建筑沉降观测数据处理.pdf

2 0 0 8年 4月 第 6 卷 第 2 期 地理空间信息 G EOS P AT I AL I NFORMAT I ON Ap r ，2 0 08 V0 1 6 No 2 建筑沉降观测数据处理 黄育华，倪宏宇(1 广东省水利水 电第三工程局，广东 东莞 5 2 3 7 1 0；2 江苏省无锡市测绘院有限责任公司，江苏 无锡 2 1 4 0 3 1)摘要：简述 了建筑沉降观测的方法和 水准测量数据结构，分析 了建筑沉降数据 处理的难点，针对难点 提 出用关 系数据库表结构来处理 沉降观测数据的方法，并以实例说 明 了该 方法数据处理的效果。关键词：沉降观测；数据处理；数据库 中图分类号：T U1 9 6 文献标志码：B 文章编号：1 6 7 2 4 6 2 3(2 0 0 8)0 2 O l 1 7 0 3 M e t ho d f o r S e t t l e me nt Obs e r v a t i o n Da t a Pr o c e s s i ng HUANG Yu h u a ，NI Ho n g y u (1 Gu a n g d o n g No 3 Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c E n g i n e e ri n g B o a r d，Do n g g u a n 5 2 3 7 1 0，C h i n a；2 Wu x i I n s t i t u t e o f S u rve y i n g a n d M a p p i n g，Wu x i 2 1 4 0 3 1，C h i n a)Abs t r a c t：Th i s p a p e r d e s c rib e d b r i e fly t h e me t h o d o f s e t t l e me n t o b s e rva t i o n a n d d a t a s t r u c t u r e o f l e v e l i n g a n d a n a l y z e d t h e d i ffi c ul t i e s o f S e t t l e me n t d a t a p r o c e s s i n g，p r o p o s e d t h e me t h o d f o r d e a l i n g wi t h t he o b s e rv a t i o n a l s e t t l e me n t d a t a wi t h r e l a t i o na l d a t a b a s e t a b l e s t r u c t u r e i n v i e w o f d i f f i c ul t i e s，g a v e a n e x a mp l e t o s h o w t h e r e s ul t s Ke y wor ds：s e t t l e me n t o b s e rva t i o n；d a t a p r o c e s s i ng；d a t a b a s e 高层 建筑 的沉 降变形情 况如何，直接 关 系到建 筑 物 的安全使用。建 筑沉 降观测 的 目的不仅是 为保 证建 筑物 的正 常使 用和 安全，还 为 以后 的勘 察设 计 及施 工 提供可靠的资料及相应的沉降参数，同时也为今后建 筑物 的结构和地基 基础合理设 计积 累资料 。建筑沉 降观 测数据 处理 的基本方 法是根据观 测 周 期和相邻位 置构 建沉 降 变形数据 的 时间和 空问序 列的 变化，反 映沉 降过 程。沉 降观测 的数据 变化往 往非 常 小，相邻序列观测数据的变化可能会接近甚至小于观 测仪 器的分辨率。由于影 响观测 的外界 因素很 多 而且 难于控制，在观测数据有限的情况下很难构造合适的 数学模型。有些数学模型对有限的观测数据符合很好，但 是 当数据量持 续增加 时会得 出错 误 的预 测信息。建筑沉 降观 测数据 处理 的主要 困难 在数据 累积和 数据及时更新。有的沉降观测过程可能要长达几十年 甚至几百年。沉降观测过程中所产生的原始观测手簿、计算评定成果和统计汇总资料会随时间推移迅速累积，工程单位普遍做法是保留最近几期观测计算成果，将 前期观测计算成果滚动删除，这样容易造成沉降数据 序列不完整，难以反映整个沉降变化过程。另外沉降 观 测 随施 工情 况变化 而数 据序 列频繁 变化，对 于种类 收稿 日期：2 0 0 7 1 2 1 4 繁 多、数量庞 大 的沉降数据 资料，如果数据 处理机 制 不完善，就很难及时向建设监理部门反映沉降变化情况。1 建筑沉 降观测的方法及水准测量数据结构 建筑沉降观测需要在复杂多变、恶劣的施工环境 中进行，精度要求很 高，时间要求也非常紧迫。工程 界和 学术界 已经开 始使 用摄 影测 量、卫 星定位、激 光 扫描和 合成孔 径 雷达技术进 行 变形观 测 的研 究，而传 统水准测量方法具有观测精度高、成果可靠性强、操 作方法简易、数据处理方法完善和观测成本低等优势，依然是 高精度 高程信息获取 的主要方法。尤其是建 筑沉 降观 测一般 局 限在 一 个较 小 的范 围内，目前 多数 工程单位 建 筑沉降观 测采用 水准 闭合 线路 法，通过水 准环线闭合差检验观测精度及成果可靠性。建筑沉降 水准测量一般视线较短、测站数多且闭合条件较多，因 而采用每测站 高差中误差来衡量水准网精度，这与大 范围水准网采用每k m高差中误差来衡量水准网精度不 同。对 于测段 长度 不过几百 m、环线长度 最长不超过 几 k m 的建 筑变形水准 网，可以认 为在 线路 往返不符值 和环线 闭合 差都主要反 映偶 然误差影 响。水准测量是一种成熟的测量方法，(国家一、二等 维普资讯 l l 8 地理 空 间信 息 第 6卷第 2期 水准测量规 范(以下 简称 规 范)对 水准测 量的观 测方式、观测条件、测站设置、观测顺序和方法以及 观测中应遵循的事项有严格的规定，水准观测手簿用 表格形式可以清晰记录水准观测的各个环节。沉降水 准测量要求将工作基点和观测点布设为闭合环、结点 网或符合路线形式。水准点(工作基点和观测点)是 水准网最基本的结构单位，测段是两相邻点间水准测 线，水准路 线是基 准点 间水准 测线。闭合 环和 附合 线 路的闭合差要求是保证精度和可靠性的检核夸件。2 0 0 4 年捷克工业大学的 D o c I n g A l e s C e p e k 发表 研究论文，讨论 了四种 电子水准仪(1 e i c a、s o k k i a、t o p c o n、z e i s s)工作 机理和 数据 文件存 储结 构，并公 布 了电子 水准仪记 录文件转 换成 X ML文件程序 的源代码。水 准测 量数据 结构 模型 为树 结构，测量数据 目录 下分水 准 线路 和限 差两个子 目录。水 准线路 由点构成，点分 为水准点和转站点，水准点下面的元素 包括点号、坐 标，转站点下面的观测，根据精度需要划分等级，有 两次和 四次观 测。高程观 测值 文件的结构如 下：f 已 知点 点 号，已 知点 高 程 值 1 f 测段起点，终点，高差，距离，测段测站数，精度号 I I I 该文件 的 内容分 为 两部 分，第一部 分为 高程控 制 网的 已知数据，它 包括 已知 高程点点 号及 其 高程值；第 二部 分为 高程控 制 网的观 测数据，它 包括 测段 的起 点 号、终 点号、测段 高差、测段 距 离、测段测 站数 和精 度号。有 了高程观测值文件，可以在程序里重现水准 网的拓扑结构，通过最短路径算法构建闭合环。这种 文件 编排 法省略 了水 准线路 构成，与以往 水准观 测文 件的编排相 比较 是一项较 大的改进。2 建筑沉降数据 处理 的主要困难 建筑沉 降数据处理 的主要 困难有 四点：第一沉 降 现象本身复杂；第二沉降资料累积量大；第三沉降数 据序列变更频繁；第四数据质量评定难度大。在数据分析方面，沉降观测主要 目的是反映沉降 现象和沉降趋势，但沉降现 象自身复杂，影响沉降量 和沉 降观 测 的因素很 多而且难 于控 制，找 出沉降 变化 的规律和趋势非常困难。沉降数据分析是工程界和学 术界研究得 比较 多，也是 意见 比较难 以统 一的 问题。从资料管理考虑，沉降观测应及时提供符合 规 范 要求的观测手簿、计算成果和统计汇总资料。随 着建筑设计和施工工艺变革，建筑群的复杂程度越来 越 高，沉降观 测的 工作 量越 来越 大，对观 测 方法和提 交成果的技术要求也越来越高，观测资料会逐次累积 并随时间推移迅速增加。如果没有一套合理的资料管 理体 系，很难及时将更新资料向工程监理部门反馈。为保证建筑施工及建筑本身安全需要长期、不间 断地对监测对象实施观测。但施测现场环境复杂，很 难长期保证观测方法、工作基准点、观测点和观测条 件不发生变化，这些情况变化必然在沉降数据序列中 体现 出来，这样 的数 据序 列频繁 变更将会给 数据处理 带来非常大的工作量，有时候人力难以完成。建筑物 变形 测量规 程(J G J T 89 7 以 下简称 规程)对建筑沉降测量的等级及其精度要 求进行了 规 定，但 实际工作 中，现场评 定数据稳 定性和 灵敏 度 有一定困难，规程对这两项指标只有指导性意见没 有明确的计算公式，计算这两项指标要求施工现场工 程技术人员能熟练地使用数理统计软件，多数工程单 位还 不具备这样 的条件。3 建筑沉降数据处理的核心技术 面对 沉降数据 处理 的 困难，可 考虑用 关系数据库 表结 构来管 理沉 降观 测数据。使用数据 库来 管理沉降 观测数据有三个优点：第一数据文件安全性好；第二 便于大型工程项 目管理和权限设置；第三表达数据质 量指 标直观、明确。从 文件 安全 角度 考虑，AS C I I 码原 始观 测数据文 件可 编辑，不能避免对 原始观 测数据 文件 的误操作 和 恶意 更改，通 过数据 库表只读 属性设 置可 以实现把 原 始观 测数据 与使用 者隔 离。从大型工程项 目管理和权限设置考虑，在多人协 作的沉降观测项 目中，需要并发控制和权限设置，针 对 不 同关注重 心使 用 不同视 图表现数 据，对 此，可以 这样设 计数据 库软件：直接 读取 电子 水准仪和记 录手 簿数据文件，在视图里查看并编辑属性，以表格和纯 文本 的方式输 出原始观 测数据、平差 结果和精 度。从检查数据质量方面考虑，规程各项技术要求 都有相应计算公式和限差指标，在数据库表里可以设 计技 术指标 及限差对 照列，这样 比程序输 出结果更直 观，更具 比较 效 果。目前，大型 工程 项 目沉 降观 测数据 处理，解 决方 案较 多采用 结合 测量仪 器开发 的 系统。中小项 目沉降 观测工作 中，平差计算较 多地使用商业软件，而对于 观测数据管理、分析及最后报告生成，各单位工作流 程差异很 大：有的使用手工制作报表；有的使用电子 表格软件制作；有 的直接 在数据库上操作；有 的用 V i s u a l B a s i c等编程语言作开发平台，结合数据库管理 数据，按系统架构完成。国内在沉降观测方案与系统 维普资讯 第 6卷第 2期 黄 育华等 建 筑沉降观 测数 据处理 l 1 9 设 计 方面，主要 发展 方 向是 观测 方案 的综合设计 和 系 统的数据管理与 综合 处理。数据处理工作包括：编写沉降观测记 录表、沉降 量一览表；检查沉降观测数据质量；绘制沉降展开图、沉降曲线及预测残差图；决定沉降观测的周期与结束 时间；分析沉降趋势有无异常情况。检查数据质量和 分析沉降趋势的工作一般要在数理统计软件上做。本 文使 用 E x c e l 作 为数据预 处理 的软件，使 用该软件对 沉 降观 测手 簿进行整 理，并对 沉降量作 初 步分析，同时 绘出沉降曲线图。为了能在 E x c e l 进行数据处理，我们 对建筑单位使用的 建设工程沉降观测记录表略作 变动，使得 E x c e l 表格 中的数据可以通过数据链接、数 据转换、或直接使用复制粘贴等方法导入数据库。4 应用举例 无锡市华光大厦、珠宝城商厦建筑群项目建于无锡 市中心商务圈中山路与人民路交叉 口西南处，华光大厦 结构层数 3 9 层、建筑 高度 1 4 0 m、建筑面积 5 2 0 0 0 k m：珠宝城商厦 紧邻华光大厦 东侧，结构层数 8层、地下 室 1 层、建 筑面积 5 4 0 0 0 k m。珠 宝城 商厦 1 9 9 3年 5月 开始施 工，1 9 9 4年 1 2月封顶；华光 大厦 1 9 9 4年初 开 始施工，1 9 9 5 年 1 2月封顸。华光、珠 宝城 建筑群周 围 高楼林立，交通繁忙，地质条件复杂，测区范围本身 存 在地 面沉 陷现 象，项 目建设施 工周期 较 长，经历 多 个雨季和寒暑节气，建筑封顸后长期处于沉降活跃中，为此对该建筑群 进行 了长达 5年 的建筑沉 降监 测。其 中对珠 宝城商厦共进行了3 1 次沉降观测；对华光大厦 共进行 了 4 1 次沉降观 测。华光、珠 宝城建筑群沉降观测使用 Ni 0 0 7自动安 平水准仪、铟 瓦水准尺按二等水准要求进行观测。沉 降观 测采用水 准闭合 线路法，水准线路布设 成 2个 闭 合 环。水准观 测视距 一般 不超 过 2 0 m，视线 高度 大于 0 8 m，架站时仪器前后距 离大致相等 观测读数取至 0 0 5 m m，高差 中数取 至 0 0 1 mm。施 工至正 负零 时进 行首次观测，以后每升高 1 2 层进行一次沉降观测，大楼 封顶后观 测周 期适 当放 长。施 测现场检核 环 线 闭 合差，闭合 差限差取(n为测站数)。在 华光 大厦 南面、西面布设 了 3个工作基点，华光大厦沉降观测点布设 在 4个角点承重柱上，珠 宝城商厦在各主要角点承重 柱上共 布设 7个沉降观测 点，2 个 大厦的沉 降观测 采用 同一工作基准。华光大厦、珠宝城商厦建筑沉降数据预处理采用 E x c e l 软件，数据质 量分析、沉降趋势预 测采用 S YS T A T 公司的 T a b l e C u r v e 2 Dv 5 0 1 软件，数据模型采用时序系 列回归模型，回归函数为双曲函数。根据环闭合差计算 每测站高差中数中误差m 女 =0 1 3 m m、m 珠 i 18 1匮=0 1 6 mm，符合技术设计要求 回归分析复相关系数 R 2=0 9 9 7、回归标 准差=1 1 6 1 3、F检 验=27 5 5 1 5 3，数 据分析具有较 高的置信度(见图 1)。华光大厦沉l降过程的 华光大厦沉降曲线 四个阶段 0 1 O 1 施工 阶段。此阶段 下 2 0 沉量最大，约占总下沉量 3 0 的 7 0 左 右。童 媾 4 0 2 下沉速度减缓阶段 5 o 3 平稳下沉阶段。6 o 4稳定阶段。7 0 测期 欣 图 1建 筑 沉 降趋 势 分 析 通过沉降数据分析发现华光大厦沉降现象起始于 基础 施工 前后，沉 降量随荷 载增加 而增 大，大厦封顸 前后沉降量增加很快，并有明显滞后现象，沉降保持 了相 当长 的一段 时 间。当大厦 内部设 备安 装结束荷 载 不再增加，反 映 出大厦处 于沉降后期，逐渐趋 于稳 定。珠宝城商厦观测到第 l 0期后，开始出现较明显不均匀 沉降，靠近华光大厦的 3个点的沉降量大于靠近中山 路的4个点的沉降量。自第 1 2期开始，沉降数据显示 靠近华光大厦的 3个点的下沉，靠近中山路的 4个点 上升现 象，珠宝城商厦有向华光大厦倾斜的趋势，倾 斜长达 3年 8个月，后逐步趋缓。根据珠宝城商厦不 均 匀沉降情 况，对其基础 深度 2 倍，半径 5 0 m左右邻 近建筑 都进行 了监 测。沉降趋 势最 大预 测残差 出现在 第 1 5 期，分析原因为第 1 4 1 5期跨春节前后，施工 进度 不均 匀，与 递推 出的结 果有 较 大 出入。其他 几个 较 大的预 测残差，第 1 6、1 9、2 0 期 的情 况也类似。分 析认 为在影响沉降的因素(如荷载、积水等)有明显 变化 时，靠 自相关的递推得 出的结论会与 实际有较 大 出入，但 总的置 信度 仍是很 高的，同时随着数据 量的 增加，预测质量逐 渐提 高。5结语 沉 降观 测是一项 重复性、延 续性 工作。单次观 测 结构相对简单，多次观测构成序列数据，可以有效地 反映沉降变化规律。基于数据库技术开发集成的沉降 信息系统可实现沉降观测资料的计算机存贮、管理、统 计、查询、分析以及数据可视化，是方便有效地管理、统计、预测、分析沉降数据的有效途径 应该说明的 是，沉降机理复杂，沉降受多种因素的影响，对沉降 的预测预报应区别不同的情况选择预测预报的方法。运 维普资讯 2 0 0 8年 4月 第 6 卷 第 2 期 地理空 GE OS P AT I AL 间信，电 I NF 0RMAT I ON Ap r ，2 0 0 8 Vo 1 6 No 2 G I S专业中地图学教学方法的研究 江 畅，苏高华(1 南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 2 1 0 0 0 3；2 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 1 0 0 0 8 3)摘 要：结合 G I S专业的特点，探讨 了地 图学课程在 G I S专业课程体 系中的作用，并就传统教 学方法存 在的问题，通过定 位教 学方法、引进大型作业环节和开设具有本校 特点的 实验课 内容的研究，提 出根 据学校特 点开展地 图学课程教 学的方 法，培养学生的 自主学 习能力，提 高课程教学效果。关键词：地图学；教 学方法；G I S 中图分类号：P 2 8 文献标志码：B 文章编号：1 6 7 2 4 6 2 3(2 0 0 8)0 2 0 1 2 0 0 3 T e a c h i n g M e t h o d s f o r Ca r t o g r a p h y i n GI S J I ANG Ch a n g ，SU Ga o h u a (1 C o l l e g e o f C o mm u n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e ri n g，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o m mu n i c a t i o n s，N a n j i n g 2 1 0 0 0 3，C h i n a；2 S c h o o l o f t h e E a r t h S c i e n c e s a n d R e s o u r c e s，C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a)Ab s t r a c t：Co mb i n i n g t h e t r a i t s o f GI S s pe c i a l t y，t h e c a r t o g r a p h y c o u r s e S f u nc t i o n i n t h e c u r r i c ul um o f GI S a n d t h e t r a d i t i o n a l me t h o ds o f t e a c h i ng c a r t o g r a p h y we r e d i s c u s s e d i n t h e p a pe r Ac c o r d i n g t h e ma i n s p r o b l e ms e x i s t i n g i n t r a d i t i o n al me t h o d s o f t e a c hi n g c a r t o g r a p h y，t h e t e a c hi n g me t h o d s o f c a r t o g r a ph y a c c o r d i n g t he c h a r a c t e r i s t i c o f s c h o o l c h a r a c t e r s w e r e p r o p o s e d t o d e v e l o p t h e s t u d e n t s i n d e p e n d e n t l e a r n i n g a n d t o i mp r o v e t e a c h i n g e ff e c t，w h i c h we r e b y t h e l o c a t i o n o f t e a c h i n g me t h o d，t h e i n t r o d u c t i o n o f l a r g e h o me wo r k l i n k a n d s e t t i n g u p t h e e x p e r i me n t al c o u r s e s t h a t h a v e c h a r a c t e ris t i c o f s c h o o 1 Ke y wo r ds：c a r t o g r a p h y；t e a c h i n g me t h o d；GI S 地理信息系统是一门融地球科学、计算机技 术，地图学、测绘科学、遥感、应用数学于一身的综合和 集成的信息技术。我国的地理信息系统高等教育发展 迅速，自 2 0世纪 8 0年代 中期 以来，一些 高校 陆续开 设了以地理学、测绘学或计算机科学为背景的 G I S专 收稿 日期：2 0 0 7 0 8 0 1 用时间序列分析法，主要考虑观测数据 自身规律性的 东西。可以较准确 地预测数 据 变化 趋势，并对沉 降做 出科学合理的解释，但在沉降量较小的情况下应注意 对观测误差 的剔除。参考文献 1】崔晓东，兰孝奇 建筑沉降规律的综合时序分析 J】现代测绘，2 0 0 4(1 J：3 4 3 6 2】黄声享 变形监测数据处理 MJ 武汉：武汉大学出版社 2 0 0 3 【3】C h r z a n o ws k i A，Di n g X L，Ro b e rt s G，e t a 1 Go a l s a n d Ac h i e v e me nt s o f fig Wor ki n g Gr o u p W G6 1 一De f o r ma t i o n Me a s ur e me n t s a n d A n a l y s i s【R】No mi c o s C o n f e r e n c e Ce n t r e S a n t o r i n i 业。由于依托的学科不同，各高校 G I S专业课程体系 存在差异，就地图学课程而言，缺乏地学专业背景的 工科院校的 G I S专业，往往受学科定位、师资力量、学 时等方面因素影响，在课程的设置方面显得薄弱。如 何依托有限的条件加强地图学课程教育，体现各校专(T h e r a J l s l a n d，Go a l s a n d a c h i e v e me n t s o f F I G Wo r k i n g Gr o u p W G6 1,Gr e e c e 1 l t h FI G S ymp os i u m o n De f o r ma t i o n M e a s u r e-me n t s，2 0 0 3，2 5(2 J 【4】Ce p e k A An a l y z a V y s t u p n i c h F o r ma t Di g i t M n i c h Ni v e l a Nj c h P i s t r o j D F 1 G Wo r k i n g we e k WG 2 0 E s k 6 V y s o k d U e n i T c c h-n i c k d P RAHA F a k u l m S t a v e b n 0b o r Ge o d d z i e a Ka r t o g r a fi e 【5】T 6 t h G、3 r d I AG S y mp o s i u m o n Ge o d e s y f o r Ge o t e c h n i c a I and S t r u c t u r a l En g i n e e r i n g a n d 1 2t h F I G Sy mp os i um o n De f or ma-t i o n Me a s u r e m e n t s Me e t i n g R e p o r t E B，0 L 1 AG N e w s L e t t e r,J u l y 2 0 0 620 0 7 1 0 1 2 第一作者简介：黄育华，测量工程师，从事多年工程测量及水 利水电工程建设 维普资讯