基于GIS的建筑物沉降观测数据的三维分析

刘勇，余代俊

(成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059)

1 引言

随着社会的不断进步，物质文明的极大提高及建筑设计施工技术水平的成熟完善，同时也因土地资源日渐减少与人口增长之间日益突出的矛盾，高层及超高层建筑物越来越多。工程建筑物的兴建，改变了地面原有的状态，并且对于建筑物的地基施加了一定的压力，这就必然会引起地基及周围地层的变形。为了保证建构筑物的正常使用寿命和建筑物的安全性，并为以后的勘察设计施工提供可靠的资料及相应的沉降参数，建筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。沉降观测实测资料是反映地基基础工程质量的重要依据。而以往沉降监测结果多用数据和图表，本文通过成都来福士广场为例，以GIS软件为平台，通过对监测数据的处理和分析，实现沉降数据的三维可视化来直观的表达建筑物的变形情况。可以更好指导工程施工，为决策提供有力的支持。

2 来福士广场沉降监测工程概况

成都来福士广场工程位于成都市人民南路与一环路交叉口的东南角，由5栋塔楼、地上3层中心裙房及4层地下室组成，总建筑面积约为31万平方米。施工期间监测内容主要包括两方面:①地上主楼以及地下底板的沉降监测。②后浇带两侧的差异沉降监测。建筑物楼层不同可能存在不均匀沉降，并存在后浇带问题，本文主要用地下观测数据为例进行整理和分析。

2.1 沉降观测点的布设

观测点的布设是沉降观测的基础，根据《建筑变形测量规程》的技术要求来布设基准点和沉降观测点。基准点应选设在变形影响范围以外且稳定、易于长期保存的地方。为此，在该楼群下沉影响区域以外布设了5个基准点(BM1～BM5)，并构成基准网并采用电子水准仪进行往返观测，所得的观测数据经过平差处理后作为基准数据。沉降监测测点的布置应以能全面反映建筑物地基变形特征并结合地质情况及建筑结构特点确定［1］。且根据工程设计图纸，在最下层地下室的筏板表面或墙柱根部共布设119个沉降观测点(J1～J119)，根据建筑物的布局和施工进度将沉降观测点组成若干闭合环以便进行测量。沉降监测点布设如图1所示。

图1 沉降观测点布置图

2.2 观测周期

(1)首先对基准点的联测，判定其稳定后作为工程的基准点长期在工地观察使用。根据工程进度，每半月或一个月联测一次。

(2)荷载变化期间:①建筑物每增加两层，观测一次，直至主体封顶。②回填土及结构安装等增加较大荷载前后应进行观测。③地面荷载突然增减、基础四周大量积水、长时间连续降雨等情况，增加观测次数。④出现不均匀沉降时根据情况增加观测次数。

(3)结构封顶及工程竣工后:建筑物封顶竣工后，一般每月观测一次，如果沉降速度减缓，改为2月～3月观测一次，直至沉降稳定为止。

3 基于GIS的沉降数据分析与可视化

对沉降数据的可视化分析主要体现在生成沉降曲线图和生成沉降三维模拟图，本文主要利用ArcMap和3D分析模块来实现效果的表达。ArcGIS 3D Analyst能够对表面数据进行高效率分析和处理，能为三维可视化、三维分析以及表面生成提供高级工具的扩展模块，生成的三维模拟能显示出数据的格局和趋势，可以从不同的视点观察表面、查询表面，确定从表面上某一点观察时其他地物的可见性［2］。数据处理和分析过程如下:

3.1 沉降监测结果三维模型的建立

(1)打开ArcMap，建立polyline和Point数据层，画出监测点边框，如图2所示。

图2 边框数据层和点数据层

(2)打开 ArcMap，［Tools］－［Add XY］－［Data］－［Data Export Data］，生成沉降监测点。

(3)运行［3D Analyst］－［Interpolate to raster］－［Inverse Distance Weighted］，利用内插点生成 DEM。生成的DEM如3图所示:

(4)打开［ArcScene］，将监测点和生成的DEM添加到视窗内，［Layer Properties］－［Base H eights］，改变相应属性Obtain heights for layer From surface Unit Conversion来设置三维模型的参数。

图3 累计沉降DEM

3.2 沉降监测结果三维模拟成果

数字高程模型是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集［3］。它是数字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)的一个分支，是一种对空间起伏变化的连续表示方法.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:

其中 Xi，Yi为平面坐标，Zi为(Xi，Yi)的对应高程［4］。

建立DEM是通过内插高程点生成的，即根据所采集的不规则排列的原始数据高程求出待定点的高程。GIS常用的插值方法，有距离加权倒数(IDW)法、自然近邻法、反距离权重、样条插值和克里格法等方法［5］。任意一种方法都是基于原始表面起伏变化的连续光滑性，与临近的数据点有很大的关系，所以内插的中心问题是临域的确定和选择适当的插值函数。而距离倒数法的特征之一是要在格网区域内产生围绕观测点位置的图层，可以很容易看出各个观测点位的数据变化情况，基于此本文采用距离加权倒数法来建立DEM。其方法是一种局部插值方法，它假设未知值的点受较近控制点的影响比较远控制点的影响更大，影响的程度或权重用点距离乘方的倒数表示。其公式如下:

式中Z是估计值，Zi为控制点i的Z值;Di是控制点i与点0的距离，K为制定的幂［6］。ArcGIS中K的默认值为2。

根据沉降变形专题图生成的沉降结果三维模拟如图4所示。初始状态建筑物没有沉降，平面格网图呈水平状态，高程值Zi都相等。沉降后各个监测点的沉降幅度不同，形成沉降面的起伏变化。沉降量越小的点，高程越大，距初始面的距离越小，其水平坐标(Xi，Yi)都没有变化。三维模拟图可一目了然的看出各监测点的沉降趋势，结合沉降监测点布置图(图1)分析，J66、J91、J102、J112 区域无沉降，J14、J15、J21、J57、J58区域沉降较大，其他区域各有不同沉降。

图4 累计沉降三维模拟图

在ArcGIS中，可以将多次观测的沉降数据生成三维模拟进行叠加对比，根据不同时期的三维模拟图变化情况，可以判断沉降是稳定还是继续变化。见图5，相同时间间隔(大致为1个月)的4个三维模拟图沉降面进行叠加，鉴于各个塔楼的楼层和工程进度的不同，从图中可以看出除少部分区域沉降变化较大以外，总体上沉降面变化趋势是沉降量渐小，推断在临近工程封顶前沉降总体上是趋于稳定的。

图5 多次沉降监测结果三维模拟图

3.3 生成建筑物沉降等值线图

(1)建立步骤

在生成的DEM基础上提取等值线并赋予沉降值，过程如下:［3Danalyst］－［Surface Analysis］－［Contour］。

(2)等值线图的显示和分析

建筑物的等值线图反映了平面上观测点各个区域的变化，更好的呈现建筑的总体和局部沉降变化状态，和生成的三维模拟对比如图6所示。

图6 建筑物沉降等值线图

4 结语

鉴于以往沉降结果多是数据和图表的形式表现，分析结果较单一。本文利用ArcGIS软件的三维分析和空间分析模块，生成观测数据的DEM，使沉降数据实现三维模拟和沉降曲线图，实现沉降数据的可视化。对决策者和施工人员来说更便于直观和立体的来分析和利用沉降信息，为他们提供有利的参考依据。

［1］JGJB－2007.建筑物变形测量规范［S］.

［2］Steve Bratt，Bob Booth.ArcGIS三维分析使用手册 1［PDF］.

［3］汤国安.数字高程模型教程［M］.北京:科学出版社，2010

［4］李志林，朱庆.数字高程模型［M］.武汉:武汉大学出版社，2001

［5］赵海卫，王芹，刘照永等.基于ArcGIS的建筑物沉降观测数据分析及三维模拟［J］.城市勘测，2010(05):47～50

［6］阎冬.基于GIS的建筑物沉降监测数据的三维可视化分析［J］.城市勘测，2007(01):84～86