沉降观测数据处理系统的构建与设计

胡冬芽，宋奇海，苏铁柱

(1.珠海市测绘院，广东珠海519000;2.南京农业大学土地管理学院，江苏南京210007;3.湖南省勘察测绘院，湖南株洲412007)

沉降观测数据处理系统的构建与设计

胡冬芽1，宋奇海2，苏铁柱3

(1.珠海市测绘院，广东珠海519000;2.南京农业大学土地管理学院，江苏南京210007;3.湖南省勘察测绘院，湖南株洲412007)

当前，建筑物沉降观测非常普遍和繁琐，如何构建相关计算机软件来处理沉降观测数据和编写报告，极具现实意义和实用价值。分析沉降观测的特点、方法及图表拓扑关联，构建和展示所开发软件的功能和特色。

沉降观测;Excel;图表;VSTO

一、引 言

自改革开放以来，我国经济高速发展，住房和办公条件明显改善，可建设用地资源日渐减少，建筑设计施工技术水平不断提高，高层及超高层建(构)筑物越来越多。高层及超高层建(构)筑物的兴建，改变了地面原有状态，地基荷载的增加，引起地基及周围地层的变形。为保障建(构)筑物的使用安全和正常使用寿命，并为建设过程中的勘察设计与施工提供可靠的资料来源和技术参数，建(构)筑物沉降观测的必要性和重要性愈加明显。本文针对土木工程沉降观测数据的计算方法、曲线模拟和沉降分析等技术环节，叙述如何构建计算机软件系统来取代人工方式，并作出应用性分析研究。该方法可大大降低工作强度和提高沉降观测效率，具有很强的应用和技术推广价值。

二、沉降观测技术及规范

形变观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测得到多期观测值，以求得各个观测周期间的变化量。主要包括:

1)测定建筑物地基的沉降量、不均匀沉降(沉降差)及沉降速度。

2)计算周期沉降量、周期沉降速度、地基倾斜、弯曲和重大构件(桥墩等)倾斜等。

形变观测的工作内容应根据建(构)筑物的性质与地基情况来定，其主要特点是:

1)具有明确的针对性，既有重点，又要作全面考虑，以期正确反映建(构)筑物的现状。通过计算机来整理观测资料，详细计算各影响因子值(位移大小、沉降速率等)，并将其绘制成便于实际应用的图表。

2)探讨建(构)筑物的形变成因，求出形变值与荷载之间的函数关系，从而对建(构)筑物运营状态作出正确判断并进行相关预测预报。

根据建(构)筑物的特性，以及建设、设计单位的要求选择沉降观测精度的等级。如在没有特别要求的情况下，针对一般性高层建(构)筑物，采用二等水准测量观测方法就能满足沉降观测要求。其各项观测指标要求如下。

1)往返较差、附和或环线闭合差:Δh=∑a－∑b≤1.0;

2)测站前后视距≤30 m;

3)测站前后视距差≤1.0 m;

4)前后视距累积差≤3.0 m;

5)沉降观测点相对于后视点的高差容差≤1.0 mm。

形变观测技术方案确定后，用测绘仪器(水准仪等)定时进行观测，形成一定数量的数据集合后，需要内业处理(计算、分析和建模等)，并提交如下成果:①沉降观测成果表(或者位移成果表);②沉降(位移)观测点位分布图及各周期沉降展开图;③u+t+s(沉降速度-时间-沉降量)曲线图;④p+ t+s(荷载-时间-沉降量)曲线图;⑤ 建筑物等沉降曲线图;⑥沉降(位移)观测分析报告。

三、Excel利用特色介绍

Microsoft Excel是世界上功能强大、技术先进、使用最方便的电子表格软件之一。它不仅是功能齐全的电子表格处理软件，也是一种操作简便的制图工具，同时支持用户功能性的二次开发(目前微软主要支持的开发工具是 visual studio tools for office，VSTO)。它可对表格中的各种数据进行快速处理、计算和分析等，并便捷地生成各种直观、生动的图表。

多年来的实践表明，对于形变(沉降和位移)测量的纷繁数据，Excel是最好的数据记录器(多页表格)，同时又是最好的计算器和绘图工具;测绘人员只要懂得一些Excel的宏命令，会写一些简单的代码，就可以充分利用Excel。

1.Excel的工作表与四维数据

沉降(变形)测量是按次(期)进行的，每次(期)测量的数据算一组，这里的四维数据，也就是三维地形数据和一维时间数据，即f(x，y，h，t)。一般格式文件(包括数据库格式文件)不易表达四维数据，而Excel则可以很巧妙地表达，它提供了多重工作簿(sheets)。理论上，一个Excel文件可以包含无限个工作簿(实际与计算机内存和存贮硬盘有关联)。沉降观测中，将每一次(期)测量数据录入一个工作簿并改名(如图1所示)。

图1 Excel的多个工作簿

2.各种数据格式的设定和检查

对于非10进制的数据，如角度值，测量仪器显示的是度分秒，为 60进制，如 12.345 6表示12°34'56″，如何计算角度和检查是否超限，用户如何采用自编函数，Excel已很好地加以解决。同样对于时间值类型数据的计算，如何快速计算两个日期值的间隔天数(如从2007年1月21日起，到2009年8月28日止)，Excel有专门的计算函数(DateDiff(interval，date1，date2［，firstdayofweek［，firstweekofyear］］)，使用非常方便。另外，对于设置数据格式(小数位数、日期等)，则更加简单，有专门的对话框(如图2所示)，用户都很熟悉其设置方法，本文不再赘述。

3.图与表的拓扑关联

Excel图表是指将工作表中的数据用图形表示出来，使用起来也非常简便。当基于工作表选定区域建立图表时，Excel使用来自工作表的数值，并将其当作数据点在图表上加以显示。数据点用条形、线条、柱形、切片、点及其他形状表示，这些形状称作数据标示(如图3所示)。Excel工作表中任何数据有变化，图形都会随之变化，同样，图形有任何变化，数据也会跟随变化。也就是说，图形和表格数据是相互关联、有拓扑关系的。

图2 数据格式设置

图3 绘图式样

四、沉降数据处理软件架构的设计

本软件系统编程语言选用C#语言，采用VSTO开发模式，编程界面简洁大方，不修改Excel主菜单，只是添加Excel任务窗格，将处理沉降数据的功能加载在上面(如图4所示)。 1.软件的功能设计与架构

图4 沉降软件的界面

本系统实现的功能结构图如图5所示。

图5 系统架构图

2.软件功能分析

1)参数设置。主要设置小数位数、角度值格式(度分秒或者弧度)、极限形变值等，为计算精度和预警作准备。

2)参考例子与帮助。对于一线测量工作人员，本软件提供参考例子，以方便理解和掌握，同时提供在线帮助。

3)数据录入/输出与编辑功能。出现专门的界面，用户可按照界面提示输入各种数据，也可以仿照例子，在Excel工作表里输入(典型的Excel操作);可将输出数据按次转为一般文本数据保存或者与其他软件交换。

4)数据计算与超限检查。按次检查和计算沉降值、时间间隔及误差是否超限。

5)分点计算形变值和绘制折线图。按照每个测点的各期测量值，计算形变值和累计形变量、时间间隔值，并绘制每点形变折线图，支持图形输出到AutoCAD。

6)多个(全部)测点计算形变并绘制折线图。计算形变值和累计形变值、时间间隔值，并绘制多条形变折线图，用作比较和监测。

7)位移量的计算、图形绘制和沉降曲线的回归分析模拟、预测。

8)沉降量展开图绘制与分析，找出沉降异常点，避免拉裂建(构)筑物。

9)沉降量等值线和沉降速度等值线绘制。

10)综合分析和报告生成。根据计算数据，按照国家规范要求，得出形变结论，编写出形变观测报告。

11)观测数据的检验与评估。对于测量数据，主要分析数据的稳定性和可靠性，进行如下检测:①线性回归检验;②奇异性检验与插补;③回归分析与建模;④自由网平差。

3.应用实例

通过对南通地区某商业大厦(22层，地下2层，地上20层)的形变观测数据进行处理，验证了本系统计算的快捷和图表成果的可靠。形变监测时间为4.5年。其中，建设初期(0.5年)是基坑的位移监测数据处理;中期是建设期间(1年)沉降观测的数据处理;后期是竣工后(3年)进行沉降观测的数据处理。各期数据图、表和监测报告自动生成，方便快捷。有关图表略。

五、结束语

实践证明，本沉降观测数据处理系统采用VSTO方式实现了Excel的二次开发，节约了计算机内存;使用方便、操作简单，能够适合不同计算机水平用户。该系统自动绘制各种生动美观的图表，编写标准的监测报告，极大地减少了工作强度，提高了工作效率，具有很强的应用及推广价值。

［1］ 中华人民共和国建设部.JGJ 8—2007建筑变形测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］ 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50026—2007工程测量规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［3］ 中国地质调查局.DD 2006—2地面沉降监测技术要求［S］.北京:［s.n.］，2006.

［4］ 赵春江.C#数字图像处理算法典型实例［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［5］ 曾洪飞，张帆，卢择临.AutoCAD VBA＆VB.NET开发:基础与实例教程［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［6］ KATHLEEN M，PAUL S.VSTO开发者指南［M］.李永伦，译.北京:机械工业出版社，2009.

［7］ 伍逸.C#二维三维图形绘制工程实例宝典［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［8］ Excel Home.Excel VBA实战技巧精粹［M］.北京:人民邮电出版社，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，高级工程师，主要从事测绘地理信息实用技术研究工作。