变形监测数据的向量法可视化分析模型——以珠海发电厂循环水泵房观测数据为例

李会林

(珠海市测绘院，广东 珠海 519000)

变形监测数据的向量法可视化分析模型
——以珠海发电厂循环水泵房观测数据为例

李会林*

(珠海市测绘院，广东 珠海 519000)

针对当前变形监测缺乏整体趋势分析的不足，本文提出了观测数据的向量分析法，该法以向量为工具，在数据处理时将变形向量载入数据处理系统中，从而生成可视化程度较高的向量分析成果图。利用珠海发电厂循环水泵房观测数据，本文绘制了泵房位移向量图和等沉降曲线图。实验表明，这种表示方法既简单科学，又能反映变形的整体趋势，不失为一种良好的变形数据处理新方法。

变形监测；向量；可视化；等沉降曲线图

1 引 言

变形观测是建筑工程在施工阶段和运营阶段必须进行的一项工程监测任务，它对预防重大质量安全事故的发生具有警报作用[1]。随着测绘科技发展，目前变形监测的技术不断完善和成熟，变形监测数据处理也日趋多样化，各种监测数据处理系统也应运而生[2～4]。根据2007版《建筑变形测量规范》，数据处理应采用相应的数学模型，成果图简洁明确，能反映变化量与时间或其他要素的关系。根据规范，沉降观测成果图一般为时间-荷载-沉降量图、纵横断面图、荷载-沉降量-深度曲线图等；位移观测成果一般为深度-位移图和时间-位移图[5]，这些图件的共同特点是能反映变化量与时间或荷载的精确关系，反映建筑物变形特点，但同时也暴露出一定不足，如不同观测点变形量的整体趋势分析不足，可视化程度不高等。针对这些问题，本文提出一种位移向量分析法，在CASS中绘制了位移向量图，并在Surfer软件中绘制了等沉降曲线，以解决上述变形图件在数据分析与显示方面的不足。

2 向量表示法

2.1 位移向量表示法

传统的深度-位移图可以定量描述位移随深度或其他参数的变化情况，然而无法表示位移的方向，这对灾害或工程质量分析是不利的。图1(a)为某工程实测的大面积加荷引起的水平位移沿深度分布线[5]，从图中可以看出右边曲线深度为 6 m时最大位移量为 3.7 cm，然而位移的方向却无法获知。向量是既有方向又有大小的量，可以表示位移移动的方向和大小。在观测点所在平面内，如果以第一期观测数据为准，那么在其他观测期中各观测点的动态变化可以用向量表示图1(b)。

图1 位移图的向量表示法

2.2 沉降量表示法

矿体TEN之所以能进行边界计算，是由于TEN具有定位准、外表为平面和始终保凸三个特点[8]，因此TEN是不规则矿体建模的首选。在2D条件下，TIN的关系由“边层次”决定，在3D条件下，TEN的关系由“面层次”来决定。三角形绑定了两个相邻的四面体，虽然位于三角形左右的四面体在三维环境中没有什么意义，但是它决定该面的法向量的方向，这在矿体分析中会起到作用。在这里用n+1个结点表示TEN中的n维单纯形(Sn)，那么沉降量的现有成果图件多为时间-沉降量图和等沉降曲线图，其中时间-沉降量图是采用二维图表示沉降量随时间的变化，一般在同一坐标系中绘制单点或多点在所有观测周期内的沉降量，这是沉降测量最常规的表示方法；等沉降曲线是采用类似等高线的绘制方法，利用此图可查出变形大致相等的区域，其优点是变化情况显示直观，可视性强，能够进行定量分析，反映沉降变化整体特征。

3 向量分析法应用

本研究中采用的数据是广东省珠海发电厂一期建(构)筑物沉降、变形观测数据，整个厂区的沉降观测网布设了三个基准点DBM1、DBM2、DBM3，点位分布在山脚下的基岩上，利于保存和使用，点位稳定可靠。水平变形监测的基准点布设三个，点号分别为DG01，DG02，DG03，均匀分布于山顶、输煤控制室办公楼顶、油码头的桩基础上。沉降观测按照《建筑变形测量规范》采用二级精度施测，水平变形采用GPS测量与全站仪小角度法相结合的方法观测。由于观测建(构)筑物繁多，研究中选用的是循环水泵房的水平、沉降观测数据，循环水泵房的位移、沉降监测点布设如图2所示。

图2 循环水泵房的监测点布设

3.1 位移的向量表示法

以珠海发电厂循环水泵房的第一、二期观测数据为例(表1)这里用向量法表示了位移变形量。第二次观测位移相对于第一次的增量为△x、△y，它是确定位移方位的依据，在向量表示时，以象限角方位代替位移方位，根据△x、△y的正负4各组合，判定向量的象限角所在象限[6]，最终确定向量的8个方位，如果需要精确表示，可由△x、△y反算出向量象限角或坐标方位角，依据角值判定各监测点的位移方向。

珠海发电厂循环水泵房第一、二期水平位移观测数据 表1

在南方CASS中，根据△x、△y反算出向量象限角，并对D19-D26点进行向量图绘制，由于实际变形量太小，这里将向量模放大了2 000倍，循环水泵房的第一期、第二期变形情况如图3所示。由图3可以可知，循环水泵房的8个监测点中，D25变形值最大，D24变形值最小，各点位移方向呈不规律变化，从而证明位移变化不一致，建筑物是比较安全的。如果变形值或方向呈现出一定规律性，那么就要通过多次观测确定该建筑是否存在结构性破坏，及早采取预警措施。

图3 循环水泵房第二期相对于第一期位移向量图

3.2 沉降量的向量表示法

珠海发电厂循环水泵房沉降观测水准网布设成多结点的结点网，进行单程观测，并采用南方平差易2005水准网严密平差程序进行平差计算。观测时间从2004年11月15日开始，到2014年11月15日，共进行了20次观测，观测中采用了固定仪器、固定人员、固定测量方法的三固定原则，经检验，观测成果准确可靠，其中D19-D26点20期观测数据的沉降量-时间图如图4所示。

图4 循环水泵房D19-D26点20期沉降量-时间图

应用沉降量的向量表示法，可以制作任意两期沉降量变化图。基于Surfer软件，这里利用循环水泵房dwg文件、第十期沉降观测数据进行建模绘图，得到第十期沉降量相对于第一期的等沉降曲线图(图5)，其中以沉降量增量数据为绘制要素、以 0.2 mm为等沉降曲线间隔，并进行了分层设色。

图5是用Surfer绘制的等沉降曲线图，Surfer在绘制等值线图和三维图时，有独特的可视化表达方式[7，8]，尤其适宜于绘制等值线图。图5表示第十期沉降相对于第一期沉降的等沉降量变形图，从等沉降曲线图可以看出在D23处沉降量最大，等值线较密，D25处沉降量较大，而D19、D20、D26所处的泵房东部，沉降量变形小且比较均匀，整个循环水泵房由东向西沉降量逐渐增大。

图5 等沉降曲线图与沉降向量图

4 结 论

基于珠海发电厂循环水泵房的位移与沉降观测数据，本文提出了位移的向量图数据处理方法。与传统的方法相比，该法具有直观易读、可视化程度高、易于反映变形趋势特征的优点。位移向量图解决了过去位移监测变化只能反映增量，无法反映趋势以及可视化程度不高的问题；等沉降曲线图反映了两期数据在沉降量大小、变形趋势等方面的特征，该图可视性强，能够反映沉降量整体变化特点。除此之外，将各期沉降向量图叠加，可得到整个建筑在各时段的变形特点，如果存在变形异常，可以及时提供变形预警，真正达到变形观测为预警服务的目的。

[1] 王炎，丁卫平. 高层建筑物沉降观测方案设计探讨[J]. 北京测绘，2013(4)：83～85.

[2] 韩正，杜海霞，龙飞，薄怀志. 高层建筑沉降观测及其数据分析[J]. 城市勘测，2009(1)：108～110.

[3] 胡冬芽，宋奇海，苏铁柱. 沉降观测数据处理系统的构建与设计[J]. 测绘通报，2012(6)：25～27.

[4] 谢桂娟. 沉降观测数据处理系统的设计与实现[D]. 合肥：合肥工业大学，2012：15～40.

[5] JGJ8-2007. 建筑变形测量规范[S].

[6] 吴立军. 测量学[M]. 郑州：黄河水利出版社，2006：110～113.

[7] 宋明艺. 借助Surffer软件实现快速绘制平面等值线图[J]. 工程地球物理学报，2013，6(2)：244～246.

[8] 胡刚，张金龙. Surfer在沉陷监测中的应用研究[J]. 煤炭技术，2011，30(5)：182～184.

Visual Analysis Model for Deformation Monitoring Data Based on Vector——Taking the Observation Data of the Circulating Water Pump House of Zhuhai Power Plant as an Example

Li Huilin

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519000，China)

For lack of the overall trend analysis of the current deformation monitoring，this paper presents the vector analysis method for the observational data，the method takes vector as a tool，and the deformation vector was loaded into the data processing system while data processing，thus the vector analysis map with high level visualization was generated.By using the monitoring data of circulating water pump house of Zhuhai power plant，displacement vector and equal settlement curve diagram of the pump house have been drawn.Experimental results shows that this method is simple and scientific，and it can reflect the whole trend of deformation，furthermore，it is a new good method for deformation data processing.

deformation monitoring：vector：visualization：equal settlement curve

1672-8262(2016)06-123-04

TU196

B

2016—05—28

李会林(1982—)，男，工程师，主要从事城市测量技术工作。