（摄影测量与遥感专业论文）地铁施工变形监测管理分析gis的应用研究与开发.pdf

地铁施工变形监测 管理分析g 】 s 的应用研究与开发 摘要 本文以深圳地铁变形监测数据和各种图面资料作为信息源，结合 已成型的地铁变形监分析管理信息系统、城市地铁簏工监测经验以 及g l s 二次开发经验，翱用g 匹软件m a p i n f op 哪嘁n a l 7 o 及二次开发 工具m a p x 5 0 研究开发了基于g i s 的地铁变形监测管理分析系统。本文 着重阐述了浚系统建立的全过程，并论述了系统建立中所涉及的理论 问题和提出的相应解决方案，简要介绍了系统的主要功能，并进行了 系统在地铁施工变形监测方面的应用研究。本文的主要工作包括： ( 1 ) 将管理信息系统( m i s ) 与地理信息系统( g l s ) 结合，提出r 一 个“基丁h “s 和g i s 技术的地铁施工变形监测信息管理系统”建设方案。 详细阐述了开发的一个工程实例：基于地理信息系统的深圳地铁变形 监测信息管理系统的需求设计、数据库设计、总体殴计和功能实现； 阐述了作者对m b 和g i s 技术在地铁施工变形监测中的应用途径的见 解。 ( 2 ) 该系统以地铁施工图为背景，t i ； j 矢量髑形象的展现出各施工 测点的分布情况，并可咀通过图形实现信息的查询及空问数据统计等 工作，形成图文双向查询；通过该系统，管理人员可以在地铁施工图 上直观的添加、修改、更新、查询整个地铁旌工的工程，以帮助有关 部门快速地做出相应决策。 f 3 ) 开发高性能的数据管理功能。 f 4 ) 自动生成各种施工专题图。 ( 5 ) 能进行地下三维地貌漫游，以及从地面到地下的三维无缝观察。 ( 6 ) 动态监视并发出变形超标预警；对。r 突发事件，它能迅速提供 i 北京交通大学硕士学位论文 应急方案，确定故障位置。 关键词：地铁工程安全施工监测地理信息系统数据处理及分析 i l a p p l i t i 蛐蛐dd e v e l o p m e n to fm a n 矗g e m e n t a n d a n a l y s i s ( a s f b rd e f o m a 舡o nm o n i t o r i n go fs u b w a y c i o n s t n l c 6 0 n a b s t r a c t b 籀c d 加龇岫0 f 也蛐柏咙h 帕伪蛐g o f 翻k 酗瑚白哪 - n d 司l 虹n d so fm 印j 丑m m a t j 佣，t l l cm 彻鹅啪c n ta n d 柚a l y s i sg 玛f o f d c 姗a t i o nm o n i t o r i n go fs u b w a yc o n s t 兀l c t i o nw a sd e v e l o p e db y c o m b i n j n g 也ec x i s “n ga 姐i y s i sa n dm 觚a g e m e mi r l f o m l 撕衄s y s t 嘲f o r d c f o 咖a t j o nh 确i t o r i n go fs u b w a 茹a n de x p e r i e n c eo fu r b u ns u b w a y c o n s t r u c t i o n 柚d 缸r t h e rd e v e l o p m e n to fg i sf o rm a n yy e a r s 1 1 l cs y s t e m w 鹞s u p p o n c db ya s s i s t a n tw a y so fg l ss o f t w a r em a p i n f op r o f e s s i o n a l 7 0 绷df u n h e rd 钾e i o p m 蜘t l a n g i i a g em a p x 5 0 1 1 l ed e v c l o p i n gp r o c c d u r eo f t h es y s t e mw a se l a b 0 豫t e da n ds o m em a i nf i l n c t j o n so ft h es y s t e mw e r e i n t r 0 d u o c 畦i nb r i e f a tt h es a m et i m 岛印p l i c a t i 衄so ft h i ss y s t 锄i nt h c d c f o 珊a t i o nm 砌断i n go fs u 晰a yc 0 n s t m c t i o nw e r es t u d i e d ，i tc o n s i s t s o f s e v e 脚p & n s 嚣糊l a 吣： 1 t h e 忡p c re x p a t i a t et h ew a yo fi n t c g 阻t i n gm i s 卸dg l si nt h c d e f o 椭a t i o f 锄b w a yc 0 咖c t i o n ，i n 缸o d u c i l l gm i n u l d yt h ef 咖峨i o 珏 d e s i 印，d a t a b a s ed e s i 趴，g e n e f a id e s i 驴a i l df l l n c t i o i m p l e m e n to fa n i n t e g r a t e dm i sa n dg i ss y s t e m m a l i a g e m c n t a l l d a j l a l y s i s0 塔f o r d e f 0 咖a t i o nm o n j t o r i n go fs u b w a yc 0 n s t m d i o n ；t h e nt h ep a p e fp f e s e n t s t h ep r i n c i p l e 柚dg e n e r a ii m p i c m e n tm e t h o do fd e v e l o p i n g 姐i n f o 啪a t i o n m a n a g 锄e ms y s t e m f o f l h ed e f o 唧a l i 咖 m o n j t o f i n g o f s u b 、v a y c o n s t m c t i o n 1 北京交通大学硬士学位论文 2 1 l l l 【j i n gt h es u b w a y m a p s 踮t h cb a c k g f o u n d ，t h c 鲫f h 张r cs y s l e 】m c k a r l yd i s p l a y s t h el a y 帅to fe a c h p 0 _ i f l t o fs u b w a ym a i n t e n a n c e p m j e c t s t h cu s e r 髓n 晒et h e 乎即h i cj n 蛔a 埔。n $ 0 0 l s 幻a d d m o d i f ， u p d a t ea n d6 n dt h e 邸h 张yo b j e c t s 够t oh e l pt h ed c c i d e ft om a k e d e c i s i o n 3 d 钾d o p m e n th i 咖p 晌咖蛳c e d a l am a n a g e m c n tf l l n c i i a n 4 h 啪删姗i 缸酬i yp l 烈l u c ce a c h 蜘do f n 甄棚c 虹o nt o p i cc h 嘣 5 h 锄a f r yo nm a m i n gt h c 叻d e 嘻删l l dt h f 出啦朋s i 嘲i 4 田氍h b n m 6 n 嘲伽t y 咖毛b c d y n 枷i cs h r v c m a n c c 粕ds 8 n d 伽lp 王j 洲a m 蛔噻 o ft h ed i 咖m o nt oe x c e e dt h ea l l o w e df i g u r e ；r e g a r d i n gt h ee v c n ta r i s i n g s u d d e n l y ，矗c 姐r 争p j d l yp m v j d ct h ee 曹e n c yp l a n ，d c t e 衄i n ep o s i i i o n o fb r c a k d o w 啊 k e yw o r d s ： u r b 姐 s u b w 啪m o i 。o 咖g o fs a f e t yi n c o n s t m c t i 鸭g l s ，d a t ap 1 0 0 鲒s i ga i l d 柚a l y s i s 第一章绪论 1 1 选纛背景 第一章绪论 1 1 1 我国地铁建设的现状及前景 地铁是国际性大城市不可或缺的交通工具与出行方式，据有关资 辩显示，全世界已经有l 多窿城市建有地铁，总运行长度大媚帕多千 米。而目篱，我国大陆建成地铁并投入使用的城市远远不能满足实际 需求。 我国将迎来地铁建设的一个高潮，因此，研究与地铁建设相关的 各种问题，并将其应用于实际工程，将会产生明显的社会效益和经济 效益。 1 1 2 地铁施工变形监测的作用 地铁施工变形监测是保障地下铁道l 一程建设的质量、车辆运行安 全以及保护沿线建筑环境的重要手段。地下铁道在修建施工中，有两 方面的变形监测工作：一是对基坑丌挖引起的边墙及周围地基、建筑 物的变形观测，对隧道斯面、内部拱项的变形观测；二是对囚盾构机 掘进和矿山法开挖引起的地表道路、两侧建筑物及公共设施的沉降、 倾斜、裂缝观测。通过监测随时预报变形、沉降值的大小，以便及 时修改盾构机掘进的各项参数或对暗挖隧道采取加固措施，控制变形 量保证安全，避免损失。由此可见，地下铁道在修建期间进行变形观 测是完全必要的，变形监测的意义是随时掌握隧道本身及其周围环 境f 地面建设、地下水、不良地质等) 影响引起的沉降和位移大小，采 取措施防止继续变形，保证结构和施工安全；二是积累监测数据、分 析变形规律，检验已有的理论，为地铁轨道、设备检修及后续地铁设 计、旋工提供参考依据。 北京交通大学硕士学位论文 1 1 3 论文选题背景 城市地铁变形监测是保证施工安全和工程质量十分重要的措施， 监铡内容包括线路及沿线两侧建筑物倾斜沉降、道路及各种管线沉降、 士体位移、水位变化、桥梁墩台位移、隧道收敛及拱顶下沉等，并对 各种监测数据进行及时的计算分析和信息反馈。监测数据的处理和分 析，涉及大量而复杂的计算、绘图、地理定位和制表等工作，研究和 开发一种计算机系统自动对城市地铁施工监测的数据进行管理，并及 时给出安全预警是紧追的。所以基于g s 的地铁j = 程旖工监测及分析 管理信息系统是非常必要的，应用该系统可以对各种监测数据进行处 理、分析及实时对施工监测点定位，完成信息化施工管理”1 。 g i s ( 地理信息系统) 可以实现空间图形显示与空间信息查询与 分析。地铗藏工变形监测所牵涉到的数据类型多样，既有每日的测定 变形观测数据，又有测点布置图这样的图形数据，既需要进行一般关 系数据库检索，又需要有空间查询和显示的功能。为此，我们开发了 一个包含g 瑕的地铁辅工监测信息管理系统。地铁监测测量数据种类 繁多，观测数据量大，传统的手工处理已远远无法满足要求。集成g i s 的地铁施工监测系统既具有传统地铁施工监测系统存储海量数据、进 行数据逻辑处理和保证数据完整性的优势，又可以具有g i s 系统空间 显示和空间查询的功能，对于地铁监测这样要求需要处理海量数据的 工程，是一个较好韵解决方案。 g i s 和m l s 都是以计算机为核心的信息处理系统，都具有数据量大 和数据之间关系复杂的特点。但g i s 主要处理空间数据，例如，土地 资源、森林资源、交通运输网络、人口分布等数据。而m i s ( m 粕a g c m e m i n f o 珊a t i o ns y s t e m ) 主要处理物资、设备、资金、产量、库存、劳动力 以及人事档案、生产合同、计划任务等非空间数据。在大型m i s 系统 中集成部分g i s 功能，这种应用模式将越来越广泛。同时，组件式地 理信息系统和w 曲g i s 技术有利于实现m i s 和g i s 的无缝集成。 第一章绪论 城市地铁施工监测的周期长、数据量大、数据来源众多，涉及大 量的空间数据管理、分析和查询。从而传统的监测数据管理还基本处 于人工管理、人工检索阶段，面目前广泛采用的数据库技术也只能管 理原始监测数据成果，仅仅停留在数据的存储和简单检索上，数据查 询显示不直观，检索速度慢，而且很难综合在同一区段的各类不同来 源、不同类型的数据信息，亦无法对数据进行自动分析和处理，已远 远无法满足要求g l s 技术在这些方面却具有突出的优点。g i s 技术 是处理复杂逻辑运算，进行空问数据存储和数据挖掘的有效工具。应 用g 塔技术于地簸麓工苴潮鼙据韵管理，可以对海重的蕊捌数据进行 可视化查询、检索、统计、计算、空间定位与分析。当监涌数据变化 趋势出现异常时可以及时预警，并直观的定位显示报警对象的空间位 置。为此开发基于g i s 技术的城市地铁工程监测分析管理信息系统是 势在必行。 1 2 研究目的 1 2 1 地铁施工变形监澜数据管理所面临的问题 地铁施工变形监铡的周期长，数据量大，数据来源众多。而传统 的监测数据管理还基本处于人工管理、人工检索阶段口1 ，工作十分繁 重且效率低下。具体体现在以下几个方面： 1 监测数据处理入员每天都要人工处理当日的监测数据，如进行 平差计算等，然后记录至监测日报中，工作量大且容易出错。 2 监测数据分析人员在分析数据时，要将各监测点的监测数据和 测点布置图上的测点位置一一对应，很不直观；而且由于计算量大， 很少对监测数据进行回归计算和定量的趋势预测，仅仅依照已有监测 数据绘出时程一变形折线图。各种需要报送地铁公司的图表和报表， 也靠手工完成。 3 当需要进行相关查询时，需要人工翻阅监测记录，速度慢且不 北京交通大学硬士学位论文 可靠。 4 纸质文档保存的监测记录不易管理。 这些问题在我国的地铁施工变形监测工程中都不同程度地存在 着。而将m i s 技术和g i s 技术引入到地铁施工变形监测中，则可以较好 地解决这些问题。 1 2 2 g i s 技术与m i s 技术在地铁施工变形监测中的应用途径 g i s 技术可以在以下几个方面应用于地铁施工变形监测中： l 囊 形数据营理中豹应用地铁监测数据分折中需要利用到大量 的圈形数据如地形图、地质图、管线图、监测点位分布图等。利用g i s 技术建立空间数据库，侄空问数据管理、更新、维护、空间查询检索、 空间辅助决策等方面具有传统纸质电子图纸的空间数据存储方式无 法比拟的优势硼。 2 空问分析和空间查询功能。利用g i s 技术，可以进行各种空间查 询和空间分析，如查询在某建筑物附近有何种测点、某测点距离施工 隧道的距离是多少、某测点的具体空间位置、某日进行外业观测的最 佳路线等。 3 可视化功能。通过g l s ，监测数据分析人员可以直接面对各种专 题图层，如测点布置图层、管线分布图层等进行数据分析和图形的交 互操作，非常直观，实现了监测分析过程的可视化。 。4 辅助空伺决策功能。例如利用g i s 技术，可以辅助布置监测点。 只要输入合适的约束条件，如监测点距离旌工线路的距离、监测点周 围的建筑物、道路分布情况r 例如，为了便于观测，周围不能有高层建 筑物) 等，系统就可以自动寻找满足这些空间约束条件的最佳测点布置 位置。 5 辅助分析功能。g i s 可以将现有数据组合在一起，能更好地找出 发生事件与哪些数据有关。例如，假定需要分析监测值超标情况，利 用g i s 技术，可以查出监测值经常超标的溯点布置在何处，布置地点 4 第一章绪论 和时间是否有关，在该地点是否有其他条件( 如是否常处于深开挖基坑 的附近1 等。 针对上述地铁施工变形监测数据管理中存在的问题，建立一个高 质量的地铁施工变形监测管理信息系统( m i s ) ，可以起到以下几方面 的作用： 1 辅助羹据处理。所有的观潞数据可以集中存放于大容量数据库 中，实现数据的统一管理。观测数据录入之后即可进行自动计算和处 理，解除监嗣数据处理人员的繁重工作删。 2 支持囊冀数据登忻。m 琏系统可以方便地实现各种组合关系查 洵，和g i s 技米结合，还可以实现空饲查询，大大方便了监测数据分 析人员的工作；m l s 系统还可咀依照设定的数学模型自动对观测数据 进行各种回归分折和趋势预测，提高监测分析的效率；通过数据挖掘， m i s 系统还可以自动寻找数据之间的联系，进行关联分析。 3 支持监测文档管理和自动生成。通过m i s 系统，可以有效地管 理监测过程中产生的各种文档，克服人工管理纸质文档的缺点；m i s 系统还可以自动提取监测数据生成周报和月报、自动绘制各种图表， 使监测人员避免繁琐的摄表整理工作。 4 辅助监测项目管理。地铁施工变形监测是一项系统工程，不可 避免地要牵涉到项目管理的问题，通过将分散的管理信息综合组织， 建立各种管理予系统，m i s 系统可以有效地辅助管理人员进行管理； m i s 系统的强大信息查询功能还可以让管理人员高效地获取所需的信 息。 可见，开发基于g i s 技术的城市地铁工程监测分析管理信息系统 是势在必行。 总之，深圳地铁变形监测信息管理系统是一个基于m l s 和g i s 技术 的地铁施工变形监测管理信息系统。其设计目的是建立一个能够广泛 适用于其它地铁变形监测工程的信息管理系统。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 论文研究重点 本文依托于实际工程项目：深圳地铁土建施工变形监测项目，重 点研究了g i s 在地铁施工变形监测的数据分析和信息管理中的应用。 具体有以下几方面的内容： 研究了m 璐和g i s 技术在地铁旖工变形监测中的应用途径与实现 手段，详细介绍了基于m 珞和g i s 技术的深圳地铁变形监测信息管理系 统的设计和实现( 作者是该系统的主要开发人员之】，对她铁篪工变 形监蠢信基管理系统应麓疆的开发暴露和一般实理方法提出了自丑的 观点。 1 监测数据导入g l s 的实现”1 空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有 多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中 已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力 瓷源的工作在g i s 中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前 者是录入的主体。在凋形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括 坐标变换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。如何保证在数 据转换过程中风格不变，近年来，g i s 应用逐步深入到各行各业，地 图数据绝大多数来源于测绘部门，由于传统测绘行业大都使用诸如 c a d 类软件，这就出现了从c a d 等敬件到g i s 的数据格式转换问题。 尽管大部分g i s 软件郁提供了数据格式转换功能，但是由于。牺等软 件在数据存储、图元定义、管理风格等方面同g l s 软件的差别，格式 转换的效果不尽如人意。要解决的核心问题就是数据要进入g i s 系统， 如何转换、组织和管理。 2 空问查询与量算、数据处理 查询和定位空间对象，并对空问对象进行量算是地理信息系统的 基本功能之一，它是地理信息系统进行高层次分析的基础。在地理信 息系统中，为进行高层次分析，往往需要查询定位空间对象，并用一 6 第一章绪论 些简单的量测值对地理分布或现象进行描述，如长度，面积，距离， 形状等。实际上，空间分析首先始于空间查询和量算，它是空间分析 的定量基础。数据处理由一系列空间的和誓空删的操作组成，一个设 计良好的界面使实现这些操作更加容易。与标准的关系数据库相比， g i s 所管理的数据更具有面向对象的特征，所以一个面向对象界面有 利于用户与系统的交互操作，完成数据处理。在g i s 软件中，面向对 象的界面设计包括将地理实体，如点、线、多边形以及一些操作以象 形的符号表现出来，丽用户可以通过简单的点击、拖放等操作实现相 斑的散据处理。 3 数据绑定韵机制和实现 数据绑定是将数据源中的数据导入m a p x 的过程。m a p x 使您 可以绑定到多种不同类型的数掘源。在m a p x 中，数据显示为 d a 协s c t 对象。 4 专题地图的制作 专题地图就是用于分析和表现数据的一种强有力的方式。用户可 以通过使用专题她图的方式将数据图形化，使数据以更直观的形式在 地图上体现出来。当使用专题渲染在地图上显示数据时，可以清楚地 看出在数据记录中难以发现的模式和趋势，为用户的决策支持提供依 据。 北京交通大学硕士学位论文 第二章地铁变形监测管理分析系统开发的有关 技术原理 2 1 地铁变形监测技术发展概况 地铁隧道内部及地表面的变形监测主要有沉陷观测与水平位移观潮 两个方面。沉陷观测主要采用的方法是在变形区域布设一系列水准观测 点，使用水准仪进行水准铡量。隧道内的永乎位移观测一觳设置观测基线 来控制。基线桩的分布，直线上每1 0 0 2 0 0 米设桩，曲线上每隔4 0 7 0 米设桩基线桩可设在中线上，也可设在水沟混凝土的墙顶上并将洞 内纂线引至两端稠口外设3 4 个固定桩，作监测基线桩位移用。对于水平 位移观测点相对于基线桩的位移可采用准直法和测角法来测定“。 准直法是根据观测点偏离基准线的大小程度来判断横向水平位移，根 据观测点至直线上某控制点的水平距离的变亿判断观测点的纵向位移。 测角法是在固定测站设站，测量控制点与观测点之问的水平角。设第 一期观测的角值为区，第二期观测的角值为熙，则按两期的差值判断水 d n 平位移的方向，两期间观测点的横向位移值为旦二丝f ，其中1 为测站与观 p ” 测点之间的水平距离“”。 上述的常规测量手段缺陷在于无法实时的进行连续跟踪观测，例如邻 近地铁地段进行非地铁建筑深基坑开挖，在地铁车辆运行情况下，经常中 断测悬，难以即时预搬和立即采取相应紧急措施，如停运，经济与社会效 断测悬，难以即时预搬和立即采取相应紧急措施，如停运，经济与社会效 益损失都大。 第二章地铁赍形监蔫警理分析系统开发的有关技术原理 目前，国内外地铁形变监铡已_ 有常规测量逐步被自动化监测方法所代 替，测量断面变形的传感器结合计算规系统，可以自动测量、庀录断面变形 情况。由自动化全站仪组成的极坐标测量系统，己广泛用于地铁运营期间 地铁隧道的变形监测，它具有无人职守、实时测量、不干扰地铁运营等优 点，可实现信息的运距离传送、变形预警等需求。l e i e a 公司开发的1 a + a p 晰n 垒自动变形监测系统己在伦敦地铁变形监测、香港九龙塘地铁 变形监测、新加坡地铁变形监测中得列成功应用。 2 二地理信息系统研究进展 2 0 1 地理信息系统的基本概念 2 0 地理信息系统是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩 影。严格地讲，它是反映人们赖以生存的现实世界( 资源或环境) 的现状 与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 2 g i s 功能概述 圈2 ，1 ：g i s 功糍概述椭圆) 以及它们的襄现( 矩形) 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变 化趋势、模式和模型。 对空间数据的处理是g l s 的核心功能，g i s 中的数据通常描述三部分 信息：空间信息( 位置，空问关系等等) ，非空闽的属性信息，时间信息。 数据按照其测量尺度，可以分为定名、定比、间隔、比率量四种类型。地 理信息系统集成了多学科的最新技术，如关系数据库管理，高效图形算法， 插值，区划和网络分析，为空间分析提供了强大的工具，使得过去复杂困 难的高级空间分折任务变得简单易行。目前绝大多数地理信息系统软件都 有空间分析功能。空间分析早已成为地理信息系统的核心功能之一，它特 有的对地理信息( 特别是隐含信息) 的提取、表现和传输功能，是地理信 l o 第二章地铁变形监测管理分析系统开发的有关技术陬理 息系统区别于一般信息系统的主要功舱特征。 空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的数据性质不 同，可以分为：( 1 ) 基于空间图形数据的分析运算；( 2 ) 基于非空间属性 的数据运算：( 3 ) 空间和非空间数据的联合运算。空同分析赖以进行的基 础是地理空间数据痒，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计 分析。代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的 实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。好 的空阿分析过程设计将十分有利于问题的解决，一般步骤是： 1 明确劈析的目豹秘评雠则； 2 准备分析数据； 3 进行空间分析操作； 4 进行结果分析； 5 解释、评价结果( 如有必要，返回步骤1 ) ： 6 结果输出( 地图、表格和文档) 。 2 2 3 组件技术与g i s 的发展 组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮瓦之一，为了适应这种技 术潮流，g i s 软件象其他软件一样，已经或正在发生着革命性的变化，即 由过去厂家提供了全部系统或者具有二次开发功能的软件，过渡到提供组 件由用户自己再开发的方向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技 术体系和应用模式带来巨大影晌。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式 软件，从而发展到组件式g i s 和w 曲g i s 的过程。传统g i s 虽然在功能上已 经比较成熟，但是由于这些系统多是基于十多年前的软件技术开发的，属 于独立封闭的系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用 昂贵，阻碍了g i s 的普及和应用。组件式g i s 的出现为传统g i s 面i | 每的多种 问题提供了全新的解决思路n 。 北京交通大学硕士学位论文 组件式g b 的基本思想是把g 璐的各大功能模块划分为几个控件，每 个控件完成不同的功能。各个g i s 控件之问，以及g i s 控件与其它非g i s 控 件之问，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的 g i s 应用。控件如同一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能泡括 g i s 和非g i s 功能) ，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成 应用系统”1 。 2 2 4g i s 开发方式选择 地理信息系统掇据其内容可分为两大蒸本类型：一是应用型娥理信息 蒸统，以菜一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区 域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是g l s 工具软件包， 如a r c ，矾f 0 等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基 本功能。随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作目显 重要。如何针对不同的应用目标，高效她开发出既合乎需要又具有方便美 观丰富的界面形式的地理信息系统，是g i s 开发者非常关心的问题。 本课题的目标是在“地铁变形监测软件”中实现地图功能，正是应用 型g i s 的丌发“”。在开发初期，最主要的工作就是要确定下来实现方式。 应用型g i s 开发有多种方式可供选择。 2 2 4 1 应用型g i s 开发的三种实现方式“ 1 独立开发 指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处 理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序 设计语言，如v j s u a lc + + 、d e l p b j 等，在一定的操作系统平台上编程实现。 这种方式的好处在于无须依赖任何商业g l s 工具软件，减少了开发成本， 但一方面对于大多数开发者来说，能力、时问、财力方面的限制使其开发 第二章地铁变形监潮管理分析系统开发的有关技术原理 出来的产品很难在璃能上与商业化g i s 工具软件相比，而且在购买g i s 工 具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代 价。 2 单纯二次并发 指完全借助予g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g 塔 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s m 的a r c e w 提供了a v 蛐u e 语言，m a p 响公司研制的m a p h f o 御嘛s s i a i 提供了 m 叩b 瓣语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原g 璐工具软件为开发 平台。开笈出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式富对省心， 但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只麓算是二流，功能撅弱，用它 们柬开发应用程序仍然不尽如人意。 3 集成二次开发 集成二次开发是指利甩专业的g i s 工具软件，如a v i c w 、m 砷h l f b 等， 实现g j s 的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如 d c l p h i 、s u a l c + + 、v i s u a l b a s i c 、p o w e r b u i l d e r 等为开发平台，进行二者 的集成开发。 集成二次开发目前主要有两种方式： o u 目d d e 采用0 l e a u t o m a t i o n 技术或利用d d e 技术，用软件开发工具开发前台 可执行应用程序。以0 l e 自动化方式绒d d l ! 方式启动g i s 工具软件在后台 执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中豹地理信息处 理功能； g i s 控件 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在0 c x 技术基础上的g i s 功能 控件，如e s r i 的m a p o b j e c t s 、m a p i n f 0 公司的m a p x 等，在d e l p h i 等编程工 具编制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各 种功能。 北京交道大学硕士学能论文 2 2 4 2 三种实现方式的分析与比较“” 由于独立开发难度太大，单纯二次开发受g i s 工具提供的编程语言的 限制差强人意，因此结合g i s 工具软件与当今可视化开发语言的集成二次 开发方式就成为g i s 应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用g i s 工 具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言 具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统 韵开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好 的外露效累，更强大掬敷据库功燕，两且可靠性好、易于移糖、爱f 维护。 尤其是使用o c x 技术利用g i s 功能组件进行集成开发，更能表现出这些优 势。 由于上述优点，集成二次开发正成为应用g i s 开发的主流方向。这种 方法难一的缺点是前期投入比较大，需要同时购买g i s 工具软件和可视化 编程软件，租“工欲善其事，必先利其器”，这种投资值得。 目前许多软件公司都丌发了很多a c l i v c x 控件，合理选择和运用现成 的控件，减少了开发者的编程工作量，使开发者避开某些应用的具体编程， 直接调甩控件，实现这些具体应用，不仅可以缩短程序开发周期，使编程 过程更简洁，用户界面更友好，可以使程序更加灵活、简便。 与利用0 l ea u t o m a t i o n 技术作为服务器的m a p i t d b 相比，利用控件开 发速度快，占用资源少，而且易实现许多底层的编程和开发功能“。 综上，我们选择了“v b + m a p x ”作为系统实现方式。 2 2 5 开发g i s 软件的工程思想与g i s 软件工程的实施 g l s 工程建设中的一个主要工作是进行专业g i s 应用软件的开发，或 g l s 软件在某领域中的应用。对于具体的应用，认识问题和解决的手段和 技巧不尽相同，但总的目标就是如何以较少的代价获得高质量的软件。 地理信息系统工程大致可以分为两个阶段：系统软件开发；地理数据 1 4 第二章地铁变形监潮警基分析系统开发的有关技术原理 集成、管理和运行。地理信息系统软件属于管理系统软件，必然按照管理 信息系统的开发规律进行，管理信息系统的开发过程可以划分为：总体设 计、系统分析、系统设计、系统实旌、系缝运行和维护“”。 地理数据的集成过程同地理信息系统软件的开发过程有很大区别，它 遵循的主要原则是：科学的数据分类和编码、可靠的数据质量、统一的数 据标准和合理的数据维护策略。地理信息系统数据集成的过程如下；( 1 ) 工具型地理信息系统软件的选择，必要的模块开发；( 2 ) 数据的分类和编 码，数据字典的建立。数据标准的制定；( 3 ) 数据的获取、整理、和质量 分析；“) 数据的应用秘维护。 2 2 6m a p i n f 0 简介 m a p i n f b 是美国m a p i n f o 公司的桌面地理信息系统软件，是一种数据可 视化、信息地图纯的桌面解决方案。它依据地图及其应用的概念、采用办 公自动化的操作、集成多种数据库数据、融合计算机地图方法、使用地理 数据库技术、加入了地理信息系统分析功能，形成了极具实用价值的、可 以为各行各业所用的大众化小型软件系统。m a p h l 幻含义是“m 聊i i l g + l n f o m a t i 衄( 地图+ 信息) ”即：地图对象+ 满性数据“”。 m 印崎p m 6 嚣醢o n a i 提供一整套功能强大的工具来进行复杂的商业 地图化、数据可视化和g l s 功能。通过m 雄i n f op 砥s s i o n a l 可连接本地及 服务器端的数据库，创建地图和图表以揭示数据行列背后的真正含义。也 可以定制m a p i n f op r a f e s s i 伽m 以满足用户的特定需要。 支持o f 羽c 9 i 完全 读写，通过o c i 对o r a c l e 9 i 及通过o d b c 对其它数据源的实时访问。 2 2 6 1 m a p i n f 0 的功能特色 1 属性数据 可点选图层中之对象，查阅其相关数据，如名称、地址、电话。 北京交通大学硕士学位论文 2 因特网 m a d i n f op m l 6 e s s i o n a l 6 o 版本以上皆提供h o t l i k 功能，可从图层上之 任一对象，连结至因特网或是其它类型的档案如 ( d o c x l s ，p p t ，m d b ，e t c ) 。 3 统计图表 可制作3 d 、a 托a 、长条、泡泡、折线、圆饼等统计图表。 4 图层套迭u 蚋 在m a 口h 幻中可以开启数个图表文件于一个图层窗口中。将每一图表 文捧备剔梗彝一个圈层纛每个圈联像透明胶片迭加在一起。 5 拖曳功能 可直接拖曳她图至其它应用程序。如( d o c ，x l s ，p p t e t c ) 。 6 影像功能 能使用的影像图文件诸如：扫描后的纸张地图、卫星图片、照片以及 标志符号，为您的图层添加新的内容。 2 2 7m a p x 控件 2 2 7 1m a p x 简介 m a p x 是m a p m f 0 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的a d i v e x 控件产品。由于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因而能支持 绝大多数标准的可视化开发环境如v j s u a lc 十+ 、v j s u a lb a s i c 、d e l p h i 、 p o w e r b u i l d e r 等。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发语言， 轻松地将地图功能嵌入到应用中，并且可以脱离m a p l n f 0 的软件平台运行。 利用m a p x ，能够简单快速地在企业应用中嵌入地图化功能，增强企业应 用的空间分析能力，实现企业应用的增值。m a p x 采用基于m a p i n f o p r o f c s s i o n a l 的相同的地图化技术，可以实现m a p i n f op r o f e s s i o n a l 具有的绝 第二章地铁变形监测管理分析系境开发的有关技术藤理 大部分地图编辑和空间分析功能。而且，m 印x 提供了各种工具、属性和 方法，实现这些功能是非常容易的。 2 2 7 2 m a p x 的空间数据结构 空间数据结构，是g 璐的基石，g i s 就是通过这种地理空间拓扑结构 建立地理图形的空间数据模型并定义各空f h j 数据之| 、日j 的关系，从丽实现地 理图形和数据库的结合。+ 绿含她啊 空闻实体 嘲么7 蝴蜘燃 圈层2 对应的空问数据衰 圈z 2 m 邮糊空闷数据螬掏 从横向分析，m a p x 采取的空间数据结构是基于空间实体和空间索引 相结合的一种结构。空问实体是地理图形豹抽象模型，主要包括点、线、 面三种类型。任何点、线、面实体都可阻用直角坐标点x 、v 来表示。点可 以表示成一组坐标( x ，y ) ，对于线和面，则均被表示成多组坐标( x l ， y 1 ；x 2 ，y 2 ；x n ，y n ) 空间索引是查询空间实体的一种机制，通过空间 索引，就能够以尽量快的速度查询到给定坐标范围内的空间实体及其所对 应的数据。 从纵向分析，m a p x 的空间数据结构是一种分层存放的结构。用户可 北京交通大学硕士学位论文 咀通过图形分层技术，根据自己的需求或一定的标准对各种空间实体进行 分层组合，将张地图分成不同图层。采用这种分层存放的结构，可以提 高图形的搜索速度，便于各种不同数据的灵活调用、更新和管理。 第三章地铁变形监一管理分析a s 曲系统设计 第三章地铁变形监测管理分析g i s 的系统设 计 3 1 系统需求分析 系统第一步开发需要实现的以下几个功能： 1 空问数据的显示和管理。该模块对于空间数据以图层的形式显 示和管理，同一标段所有灏点在层中显示，空间数据的数据源为存 储于服务器上的挚t 文件。该模块提供了浏览、缩放、增加、明除各图 层，移动、标拄、量取尺寸、选取目标等。其界面如图3 1 ： 图3 1 系统界面图 2 数据导入功能。该系统导入的是m 8 p x g e o s e tm a n a n g e 建立的 g s t 格式的文件咖1 。 3 空间查询与量算、数据处理 查询和定位空间对象，并对空间对象进行量算是地理信息系统的 1 q 北京交通大学硕士学位论文 基本功能之一，它是地理信息系统进行高层次分析的基础。在地理信 息系统中，为进行高层次分析，往往需要查询定位空间对象，并用一 些简单的量测值对地理分布或现象进行描述，如长度，面积，距离， 形状等。实际上，空阃分析首先始于空问查询和量算，它是空间分析 的定量基础。 数据处理由系列空问的和非空间的操作组成，一个设计良好的 界面使实现这些操作更加容易。与标准的关系数据库相比，g l s 所管 理的数据更具有面向对象的特征，所以一个面向艨界面有利于用户 与系统的交互撵作，完成数据处理在g l s 软件中，面向对象豹界面 设计包括将地理实体，如点、线、多边形以及一些操作以象形的符号 表现出来，而用户可以通过简单的点击、拖放等操作实现相应的数据 处理。 4 主题地图绘制和分析 主题地图绘制是用于分析和可视化数据的一种强大方法。为数据 提供图形格式，以便可以在地图上查看数据。使用主题遮蔽在地图上 显示数据盼，数据列表中几乎无法检测到的图案和趋势可以清晰地展 现。有了m a p x ，可以创建拥有以下主题类型的主题地图的应用程序： 值范围、分级符号、点密度、个别值以及柱状图和饼状图。 主题地图绘制是根据特定的主题遮蔽地图的过程。主题通常是数 据的某个部分或某些部分，可以从数据集获取。主题利用颜色阴影、 填充图案、符号或柱状圈和饼状图，以可视化的形式显示数据。根据 数据中的特定值将这些颜色、图案或符号分配给地图对象，可以创建 不同的主题地图。柱状图和饼状图可以对数据集中的每个记录进行数 据比较。 主题地图可以使用许多方法来图解数据。最常用的一种主题地图 就是气象图。如果显示红色，表示天气很热( 度数高) ；如果显示蓝色， 表示天气很冷( 度数低) 。通过主题地图绘制还可以发现通过表格数据 很难看出来的数据趋势。在n e m e s 集合、t h e m e 对象和 第三章地铁变形监铡管理分析g i s 的系统设计 t h c m c p m p c f t i 嚣对象中使用属性和方法，可以创建并定义自己的主题 遮蔽。k 蚋d 对象存储主题的关键字，说明主题的颜色、形状和大小 代表的含义。 5 空问图形数据和属性数据结合功能。她铁施工监测的大量工作 与空间信息有关，其监测和分析工作牵涉到各种类型的工程图纸。只 有将这些图绒所记载的空间数据和各种监测结果( 数值型数据) 结合在 一起，能够有效地实现辅助监测数据分析和决策的功能。这几项功能 的实现可以较大地提高深圳地铁一期工程变形监浏项目部的工作效 率。 另外，由于媛系统的设计目的是要建立一个广泛适用而功能强大 的地铁监测信息管理系统，所以在进行系统需求分析时也考虑了进一 步丌发时要实现的功能模块。 3 2 系统开发环境和工具 丌发环境： 本系统采用目前国内外流行的w i n 曲w 栅操作系统，并确保该操 作系统下歼发的软件也适用于w i n 9 8 和w 猢盯操作系统。m i c m s o f t 的 w 妯d d 啪操作系统一向以其便于操作的图形化界面而著称，所咀该操 作系统很适合本软件所要求的界面友好( u s e r 所e n d j y ) 的特点。 开发工具： 本软件开发采用m i c r o s o f i 的s u a lb a s l c 集成软件开发工具， 6 o 是其中比较新的版本，各项功能都比较完善，特别是它的面向 对象的编程技术( o o p ) 和事件驱动的编程思想使得编程人员可以充 分利用w i n d o 悄的图形化界砸和高性能微机的强大功能方便地进行3 2 位应用软件的快速开发。 m a p x 是m a p i n f o 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的 a c t i v e x 控件产品。由于它是一种基于w