GIS在高层建筑施工测量数据管理中的应用研究

康文海

（四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610500）

0.引言

随着科技的进步与经济的发展，一线城市的用地愈发紧张，为减少占地面积，建筑物逐渐由水平发展走向垂直发展。高层与超高层建筑越来越多。超高层建筑指高度达100 m以上或楼层数超过40层以上的建筑物。通过文献研究可知：日本634 m的东京晴空塔、我国600 m的广州塔与600 m的深圳平安大厦均属于超高层建筑[1]。众所周知，高层建筑的施工难度与技术要求更高，文献[2]中指出，建筑施工测量工作是高层建筑工程中的先导性工作。当前，高层建筑的测量要求逐渐提升，外界环境的变化会对施工测量工作造成较大影响。因此，如何选用恰当的技术对施工测量数据进行有效处理和分析成为高层建筑施工测量中的难点。

本研究选用地理信息系统（GIS）作为高层建筑施工测量数据处理的主要技术。GIS是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而产生的一个学科[3，4]，其能把地图的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库进行集成，将此技术应用于高层建筑的施工测量中，可以提高高层建筑测量数据管理的能力及测量结果的可信度。

1.GIS系统在高层建筑施工测量中的数据管理设计

此次应用设计的重点在于使用GIS系统的数据处理技术优化传统高层建筑施工测量的不足，以提升高层建筑施工测量的数据处理能力，避免由于数据问题造成的测量误差。

1.1 构建测量坐标系

在高层建筑施工测量时，为便于GIS系统的数据管理应用，需构建相应的测量坐标系，便于采集测量数据。本研究采用地球坐标系的形式，构建建筑与地球体相关联的坐标系[5]，对地球坐标系的表现形式进行研究，将地球空间坐标系与大地坐标系相结合，如图1所示。

图1坐标系

由图1可知：设定上述坐标系中参考面的长半轴为a，短半轴为b，且此参考面为椭圆形。参考面的几何中心与高层建筑的直角坐标系原点重合。短半轴b与直角坐标系的Z轴重合。建筑物当地的纬度设定为B，其经过地面点S的圆形法线与参考面XOY平面形成夹角，设定XOY的OZ轴方向为正；大地经度L设定为经过地面点的ZOY平面与子午面的夹角，将ZOX右旋后的方向设定为正方向；建筑物高度h设定为经过E点的法线到参考面的距离。高层建筑的直角坐标系转换为地面坐标系，并使用此坐标系完成测量工作。

1.2 施工测量设备优化

为有效开展测量数据的采集工作，需对施工测量中使用的工具与设备展开优化。

为保证测量结果的精度，在工程施工过程中，采用精密水准仪作为主要高层建筑测量仪器。设定此设备的测量精度标准差为0.1 mm，高度测量精度为0.1 ppm，最小读数0.01 mm。在测量过程中，可提速40%，以此消除因焦距导致测量结果误差较大的问题。此设备中设定多种建筑的测量模式，采用倾斜补偿器作为测量结果有效性的保障。使用精密水准仪测量高层建筑，测量数据自动存储在仪器的内存卡上，在每次测量结束后，导出测量数据，并记录相应的测量时间。

在测量过程中，将测量的基准点设定在建筑物外部轮廓上，使基准点组成闭合水准导线，并将其城市导线点进行量测，以此得到基础数据。

1.3 测量数据处理

通过上述测量，在得到基础数据的基础上，将基础数据导入GIS系统中，对高层建筑展开分层处理，在施工过程中逐步增加数据处理量，每升高4～5层时，做一次重新观测，结构封顶后完成观测过程。为保证测量结果的精准度，对测量后的数据进行处理。在此次研究中，使用数据融合技术，剔除系统测量误差数据。

将获取的数据通过线性离散方程表示，如式（1）所示：

式（1）中，xi为i时测量结果的状态；Mi-1为i时刻线性离散方程状态转移矩阵；xi-1为i-1时GIS系统输入的控制量；Ni-1为GIS系统控制输入xi-1的增益矩阵；yi为i时刻的高层建筑外部测量值；Pi为观测矩阵；Ki-1为i时刻GIS系统内部的系统噪声；ji为系统量测噪声。

在此次数据处理过程中，利用卡尔曼滤波融合算法中的先验估计与后验估计之间的关系对GIS系统测量数据进行滤波融合。设定数据的先验估计为-i，后验估计为+i。则i时刻下的测量数据序列可表示为时刻下的数据先验估计如式（2）所示：

确定i时刻GIS系统的先验估计x¯-i与后验估计后x¯+i，为明确测量数据与系统之间的关系，对先验估计x¯-i与后验估计后x¯+i的协方差进行求解，如式（3）所示：

通过式（2）对式（3）两侧添加同等期望，则i时刻测量结果x均值与i-1时刻测量结果x均值之间的关系，如式（4）所示：

通过式（4）对GIS系统测量后的高层建筑数据进行检验并剔除无效数据，以保证测量结果的可靠性。至此完成高层建筑施工测量的数据测量与数据处理部分。

2.测试研究

基于上述应用设计部分，开展GIS系统高层建筑施工测量应用测试，以验证本研究中GIS系统高层建筑施工测量应用内容的可行性。

2.1 试验场地设定

在此次试验过程中，将某大学校园的施工场地作为测试对象。在施工场地中进行工业数字摄像机实时监测设定。考虑到测量过程中会出现行人车辆干扰与视线通道干扰等问题，所以将测量设备安装至高层建筑的外部轮廓中，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，将测量中产生的正弦函数作为计算参数。根据上述设定，试验场地与测量点的设定结果如图2所示。

图2试验场地

在此次试验中，采用GIS系统高层建筑施工数据处理方法、传统高层建筑数据处理方法及应用文献[4]的高层建筑数据处理方法，对试验场地目标建筑测量的基础数据进行分析与处理，对比三种方法的数据处理差异性及测试结果。

2.2 试验仪器设定

在此次试验中，为保证三种高层建筑测量方法可在同一试验环境中运行，对试验中使用的设备仪器展开设计。试验设备包含工业数字摄像机、变焦镜头、自开发系统。此次试验中使用的工业数字相机型号为GE1050，图像分辨率为1024×1024，其变焦镜头最远焦距为1000 mm，可实现对超高层建筑的施工测量。此试验设备与预先设定的试验场地作为试验对比平台。

2.3 试验对比对象

在此次试验过程中，设定试验对比对象为垂直测量数据处理结果的误差值。为提升试验的可对比性，设定目标建筑的测量距离为10 m、50 m、100 m。通过不同测量距离对比三种高层建筑测量方法的数据处理效果差异。

2.4 试验结果分析

10 m测量距离试验结果如图3所示。

由图3可知：当测量距离较近时，三种高层施工测量方法的垂直距离测量数据误差值大致相同，未出现某种方法处理效果最佳或最差的情况。由试验图像分析可知，当测量距离较近时，三种方法对于高层建筑测量的数据处理能力较强，误差值均较低。因而，在首次使用中，未发现三种高层建筑测量数据处理方法的差异。

图3 10 m测量距离试验结果

50 m测量距离试验结果如图4所示。

此次试验扩大了测量距离，增加了高层建筑垂直距离测量的数据处理难度，三种方法的垂直距离测量数据处理效果逐渐出现变化。文中提出的运用GIS测量法的误差值较低，且在多次测量过程中误差值变化较小。采用文献[4]技术的测量方法在使用过程中未出现误差值波动过大情况，但仍具有较高的误差值。传统方法的处理误差值较高，但符合建筑工程的相关要求。对上述试验结果进行综合分析可知：测量距离对数据处理结果的误差值产生影响，应控制测量距离，以保证数据处理与分析的有效性。

100 m测量距离试验结果如图5所示。

此组为垂直距离测量最大的试验，在此次试验中完成三种测量方法的对比。通过试验结果可知：文中提出的应用GIS系统的高层测量方法的垂直距离测量数据处理结果优于其他两种方法。文中提出的方法在三次试验过程中，均未出现数据处理结果误差值过高的问题，其结果的可靠性较稳定。用文献[4]技术的数据处理效果较平稳，但相比文中提出方法仍有不足。传统的高层建筑数据处理分析方法的误差值较大。综合上述试验结果可知：文中提出方法的测量数据管理效果最佳。

图4 50 m测量距离试验结果

图5 100 m测量距离试验结果

3.结束语

本研究针对传统高层建筑测量数据处理分析方法存在的问题，提出基于GIS系统技术的数据处理方法。试验结果表明：使用该方法进行高层建筑测量数据的分析处理结果具备有效性。在研究过程中，由于较少考虑天气因素对测量结果造成的影响，故在测量时可能出现因外界环境导致的误差。在日后研究中，将对外界环境对高层建筑施工测量方法的影响展开进一步研究。