差較大的監測點，或者經比較有較高的沉降速率柱體出現時，應當立即查看這些對應監測點的沉降量，若這些監測點的累計沉降量超出了限值(30 mm)，則應立即對該監測點的現場情況進行查看，做出相應的安全措施。

2.3 基于ArcScene的監測數據分析

三維數據顯示提供了逼真的觀察視覺。ArcScene允許建立多圖層場景，并控制場景中每個圖層的符號化、三維空間定位和渲染。

圖1 地圖在ArcScene中的三維顯示

在ArcScene中，添加地鐵施工監測圖形數據，地圖已在ArcS-cene中三維顯示，如圖1所示。以區間地表沉降點層為例，對地鐵施工監測數據進行分析。選用累計沉降值屬性字段值作為高程，通過選定層的Properties命令，在打開的Layer Properties對話框中選擇Base Heights標簽，用Use a Constant value or expression to set heights for layer的方式建立高程。完成后可以看到二維要素被三維顯示，即區間地表監測點按照累計沉降值作為Z軸在三維空間中顯示，如圖2所示。從圖2中可發現，幾乎所有監測點的分布狀態都呈現回歸法分布，用Identity方法查詢這群點的最下面的點屬性信息，可以看到，其累計沉降值為－17.6 mm，在限值(30 mm)范圍內，由此可知這群監測點的累計沉降值也都在限值(30 mm)范圍內，基本處于穩定狀態，未發生異常沉降。

從圖2還可發現有一個監測點，已脫離其他監測點，獨自處于較遠的位置，可斷定，此監測點出現異常。用Identity方法查詢其屬性值，如圖3所示，發現其累計沉降值為－41.1 mm，已經超出限值(30 mm)范圍，在這種情況下應立即察看此點的現場情況，做出相應的安全措施。由圖2點的空間分布位置可知，大多數點的分布都處于穩定狀態，從這個狀態可以判斷出這一時期地鐵隧道施工過程中，這一區間的沉降情況也處于一個穩定狀態，未發生嚴重沉降情況。

圖2 以累計沉降值為Z軸的監測點的三維顯示

圖3 用Identity方法查詢點的屬性值

3 結語

基于GIS軟件平臺創建沉降監測的三維統計圖和三維模擬圖，可以使決策者和施工人員及時了解變形情況，獲取沉降信息，為施工和決策提供有力的技術支持。地理信息系統是介于信息科學，空間科學和地球科學之間的交叉學科。地理信息系統的應用范圍很廣，在工程中的應用多集中在邊坡變形監測和地質災害評價預報方面，如何在土木工程領域更廣泛地應用GIS，需要各個方面專業人士的共同努力和不斷探索。

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