基于ArcGIS的三維可視化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

夏 鵬 崔宇鵬 張明偉 陳 誠 徐幫樹

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061； 2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)南 250061)

基于ArcGIS的三維可視化深基坑監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

夏 鵬1崔宇鵬1張明偉1陳 誠2徐幫樹1

(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061； 2.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)南 250061)

采用Geodatabase作為空間數(shù)據(jù)模型，并基于ArcGIS Engine二次組件庫技術(shù)和MATLAB BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研發(fā)出集深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、預(yù)測預(yù)警分析、可視化表達(dá)于一體的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)，通過長沙地鐵湘府路車站實(shí)例表明，該基坑監(jiān)測系統(tǒng)能穩(wěn)定處理大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

基坑，監(jiān)測數(shù)據(jù)，Geodatabase，ArcGIS Engine

0 引言

基坑工程中，由于影響因素眾多，現(xiàn)有的理論尚不能完全反映工程的各種復(fù)雜變化，在這種情況下，就需要通過現(xiàn)場監(jiān)測來判斷施工是否符合預(yù)期要求。傳統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測通過Excel和word文本形式來管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)足夠大時(shí)，依賴人工篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行基坑預(yù)報(bào)檢測非常繁雜而且容易出錯(cuò)。

早期的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要是基于傳統(tǒng)型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)，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(fā)的系統(tǒng)[5-8]。

針對以上問題，本文基于Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)對深基坑監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，利用ArcGIS Engine進(jìn)行二次組件式開發(fā)，同時(shí)采用目前流行的界面控件插件DevExpress進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，結(jié)合MATLAB程序通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，開發(fā)一個(gè)集深基坑數(shù)據(jù)集成管理、預(yù)測預(yù)警、數(shù)據(jù)分析、可視化于一體的深基坑監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，對深基坑監(jiān)測工作具有重要意義。

1 地理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1.1 要素分類

基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要包括勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測四大類數(shù)據(jù)，Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫將具有地理信息的數(shù)據(jù)以及其屬性信息一起存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，針對深基坑監(jiān)測的特點(diǎn)，將不具有地理信息的屬性數(shù)據(jù)存儲在大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Microsoft Access/ file geodatabase/SQL Server2010中。

屬性數(shù)據(jù)如圖1所示，主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、工程信息、用戶信息、預(yù)警信息、施工工況信息。

1.2 要素間關(guān)系確定

深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)管理要素間關(guān)系的關(guān)鍵問題是監(jiān)測點(diǎn)空間要素和監(jiān)測數(shù)據(jù)非空間要素屬性表之間的關(guān)聯(lián)。Geodatabase數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)這種關(guān)系主要是通過創(chuàng)建關(guān)系類，通過關(guān)系類實(shí)現(xiàn)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(guān)系。由于篇幅限制，以地表沉降測點(diǎn)屬性表、工程信息表、地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表這三個(gè)要素表之間的關(guān)系來描述Geodatabase要素間關(guān)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(biāo)表地表沉降測點(diǎn)屬性表中的外鍵工程編號(GCID)字段建立起一對多的對應(yīng)關(guān)系。源表監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表通過主鍵地表測點(diǎn)編號(JCZDID)與目標(biāo)表(地表沉降測點(diǎn)屬性表)外鍵JCZDID之間建立起一對一的對應(yīng)關(guān)系。非空間要素屬性表之間建立關(guān)系也是通過建立關(guān)系類實(shí)現(xiàn)，如工程信息表與基坑的設(shè)計(jì)信息表建立關(guān)聯(lián)也是通過設(shè)立主外鍵進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)分析這幾部分組成，如圖3所示。在系統(tǒng)建設(shè)過程中，體現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫建設(shè)和功能設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。在深基坑監(jiān)測中，數(shù)據(jù)來源主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測的傳感器數(shù)據(jù)、人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以及非結(jié)構(gòu)化的文本、影像、圖片數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整理。具有地理空間信息的數(shù)據(jù)存儲在空間數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過剔除一些不正常數(shù)據(jù)后，存儲在屬性數(shù)據(jù)庫中。基于ArcGIS Engine組件式的開發(fā)技術(shù)，利用ArcGIS強(qiáng)大的地圖管理和空間分析的能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編輯、查詢、預(yù)測預(yù)警的可視化操作，最終生成需要的圖表和報(bào)表。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)深基坑監(jiān)測系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了以下模塊，分別是監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理模塊、數(shù)據(jù)的查詢模塊、基于GIS的可視化模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測預(yù)警分析模塊、監(jiān)測報(bào)表的自動化輸出模塊，以及根據(jù)不同用戶需求的用戶管理模塊，如圖4所示。

3 基坑監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

3.1 工程背景

湘府路車站位于湖南省長沙市雨花區(qū)湘府路，湘府路所處路段交通繁忙，人流量大，道路兩側(cè)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。基坑施工采用明挖法施工，基坑最大深度為20.41 m，圍護(hù)樁最大深度為22.90 m。

深基坑監(jiān)測系統(tǒng)通過外部接口導(dǎo)入香江路車站的CAD文件數(shù)據(jù)，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(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入

監(jiān)測數(shù)據(jù)由系統(tǒng)提供兩種數(shù)據(jù)錄入方式導(dǎo)入檢測數(shù)據(jù)。第一種根據(jù)監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)編號篩選測點(diǎn)，手動輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)；第二種通過Excel批量導(dǎo)入的方式。通過對湘府路車站監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理，直接采用Excel批量導(dǎo)入系統(tǒng)，如圖6所示。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)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(jìn)行查詢，系統(tǒng)內(nèi)置SQL查詢語句，用戶只需要輸入查詢條件，交互性強(qiáng)。查詢條件可以為測點(diǎn)編號、監(jiān)測數(shù)據(jù)、里程號、測點(diǎn)坐標(biāo)等等。如查詢條件為“ID=1”，空間查詢是基于位置關(guān)系的查詢，空間查詢提供三種查詢方式，普通查詢即為點(diǎn)選查詢、多邊形查詢、圈選查詢。空間查詢通過繪制幾何圖形在地圖上選中監(jiān)測點(diǎn)。通過屬性查詢和空間查詢方法選中的測點(diǎn)在地圖中以高亮的形式表示。測點(diǎn)的屬性信息會在系統(tǒng)界面的停靠窗口中顯示。選擇相應(yīng)的測點(diǎn)編號，測點(diǎn)的屬性信息會在DatagridView控件中顯示，同時(shí)，系統(tǒng)通過代碼實(shí)現(xiàn)了測點(diǎn)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，選擇相應(yīng)的測點(diǎn)編號后，點(diǎn)擊眼睛按鈕，就會彈出如圖7所示的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)提供多重圖表展示功能對查詢的結(jié)果進(jìn)行顯示，如折線圖、散點(diǎn)圖、柱狀圖、餅狀圖、曲線圖。生成的圖表提供導(dǎo)出功能，也可以插入到生成的報(bào)表中，豐富報(bào)表內(nèi)容，如圖8所示。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)警

數(shù)據(jù)批量錄入系統(tǒng)之后，系統(tǒng)通過調(diào)用MATLAB程序，集成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過警戒值時(shí)，系統(tǒng)將會對所監(jiān)測的項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)警。由于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和地方規(guī)范中針對同一個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目，警戒值也不盡相同，系統(tǒng)提供國家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)三種預(yù)警方法[9-13]。

我們此次檢測選用國家標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測超過預(yù)警值時(shí)，用不同的顏色在地圖中表示達(dá)到預(yù)警的目的，藍(lán)色表示監(jiān)測點(diǎn)的變形量沒有超限，達(dá)到允許限值的60%時(shí)，用黃色表示；達(dá)到允許限值的80%時(shí)，用橙色表示；達(dá)到允許限值的100%時(shí)，用紅色表示；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處于之間時(shí)，用顏色漸變進(jìn)行顯示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入之后的預(yù)警效果如圖9所示，由于系統(tǒng)通過代碼實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，所以預(yù)警位置非常準(zhǔn)確且效果明顯。

4 結(jié)語

1)根據(jù)現(xiàn)行的基坑監(jiān)測規(guī)范，參照前人研究成果，提出深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，給出數(shù)據(jù)庫表編碼和數(shù)據(jù)項(xiàng)編碼的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)編碼規(guī)則可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充，按照此標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享。

2)采用現(xiàn)在使用廣泛的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)放在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，避免數(shù)據(jù)庫查詢的時(shí)候不停的切換數(shù)據(jù)庫，使得數(shù)據(jù)輸入和編輯更加準(zhǔn)確，支持海量數(shù)據(jù)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(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，采用C#編程語言、VS2012開發(fā)環(huán)境、第三方控件DevExpress搭建系統(tǒng)界面，Ribbon界面風(fēng)格簡潔美觀。系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入、管理、編輯、查詢、預(yù)警、報(bào)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(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[J].工程設(shè)計(jì)與研究,1998(3):8-11.

[2] 鐘正雄.基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].地下空間,1998(sup):323-328.

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[11] GB 50497—2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[12] 國土資源部信息中心.國土資源數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)規(guī)范編制指南[Z].2009.

[13] 水工環(huán)信息化建設(shè)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)規(guī)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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