基于ArcView GIS的沉降观测数据三维分析研究

张海龙

（北京市地质工程设计研究院，密云 101500）

基于ArcView GIS的沉降观测数据三维分析研究

张海龙

（北京市地质工程设计研究院，密云 101500）

本文在了解国内外沉降观测研究现状的基础上，从变形观测的理论出发，探求提高沉降观测操作的质量，并结合亚奥国家广场建筑物沉降观测实例，对测量所得到的沉降监测数据进行科学整理。文章从理论分析入手，结合沉降观测收集数据，然后在相关理论支持下进行监测数据的分析。在数据分析过程中，着重运用GIS软件实现沉降的三维模拟，并绘制沉降等值线，直接、美观的再现了沉降的过程。经过分析，得出亚奥国际广场建筑物沉降状况的合理性，并提出了提高沉降观测质量、科学整理数据和成果分析的相关建议。

沉降观测；数据分析；三维可视化

0 绪论

国民经济高速发展的阶段，城市化进程加快。各种各样设计新颖、结构复杂的建筑涌现于大都市之中。随着土地资源日渐减少与人口增长之间的矛盾日益突出，高层及超高层建筑越来越多。于是，建筑结构与基础的安全稳定问题成为现今建筑行业最最关注的焦点。沉降观测的重要作用日趋明显，特别是在高层建筑物施工过程中应用沉降观测加强全过程监控，指导合理的施工工序，预防在施工过程中出现不均匀沉降，及时反馈信息为勘察设计施工部门提供一手资料，避免了因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，造成巨大的经济损失。对建筑物进行沉降观测也是国家规范要求必须执行的，国家现行规范规定，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。

0.1 研究的内容及意义

本文以沉降观测实际项目的实施过程和测量数据为基础，通过项目的操作和数据的处理，研究沉降观测提高精度的方法和数据处理的新方式，即以GIS为平台实现数据分析的三维显示。其目的是更好地指导工程施工，预防出现不均匀沉降，造成建筑物的安全隐患。

0.2 亚奥国际广场沉降观测工程概况

亚奥国际广场位于北京市朝阳区慧忠里，为商住楼，地下3层，筏基，局部为地下车库，与主楼同一底板。建筑物层高不同，其中A座9层，B座17～20层，C座9层，D座4层；相邻两楼间有后浇带，共有3条后浇带。这个工程与其他工程的不同之处就在于从整体来看建筑物楼层不同，可能存在不均匀沉降问题，并且存在后浇带等问题。

（1）沉降观测点的布设

此次观测的目标为亚奥国际广场的建筑物，并且楼的层高不同，沉降观测点的布设以建筑物结构及首层平面设计为依据，共布设50个观测点。其中地上点23个，地下点27个。本文仅以地上观测数据为例进行数据整理与分析，并实现GIS的三维显示。

地上监测点点分布情况详见下图1。

图1 地上观测点位分布图

（2） 观测周期

①首先对已做基点进行联测，通过观测值判定其稳固后作为基准点长期观测使用，前3次必须与基点进行联测，以后每2月进行联测1次；

②待建筑物一出自然地坪就需要在首层布设监测点进行观测，待其与结构牢固后（约5天左右）就可进行第一次观测。因建筑物层高不同，根据规范要求，每增高1层观测1次，随施工同步观测至4层，通过4层随施工观测得到准确的沉降量后，自5层开始每增高2层观测1次，至最高楼层封顶时约需观测12次，共计16次。

③主体竣工后，还应根据后期工程施工情况对其建筑物每月观测1次，约计6次。

④工程全部完工后，可根据需要布设隐蔽点，每季度观测1次，约计4次。通过对观测成果的沉降分析，确认沉降变化稳定后方能结束观测工作。

（3）亚奥国际广场建筑物沉降观测内业计算及成果分析

本文仅以地上观测数据为例进行数据整理与分析，并实现GIS的三维显示。于是,下面仅将地上观测点的观测数据进行整理并列表。

地上沉降观测点沉降观测成果表见附录。

由沉降观测成果表可以得到各次观测的每点各期平均沉降量与沉降趋势、沉降速度与发展趋势，并为建筑物的数据分析提供数据基础。

0.3 ArcView GIS简介

ArcView是世界上最为广泛使用的GIS桌面软件。利用其大量的符号和强大的地图功能，用户能够方便地创建高质量地图。ArcView使得数据的管理和编辑很省事，任何人都可胜任。他为普通GIS用户提供了一个通用的技术平台，同时又具有强大的地理数据显示、查询、统计分析和制图设计的能力，而且用户界面友好，易于使用。

ArcView通过在逻辑工作流程中，设置可视化的任务模型来简化复杂的分析和数据管理任务。非技术性用户也可容易地操作ArcView，经验丰富的用户可利用复杂的工具进行高级的地图设计、数据整合及空间分析。

ArcView 整个系统由基本模块和可扩充功能模块构成,可扩充功能模块包括:空间分析模块、网络分析模块、三维分析模块、绘图输出模块、影响分析模块、追踪分析模块、ArcView 因特网发布模块,其中三维分析模块是沉降观测数据分析和三维显示的核心部分。

1 基于ArcView GIS的沉降观测数据分析及可视化

地理信息系统（GIS）软件是当前应用十分广泛的数据分析软件。地理信息系统（GIS）具有强大的功能，它不仅能够对多种数据进行属性建库，实现各种空间分析，而且还能够实现分析结果的三维显示，使问题的分析结果变得直观易懂。然而，GIS常被应用于自然资源管理、各种突发事件的规划、市场分析、设施规划、运输规划以及军事上，但是在工程测量方面的相关应用却鲜有实例，以往对于建筑物沉降变形的观测结果多是以数据和图表形式表现，没有三维模拟的表现形式，很难直观地掌握建筑物的空间沉降情况，以下探求利用ArcView GIS 3.3软件中的空间分析和三维分析模块来实现亚奥国际广场建筑物沉降观测数据分析及其三维可视化模拟。

1.1 沉降观测三维模拟建立步骤

（1）Arcview三维分析模块、空间分析模块等相关模块的装入

①打开ArcView 3.3，点击【File】下的【Extensions】中的“3D Analyst”“Spatial Analyist”等复选框,点击OK来添加相关分析模块。如下图2所示：

图2 ArcView 3.3添加功能模块操作界面

②指定 ArcView 将要创建的面状主题的 Shape 文件的名称为“亚奥大厦”，并在随后出现的新的对话框内找到相关路径保存，单击“OK”钮。一个新的、空白的主题将出现在当前视图的主题目录表中。在绘图工具板中点击输入多边形图标，用鼠标依次输入亚奥国际广场建筑物的各个拐点，双击表示完成最后一点，多边形自动封闭。如下图3：

图3 在ArcView 3.3中创建的亚奥国际广场建筑物平面的成果图

（2）标绘参与分析的沉降观测点

①视图窗口界面中，选定“视图”【View】。

②在弹出的对话框内选择想要创建的新主题【New Theme】的图形要素类型，选择Point，并点击OK。

③标绘出亚奥大厦沉降点，指定 ArcView 将要创建的点状主题的 Shape 文件的名称为“沉降点”，并在随后出现的新的对话框内找到相关路径保存，单击“OK”钮。并对各点进行标注和数据的录入，见下表1，表4。

表1 沉降观测点属性数据录入表

图4 在ArcView 3.3中标绘的沉降点图

（3）利用观测点和内插点生成DEM(数字高程模型)

①从【Surface】菜单中选择【Interpolate Grid】命令。

②在出现的Output Grid Specification对话框中设定输出主题的范围、栅格单元大小及栅格行、列数。

③接下来出现的Interpolate Surface对话框中，从Method列表中选择IDW（注意：在菜单中只有IDW和Spline两种内插方法可以选择）。在Z Value Field列表中选择celiangs字段，单击OK。 利用沉降点数据和内插点生成栅格主题如下图5：

图5 沉降点观测数据和内插点生成的DEM及图例

④为了便于观看，给生成的亚奥国际广场DEM加色并将其与亚奥国际广场建筑物的轮廓重叠显示如下图6：

图6 生成的DEM与亚奥国际广场建筑物的轮廓叠加效果图及图例

从生成的DEM与亚奥国际广场建筑物的轮廓叠加效果，参照图例不难看出：生成的DEM中颜色越浅，代表的沉降量越大；反之，颜色越深，代表的沉降量越小。

⑤激活“亚奥大厦. Shape”，选择【Theme】菜单下【Convert to Grid】将“亚奥大厦. Shape”栅格化，并选择【Analysis】菜单下【Map calculator】用其与沉降点数据生成的DEM做乘法运算，生成以亚奥国际广场建筑物为边界的DEM，操作过程及生成图形如下图7、图8。

图7 Map Calculation操作界面

图8 亚奥国际广场建筑物为边界的DEM及图例

（4）三维可视化

打开【3D Scene】功能视窗,分别将亚奥国际广场建筑物数据的内插生成的DEM和以亚奥国际广场建筑物为边界的DEM都添加到视窗内,通过改变此对话框内相应属性Surface、Z factor 、Offset heights by value or expression 来设置三维模型的参数。

①按下（Add Theme图标按钮），分别添加并激活亚奥国际广场DEM和以亚奥广场建筑物为边界的DEM。

②打开并点击三维场景中的按钮，以显示DEM层面。

③分别激活两个DEM数据层面，再点击【Theme】菜单下的【3D Properties】，设置【3D Properties】下的Base heights为Surface选项，分别设置Surface的文件名两个DEM数据层面的文件名，设置高程的偏移量(Offset Heights)为0，如图9。

图9 3D Theme Properties对话框

④然后激活层面亚奥广场建筑物为边界的DEM，再点击【Theme】菜单下的【3D Properties】，设置【3D Properties】下的Base heights为Surface选项，分别设置Surface的文件名两个DEM数据层面的文件名，设置高程的偏移量(Offset Heights)为0，如图10。

图10 3D Theme Properties对话框

⑤点击【3D Scene】菜单下的【properties】，修改设置三维场景的属性。设置三维场景的垂直放缩因子（Vertical exaggeration factor）为4，背景色（Background color）为白色，太阳方位角（ Sun azimuth）为Northeast,太阳高度角（ Sun altitude）为Low。

1.2 亚奥国际广场沉降观测三维模拟成果

数字高程模型DEM是地理空间定位的数字数据集合，因此凡是牵扯到地理空间定位，在研究过程中又依靠计算机系统支持的课题，一般都要建立数字高程模型。由ArcView 生成的数字高程模型DEM是表示区域上的三维向量有限序列,用函数的形式描述为：

研究建立DEM 的方法是通过内插高程点生成的,即在一个由( x , y) 坐标平面构成的二维空间中,由已知若干离散点iP的高程,估算待内插点的高程。DEM内插包含了表面重建以及从重建表面提取高程信息的过程,也包含了根据随机分布数据点或从规则格网中获取的高程量测值生成等高线的过程。DEM内插方法主要有分块内插、剖分内插和单点移面内插,此次采用的是分块内插中的最小二乘配置法, 它是一种基于统计的、广泛用于测量学科中的内插方法。这种方法的优点是具有严密的数理统计理论依据，可以得到光滑连续的空间曲面，能较好的保存所研究物体的细节，并通过重叠保持了内插面的连续性，在重建的DEM上可以提取区域内任一点的高程值，点击DEM的某个部位便显示其属性对话框（图11）。结合实例就可以了解整个沉降面内各个点的沉降量，了解整栋建筑物的沉降趋势。

图11 DEM高程沉降数据查询

依照前述的建立步骤生成亚奥国际广场建筑物沉降观测结果三维模拟图。分析可知,起始状态楼房未出现沉降,其平面图呈水平态,因此各点位的高程iz都是相等的，楼房沉降后, 由于各个点位的沉降幅度不同,形成了沉降面的高低起伏变化,沉降量越小的点位,其高程值iz越大,距初始面距离越短, 反之同理, 相应点位对应的平面坐标(ix,iy)不改变，见图12、图13、图14、图15、图16。

图12 沉降观测数据内插形成的DEM的不同角度的三维显示图a

图13 沉降观测数据内插形成的DEM的不同角度的三维显示图b

图14 亚奥国际广场建筑物为边界的DEM不同角度的三维显示图a

图15 亚奥国际广场建筑物为边界的DEM不同角度的三维显示图b

图16 亚奥国际广场建筑物为边界的DEM不同角度的三维显示图c

从DEM和亚奥国际广场建筑物平面图叠加三维显示的结果上看：建筑物整体来说沉降不是很均匀，建筑物的B座和C座沉降量较大，A座和D座的沉降量较小，通过对比存在很大差异，在这里就体现了在施工过程中设计后浇带的必要性。从三维图上还有一个细节的地方，就是图上出现较明显突起的部位，这个位置恰好是沉降观测点J22所在的位置，在周围点都有明显下沉的趋势情况下，这个点却显示为上升状态，从推理上可以得到这个点的测量数据存在着问题，可能是观测沉降点被碰过的缘故。这是传统的沉降分析方法不能够明显发现的。通过用ArcView 3.3对亚奥国际广场建筑物沉降数据的三维显示，使地基沉降整体变化情况一目了然，直观、准确的再现了建筑物的整体沉降变化情况，利于我们更好的进行不均匀沉降的分析，而且能够使我们得到传统的分析方法无法分析得出的结果，能够更好的指导建筑物的施工。

1.3 基于ArcView 3.3生成建筑物沉降等值线图

（1）建立步骤

在利用观测点生成的DEM提取沉降等值线并自动赋以累计沉降值,具体步骤从【Surface】选择【Create Contours】自动生成等沉线。然后选择【Theme】菜单下的【Auto-Label】。

（2）沉降观测等值线成果图

基于ArcView GIS 3.3生成建筑物沉降等值线图与传统的手工绘制法相比速度更快捷、内容更确切、外形更美观,从而为决策施工人员提供更准确可靠的信息。沉降等值线如下图17所示：

图17 亚奥广场建筑物沉降等值线图

建筑物沉降等值线图直观的以量化形式反映了建筑物平面内各个区域的沉降变化情况，并在不同区域间形成数字对比，更好的呈现建筑物的总体沉降和各点的沉降状态，亚奥国际广场建筑物沉降等值线图同样也说明了建筑物整体沉降不是很均匀，但是符合建筑规范的要求，另外也可以看出J22点处的等值线较密集，数据存在一定的问题。

2 结论

本文主要以亚澳国际广场建筑物整体为研究对象，以最终累计沉降量为数据源，借助ArcView GIS 3.3软件，生成沉降观测数据的DEM，实现沉降观测数据的三维可视化，生成沉降动态三维模拟图和沉降等值线图。使得沉降分析结果人性化，便于理解和分析，实现了分析速度更加快捷、分析内容更加准确、分析成果更加美观的目的，为施测结果的有效、及时和直观表达提供强大的技术支撑，可为决策者和施工者提供更加可靠、直观的沉降观测信息。

[1] 陈龙飞，金其坤. 工程测量. 上海:同济大学出版社, 1990,247.

[2] 朱建军, 曾卓乔等. 变形测量的理论与方法.长沙:中南大学出版社, 2004,256.

[3] 陈海霞．沉降观测中常遇问题及其分析与处理．淮北职业技术学院学报． 2007,88～89.

[4] 陈永奇、吴子安、吴中如.变形监测分析与预报.北京：测绘出版社,2003.

[5] 汤国安, 赵牡丹. 地理信息系统[ M] . 北京: 科学出版社,2000. 108.

[6] 黄声享,尹 晖,蒋 征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

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