基于ArcGIS的三维可视化深基坑监测系统的研发及应用

夏 鹏 崔宇鹏 张明伟 陈 诚 徐帮树

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,山东 济南 250061)

基于ArcGIS的三维可视化深基坑监测系统的研发及应用

夏 鹏1崔宇鹏1张明伟1陈 诚2徐帮树1

(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061； 2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,山东 济南 250061)

采用Geodatabase作为空间数据模型，并基于ArcGIS Engine二次组件库技术和MATLAB BP神经网络模型，研发出集深基坑监测数据管理、预测预警分析、可视化表达于一体的深基坑监测系统，通过长沙地铁湘府路车站实例表明，该基坑监测系统能稳定处理大量监测数据。

基坑，监测数据，Geodatabase，ArcGIS Engine

0 引言

基坑工程中，由于影响因素众多，现有的理论尚不能完全反映工程的各种复杂变化，在这种情况下，就需要通过现场监测来判断施工是否符合预期要求。传统的现场监测通过Excel和word文本形式来管理监测数据，当监测数据足够大时，依赖人工筛选数据进行基坑预报检测非常繁杂而且容易出错。

早期的数据库管理系统主要是基于传统型的关系型数据库的管理系统，无法处理地理信息，可视化和空间分析功能不足。具有代表性的有肖跃民[1]、钟正雄[2]、石杏喜[3]、胡友健[4]、杨佳等人开发的系统[5-8]。

针对以上问题，本文基于Geodatabase空间数据库技术对深基坑监测相关数据进行地理空间数据模型设计，利用ArcGIS Engine进行二次组件式开发，同时采用目前流行的界面控件插件DevExpress进行界面设计，结合MATLAB程序通过BP神经网络模型对监测数据进行预测，开发一个集深基坑数据集成管理、预测预警、数据分析、可视化于一体的深基坑监测信息管理系统，对深基坑监测工作具有重要意义。

1 地理数据库设计

1.1 要素分类

基坑监测数据库主要包括勘察、设计、施工、监测四大类数据，Geodatabase空间数据库将具有地理信息的数据以及其属性信息一起存储在空间数据库中，针对深基坑监测的特点，将不具有地理信息的属性数据存储在大型关系型数据库Microsoft Access/ file geodatabase/SQL Server2010中。

属性数据如图1所示，主要包括监测数据信息、工程信息、用户信息、预警信息、施工工况信息。

1.2 要素间关系确定

深基坑监测数据管理要素间关系的关键问题是监测点空间要素和监测数据非空间要素属性表之间的关联。Geodatabase数据模型实现这种关系主要是通过创建关系类，通过关系类实现一种类型对象与另一种类型对象之间的一对一、一对多、多对多之间的关系。由于篇幅限制，以地表沉降测点属性表、工程信息表、地表沉降监测数据信息表这三个要素表之间的关系来描述Geodatabase要素间关系的确定。如图2所示，源表工程信息表通过主键工程编号(GCID)字段与目标表地表沉降测点属性表中的外键工程编号(GCID)字段建立起一对多的对应关系。源表监测数据信息表通过主键地表测点编号(JCZDID)与目标表(地表沉降测点属性表)外键JCZDID之间建立起一对一的对应关系。非空间要素属性表之间建立关系也是通过建立关系类实现，如工程信息表与基坑的设计信息表建立关联也是通过设立主外键进行关联。

2 系统结构设计

2.1 系统总体架构

系统主要由数据采集、数据处理、数据入库、数据分析这几部分组成，如图3所示。在系统建设过程中，体现在数据库建设和功能设计两个方面。在深基坑监测中，数据来源主要包括实时监测的传感器数据、人工监测的数据，以及非结构化的文本、影像、图片数据。根据数据分类标准对数据进行统计、整理。具有地理空间信息的数据存储在空间数据库中，监测数据通过剔除一些不正常数据后，存储在属性数据库中。基于ArcGIS Engine组件式的开发技术，利用ArcGIS强大的地图管理和空间分析的能力实现数据的编辑、查询、预测预警的可视化操作，最终生成需要的图表和报表。

2.2 系统功能设计

根据深基坑监测系统的需求分析，系统主要设计了以下模块，分别是监测数据的管理模块、数据的查询模块、基于GIS的可视化模块、监测数据的预测预警分析模块、监测报表的自动化输出模块，以及根据不同用户需求的用户管理模块，如图4所示。

3 基坑监测系统及应用

3.1 工程背景

湘府路车站位于湖南省长沙市雨花区湘府路，湘府路所处路段交通繁忙，人流量大，道路两侧各种通讯、城市照明管线及给排水管道密布。车站起始里程为DK9+742～DK10+018，有效站台长为230 m,车站总长为276 m。基坑施工采用明挖法施工，基坑最大深度为20.41 m，围护桩最大深度为22.90 m。

深基坑监测系统通过外部接口导入香江路车站的CAD文件数据，生成地图文件通过GIS建立三维可视化模型如图5所示。

3.2 监测数据的录入

监测数据由系统提供两种数据录入方式导入检测数据。第一种根据监测项目和测点编号筛选测点，手动输入监测数据；第二种通过Excel批量导入的方式。通过对湘府路车站监测数据的整理，直接采用Excel批量导入系统，如图6所示。

3.3 监测数据查询

系统提供多种查询方式，从查询方式上分为属性查询和空间查询，属性查询是基于用户输入的查询条件进行查询，系统内置SQL查询语句，用户只需要输入查询条件，交互性强。查询条件可以为测点编号、监测数据、里程号、测点坐标等等。如查询条件为“ID=1”，空间查询是基于位置关系的查询，空间查询提供三种查询方式，普通查询即为点选查询、多边形查询、圈选查询。空间查询通过绘制几何图形在地图上选中监测点。通过属性查询和空间查询方法选中的测点在地图中以高亮的形式表示。测点的属性信息会在系统界面的停靠窗口中显示。选择相应的测点编号，测点的属性信息会在DatagridView控件中显示，同时，系统通过代码实现了测点信息和监测数据的关联，选择相应的测点编号后，点击眼睛按钮，就会弹出如图7所示的监测数据信息。

系统提供多重图表展示功能对查询的结果进行显示，如折线图、散点图、柱状图、饼状图、曲线图。生成的图表提供导出功能，也可以插入到生成的报表中，丰富报表内容，如图8所示。

3.4 监测数据预测预警

数据批量录入系统之后，系统通过调用MATLAB程序，集成BP神经网络模型，对监测数据进行预测，当监测数据超过警戒值时，系统将会对所监测的项目进行预警。由于国家标准规范和地方规范中针对同一个监测项目，警戒值也不尽相同，系统提供国家标准、地方标准和项目标准三种预警方法[9-13]。

我们此次检测选用国家标准。监测超过预警值时，用不同的颜色在地图中表示达到预警的目的，蓝色表示监测点的变形量没有超限，达到允许限值的60%时，用黄色表示；达到允许限值的80%时，用橙色表示；达到允许限值的100%时，用红色表示；当监测数据处于之间时，用颜色渐变进行显示。

监测数据录入之后的预警效果如图9所示，由于系统通过代码实现测点和支护结构的关联，所以预警位置非常准确且效果明显。

4 结语

1)根据现行的基坑监测规范，参照前人研究成果，提出深基坑监测数据的分类标准，在此基础上，给出数据库表编码和数据项编码的标准，根据编码规则可以对数据进行扩充，按照此标准，可实现基坑监测数据的共享。

2)采用现在使用广泛的空间数据库技术管理基坑监测数据，将空间数据和属性数据放在同一个数据库中，避免数据库查询的时候不停的切换数据库，使得数据输入和编辑更加准确，支持海量数据的无缝无分块存储、拼接。

3)以ArcEngine 10.2为平台，利用ArcGIS二次组件库进行系统开发，采用C#编程语言、VS2012开发环境、第三方控件DevExpress搭建系统界面，Ribbon界面风格简洁美观。系统初步实现了监测数据的录入、管理、编辑、查询、预警、报表和图表生成功能。

[1] 肖跃民.某地铁车站深大基坑开挖量测数据库管理系统[J].工程设计与研究,1998(3):8-11.

[2] 钟正雄.基坑工程监测数据库管理系统的设计及应用[J].地下空间,1998(sup):323-328.

[3] 石杏喜，岳建平，林来俊.基坑监测数据管理系统的研究[J].江苏地矿信息,2002,27(2):24-26.

[4] 胡友健，李 梅，赖祖龙，等.深基坑工程监测数据处理与预测报警系统[J].焦作工学院学报(自然科学版),2001(2):130-135.

[5] 张友良，陈从新，刘小巍.面向对象的深基坑监测模型及系统开发[J].岩石力学与工程学报,2000(sup):1061-1064.

[6] 谢 伟，高政国.基于Web方式的深基坑监测管理信息系统的设计[J].电脑与信息技术,2005(6):62-64.

[7] 吴振君，王 浩，王水林，等.分布式基坑监测信息管理与预警系统的研制[J].岩土力学,2008(9):2503-2507.

[8] 杨 佳，张志强，张强勇，等.深基坑安全监测信息分析系统的开发与应用[J].地下空间与工程学报,2010(6):1246-1250.

[9] 房师涛，王骁云，龚 昕，等.上海市深基坑基础数据库系统设计[J].岩土工程学报,2008(S1):659-662.

[10] 刘俊岩.建筑基坑工程监测技术规范(GB 50497—2009)实施手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[11] GB 50497—2009，建筑基坑工程监测技术规范[S].

[12] 国土资源部信息中心.国土资源数据库标准及建设规范编制指南[Z].2009.

[13] 水工环信息化建设数据库表结构规范[S].

The research and applicaticn of 3D visualization deep foundation pit monitoring on the basis of ArcGIS

Xia Peng1Cui Yupeng1Zhang Mingwei1Chen Cheng2Xu Bangshu1

(1.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China；2.ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Jinan250061,China)

Geodatabase was proposes as a spatial data model. Basing on the technology of secondary component library of ArcGIS Engine and MATLAB BP modal, we developed a monitoring method which integrated deep foundation monitoring data management, forecast and early warning analysis and visual expression into one system.Taking the Xiangfu Road Station of Changsha Subway as an example, it is proved that this monitoring system can process a large number of test data stably.

foundation pit, monitoring data, Geodatabase, ArcGIS Engine

1009-6825(2017)01-0083-04

2016-10-27

夏 鹏(1989- )，男，在读硕士； 崔宇鹏(1990- )，男，在读硕士； 张明伟(1989- )，男，在读硕士； 陈 诚(1990- )，男，助理工程师； 徐帮树(1974- )，男，博士，副教授

TU463

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