形变观测数据处理系统的构建设计与研究.doc

沉降观测数据处理系统的构建设计与研究胡冬芽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）摘 要：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，是极具现实意义和实用价值。本文分析沉降观测的特点、方法及图表拓扑关联，构建和展示了软件的功能和特色。关键词：沉降观测；Excel；图表；VSTO中图分类号：TU196The construction of the design and research of the Settlement observational Data processing system1，SONG Qihai 2，SU Tiezhu3(1.Engineering Institute of Corps of Egineers，PLA Univ. of Sci.Tech.，Nanjing 210007，China；2.College of Land Management，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China）Abstract：At present，building settlement observation very common and trival，how to construct the relevant computer software to handle data and writing reports，the settlement is a great practical value. This paper analysis the characteristics of the settlement observation，the method and topological association，construct and chart shows the software function and characteristic.Key words：settlement observation；Excel；chart；VSTO1 前言自上世纪改革开放以来，中国经济高速发展，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，地基荷载增加，引起地基及周围地层变形。为保证建（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。具有很强的应用和技术推广价值，可大大减少工作强度，提高沉降观测效率。2 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,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）明确具有针对性，既有重点，又要作全面考虑，以能正确反映建（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和进行相关预测预报。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。比如，在没有特别要求情况下，针对一般性高层建（构）筑物，采用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：ha-b1.0；（2）测站前后视距30m；（3）测站前后视距差1.0m；（4）前后视距累积差3.0m；（5）沉降观测点相对于后视点的高差容差 1.0mm。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；（3） u-t-s（沉降速度时间沉降量）曲线图；（4） p-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。3 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，简称VSTO）。它可根据表格中各种枯燥的数据迅速处理、计算、分析等，且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是最好的数据纪录器（多页表格），同时又是最好的计算器和绘图工具；测绘人员只要懂一些Excel的宏命令，会写一些简单的代码，就可以充分利用Excel了。3.1 Excel的工作表与4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4维数据，也就是3维地形数据和1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）不好表达4维数据，Excel可以很巧妙的表达，它提供了多重工作簿（sheets），在理论上，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（见图1所示）。图1 Excel的多个工作簿3.2 各种数据格式设定和检查对于非10进制的数据，如角度值，测量仪器显示的都是度分秒，是60进制，例如12.3456表示12度34分56秒，如何计算角度和检查是否超限（我国国标规范上：角度的表示都是用度分秒），结合自编函数，Excel很好解决；同样对于时间值，如何计算2个日期值的间隔天数，Excel有专门的计算函数（DateDiff(interval, date1, date2, firstdayofweek, firstweekofyear )，也是非常方便和使用，设置数据格式（小数位数、日期等），更加简单，见图2。图2 数据格式设置3.3 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 使用来自工作表的值，并将其当作数据点在图表上显示。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。Excel的工作表中任何数据的变化，图形都会跟随变化，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的，有拓扑关系。图3 绘图式样4 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，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）。图4 沉降软件的界面4.1 软件的功能设计与架构本系统实现的功能结构图如下：开启沉降软件(启动Excel)参数设置（误差参数和限差等） 位移变化图等值线图键盘录入文件导入单点计算多点计算速度分析 表过程分析编辑数据仪器通讯分次计算形变速率图沉降曲线图荷载分析监测报告沉降计算与位移计算绘制多种曲形式曲线图形变分析和报告编制线性回归奇异插补 辅助功能（数据检验）观测数据录入与编辑图5 系统架构图4.2 软件功能简介（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，为计算精度和预警做准备。（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，让使用者按照界面提示输入各种数据，也可以仿照例子，在Excel的工作表里输入（典型的Excel操作）；可以输出数据（按次）输出到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、时间间隔和误差是否超限。（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）测点计算形变和绘制折线图。计算形变值和累计形变量、时间间隔值，并绘制多条形变折线图，做为比较和监测。（7）位移量的计算与图形绘制。（8）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。（9）观测数据检验与评估。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：a线性回归检验b奇异性检验与插补；c回归分析与建模；d自由网平差4.3 应用样例通过对南通地区的一座商业大厦（22层，地下2层，地上20层）的形变观测数据处理，验证了计算的快捷性和可靠性。形变监测时间期为4.5年，其中，建设初期（0.5年）是基坑的位移监测数据处理，中后期建设（1年）是沉降观测数据处理，竣工后（3年）仍然进行沉降观测数据处理。5 结论实践证明，本软件采用VSTO方式实现Excel二次开发，节约了计算机内存；使用方便、操作简便，能够适合不同计算机水平的用户：自动绘制各种生动美观的图表，编写标准的监测报告，极大的减少了工作强度和提高工作效率，具有很强的推广和应用价值。参考文献：1 中华人民共和国建设部，建筑变形测量规范