彭儀普，周楷淳，林祥德

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

在變形監(jiān)測(cè)中，通常需要利用獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)依照相關(guān)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析，以對(duì)施工過程中的變形情況進(jìn)行有效監(jiān)控和合理預(yù)測(cè)，保證施工安全。在這個(gè)過程中獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、來源廣、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的人工管理或信息系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)監(jiān)測(cè)的需要，因此，迫切需要建立一個(gè)能適應(yīng)海量數(shù)據(jù)、多數(shù)據(jù)源、多時(shí)態(tài)信息的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。WebGIS是指基于Internet平臺(tái)，客戶端應(yīng)用軟件采用WWW協(xié)議運(yùn)行在萬維網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)［1］。由于WebGIS對(duì)于客戶端的要求較低，不需要安裝相應(yīng)的專業(yè)GIS軟件，相對(duì)于C/S架構(gòu)的GIS系統(tǒng)，WebGIS的優(yōu)勢(shì)十分明顯:傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)工作范圍多為局域網(wǎng)或本機(jī)，不利于數(shù)據(jù)的交換和共享，而利用Internet技術(shù)的WebGIS則可以極大的突破這個(gè)限制，能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和共享;傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)的各分析功能均在本機(jī)上進(jìn)行處理，而WebGIS則是將所有復(fù)雜的操作置于服務(wù)器端，極大的降低了對(duì)客戶端的要求，同時(shí)由于結(jié)果均從服務(wù)器產(chǎn)生，也有利于用戶之間的共享［2］;WebGIS在擴(kuò)展性、跨平臺(tái)性等方面給的優(yōu)勢(shì)是傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)所無法比擬的。本文在研究JavaScript技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用 ArcGIS API For Javascript結(jié)合ArcGIS Server構(gòu)建了寧波站基坑工程變形監(jiān)測(cè)GIS系統(tǒng)，以確保寧波站基坑工程施工安全。

1 ArcGISServer及其API

ArcGISServer是ESRI推出的一個(gè)創(chuàng)建企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用平臺(tái)［3］。利用ArcGIS Server用戶可以很方便的構(gòu)建一種多用戶的應(yīng)用平臺(tái)。并且ArcGIS Server提供了多種GIS功能，包括對(duì)地圖的定位、緩沖區(qū)、路徑分析等，因此，利用其可以快速的構(gòu)建WebGIS系統(tǒng)。

ArcGISServer的主要功能包括空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)可視化和空間數(shù)據(jù)分析等。

空間數(shù)據(jù)管理:借助于GeoDataServices(地理數(shù)據(jù)服務(wù))ArcGISServer可以對(duì)發(fā)布的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、導(dǎo)入導(dǎo)出等管理操作;

空間數(shù)據(jù)可視化:通過Web制圖服務(wù)，ArcGIS Server可以將二維甚至三維的地圖以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的形式進(jìn)行發(fā)布展示，利用ArcGISExplorer可以實(shí)現(xiàn)更多的復(fù)雜操作;

空間數(shù)據(jù)分析:ArcGISServer提供了基于服務(wù)器的地理數(shù)據(jù)空間分析功能，對(duì)于一些復(fù)雜的專業(yè)分析，可以通過模型創(chuàng)建、GP(地理信息處理)服務(wù)和腳本工具等進(jìn)行分析處理［4］。

ArcGISServer API是ESRI推出的一系列應(yīng)用于客戶端(瀏覽器)的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)，包括ArcGIS API For Flex，ArcGISAPIFor Silverlight以及 ArcGIS API For JavaScript。本文所采用的即為ArcGISAPI For JavaScript，相對(duì)于其他2種API，其具有更好的兼容性，并且具有基于服務(wù)、易于開發(fā)、資源豐富和完全免費(fèi)的特點(diǎn)［5］。

通過ArcGISAPI For JavaScript可以對(duì)ArcGIS Server發(fā)布的服務(wù)進(jìn)行訪問，將ArcGIS Server中的地圖資源嵌入到 Web系統(tǒng)中。ArcGIS API For JavaScript提供的主要功能包括空間數(shù)據(jù)展示、客戶端融合、符號(hào)渲染、查詢定位、地圖打印等。

2 GIS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)并結(jié)合JavaScript技術(shù)和ArcGIS Server的特點(diǎn)，將系統(tǒng)總體上分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層多層結(jié)構(gòu)［5］，見圖1。

(1)數(shù)據(jù)層。作為系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)(空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))的相關(guān)訪問，為數(shù)據(jù)層上的業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

(2)業(yè)務(wù)層。處于數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層的中間位置，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換，以及其他業(yè)務(wù)邏輯的具體實(shí)現(xiàn)、業(yè)務(wù)規(guī)則的設(shè)計(jì)以及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

(3)表現(xiàn)層。3層結(jié)構(gòu)中的最高層，直接與用戶交互，可以接受用戶輸入并通過地圖的形式展現(xiàn)出來，并通過Javascript使用戶獲得更好體驗(yàn)。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Frame diagram of system

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫2部分。空間數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)區(qū)域平面數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)線路數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)等，屬性數(shù)據(jù)則主要存儲(chǔ)系統(tǒng)登錄管理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)信息作為系統(tǒng)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行變形分析和變形預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)上，將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)將分離，即將圖形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入空間數(shù)據(jù)庫中，而將實(shí)時(shí)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入屬性數(shù)據(jù)庫中，兩者通過屬性id相連接，使得其具有低耦合的特點(diǎn)，在保證空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)的情況下減少了頻繁的對(duì)空間數(shù)據(jù)庫的操作，并分散了數(shù)據(jù)庫的訪問存儲(chǔ)壓力。

其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)表和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表的表結(jié)構(gòu)見表1和表2。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)表Table 1 List of monitored point

監(jiān)測(cè)點(diǎn)表記錄了基坑中的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基本情況，包括點(diǎn)號(hào)、點(diǎn)類別、點(diǎn)編碼、點(diǎn)名以及監(jiān)測(cè)頻率等。

表2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 2 List of monitored point value

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表記錄了監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)編號(hào)、監(jiān)測(cè)值和監(jiān)測(cè)時(shí)間。

3 寧波市火車站變形監(jiān)測(cè)WebGIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

寧波站改建工程按8臺(tái)16線規(guī)模進(jìn)行改造，拆除既有站房和客車整備所，新建南北站房和高架候車室，并在站房和車場(chǎng)下新建地下集散廳并連接城市軌道交通線。寧波站改建工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖面積大、深度高、地質(zhì)環(huán)境差等，為實(shí)時(shí)掌握基坑的土體以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，確?；邮┕ぐ踩?，通過在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)(包括圍護(hù)體水平位移監(jiān)測(cè)、支撐軸力監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)、周圍建筑物沉降監(jiān)測(cè)等)獲取數(shù)據(jù)后，應(yīng)建立一個(gè)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入、分析、預(yù)測(cè)，為基坑的安全建設(shè)提供保障［7］。

結(jié)合寧波站改建工程變形監(jiān)測(cè)，構(gòu)建基于webGIS的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過空間數(shù)據(jù)庫對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并將每日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)超限分析和預(yù)警實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，以提高監(jiān)測(cè)的工作效率和正確率，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟和功能如下。

系統(tǒng)從整體上分為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理、基本地圖操作、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢分析、結(jié)果輸出幾個(gè)部分。其中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢分析進(jìn)一步細(xì)分為監(jiān)測(cè)查詢和數(shù)據(jù)分析2個(gè)子模塊，結(jié)果數(shù)據(jù)細(xì)分為地圖輸出和統(tǒng)計(jì)報(bào)表2個(gè)子模塊。系統(tǒng)的主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)界面圖Fig.2 The system interface diagram

3.1 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理功能主要是通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎和SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的插入，更新，刪除，查詢等功能。

對(duì)于地圖底圖則直接以切片文件的形式存儲(chǔ)在服務(wù)器上，不存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

將其他的空間數(shù)據(jù)分為頻繁更新和較少更新的2類分別存儲(chǔ)以減少數(shù)據(jù)庫的壓力，更加有效的對(duì)數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行分配;

由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類多，數(shù)量大，因此，采取分次獲取，集中插入的方法，以減少由于多次數(shù)據(jù)庫事務(wù)創(chuàng)建造成的性能損耗。

對(duì)于獲得的.xls格式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過瀏覽器端上傳到服務(wù)器，服務(wù)器在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核和校對(duì)后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)以JSON(JavaScript object notation，一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式)［10］數(shù)據(jù)的格式返回到前端并顯示。軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)果見圖3。

圖3 軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)果Fig.3 Output of axial force data

3.2 地圖基本操作功能

包括對(duì)地圖的瀏覽，移屏、導(dǎo)航、圖層管理、地圖輸出等功能，其中對(duì)地圖的瀏覽、移屏和導(dǎo)航可以快速的利用ArcGIS API For Javascript所提供的接口實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于地圖的圖層管理，包括地圖圖層可視化和拖拽顯示:

(1)地圖圖層可視化通過改寫Dojo Tree底層代碼，將原始的Dojo Tree節(jié)點(diǎn)改進(jìn)為具有選擇框的節(jié)點(diǎn)以進(jìn)行地圖圖層的顯示控制:在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇框點(diǎn)擊事件時(shí)，獲取當(dāng)前地圖服務(wù)下分圖層的可視情況數(shù)組，利用Layer.setVisibleLayers()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

(2)地圖圖層拖拽顯示通過捕捉Dojo Tree的OnDndDrop事件，通過樹節(jié)點(diǎn)拖拽先后的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)組對(duì)比，得到最近的圖層順序，利用Map.reorder-Layer()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)進(jìn)行地圖輸出時(shí)，通過Web生成PDF的形式進(jìn)行地圖打印，由于地圖包含有多重圖層，并且每個(gè)子圖層的顯示情況并不一致。因此，采取利用從ArcGIS Server直接生成圖片打印的方法。從ArcGIS Server動(dòng)態(tài)生成圖片的方法如下(示例):

http://sampleserver6.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/USA/MapServer/export?dpi=96 ＆transparent = true＆format = png8＆bbox =－187.93613086936358%2C7.9788987855341205%2C －38.73115094560027%2C93.23888731339886 ＆bboxSR=4326＆imageSR=4326＆size=427%2C244＆layers=show%3A0%2C1%2C2%2C3＆f=image。該地址分割如下:

(1)http://sampleserver6.arcgisonline.com/arcgis/rest/services/USA/MapServer為該地圖圖層服務(wù)的地址;

(2)dpi=96＆transparent=true＆format=png8設(shè)置了生成圖片的每英寸點(diǎn)數(shù)、透明度以及圖片格式;

(3)bbox= － 187.93613086936358% 2C 7.9788987855341205%2C － 38.73115094560027%2C 93.23888731339886設(shè)置了生成圖片的經(jīng)緯度范圍;

(4)bboxSR=4326＆imageSR=4326設(shè)置了生成圖片的參考坐標(biāo)系;

(5)size=427%2C244設(shè)置了生成圖片的大小;

(6)layers=show%3A0%2C1%2C2%2C3設(shè)置了該地圖圖層顯示的子圖層;

(7)f=image設(shè)置了生成的文件格式為圖片。注:在上述示例中，%2C代表“，”;＆代表連接字符。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢分析功能

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢，包括鼠標(biāo)點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)和輸入查詢條件2種方式進(jìn)行查詢:

(1)鼠標(biāo)點(diǎn)擊查詢通過獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，利用 QueryTask(ArcGIS API For JavaScript所提供的查詢接口)以該查詢點(diǎn)的地理信息(Geometry)進(jìn)行查詢;

(2)輸入條件查詢同樣是利用QueryTask，但是與鼠標(biāo)單擊查詢不同的是通過利用諸如Where id=“001”的查詢語句進(jìn)行查詢;

由于所有的查詢均是基于ArcGIS Server所發(fā)布的地圖服務(wù)所進(jìn)行的，由于地圖服務(wù)是 Rest(RepresentationalStateTransfer表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移)架構(gòu)風(fēng)格，相對(duì)于Soap(Simple Object Access Protocol簡(jiǎn)單對(duì)象訪問協(xié)議)服務(wù)具有性能高、成本低、時(shí)間少、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)，并且具有極大的靈活性和易用性［8］。

通過這2種方法所查詢到的數(shù)據(jù)，均通過在地圖圖層上新建的GraphicLayer上重新繪制和展示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析功能包括日分析和周期分析:

(1)日分析通過對(duì)相鄰兩天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析分析變形趨勢(shì)，由于對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單日變形值均設(shè)有上限(坑外測(cè)斜為3 mm/d，坑外位移為2 mm/d，坑外地表沉降為2 mm/d)，若通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)單日變形量超限則進(jìn)行預(yù)警并在次日獲取數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)觀察;若連續(xù)2次出現(xiàn)變形量超限則將預(yù)警情況進(jìn)行上報(bào)以進(jìn)行一步分析。

圖4所示為基坑外圍測(cè)斜58號(hào)點(diǎn)位當(dāng)天以及前2 d的水平位移。

(2)周期分析通過統(tǒng)計(jì)單日分析而來，統(tǒng)計(jì)在該檢測(cè)周期內(nèi)出現(xiàn)變形超限的點(diǎn)位情況，通過進(jìn)行點(diǎn)位聚合分析將變形超限監(jiān)測(cè)點(diǎn)相聚合，得出相應(yīng)的重點(diǎn)變形區(qū)域，在地圖上通過不同顏色表示生成熱點(diǎn)地圖，以便在下個(gè)檢測(cè)周期觀測(cè)中予以重點(diǎn)觀察。

圖4 水平位移趨勢(shì)圖Fig.4 Horizontal displacement trend graph

4 地圖預(yù)警分析

作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需要對(duì)監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)的變形超限情況進(jìn)行及時(shí)的顯示和預(yù)警。對(duì)于變形點(diǎn)而言，其變形并不是孤立的，在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的變形點(diǎn)意味著該區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重后果的幾率相對(duì)較大。

系統(tǒng)通過獲取整個(gè)基坑監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的外包矩形作為整個(gè)地圖預(yù)警的分析范圍。在出現(xiàn)變形超限的情況時(shí)，系統(tǒng)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，對(duì)于單個(gè)變形點(diǎn)建立圓形緩沖區(qū)，通過漸變色反映變形影響范圍，并對(duì)相鄰的緩沖區(qū)進(jìn)行合并處理。對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行合并處理時(shí)，通過取緩沖區(qū)的交點(diǎn)，在焦點(diǎn)內(nèi)部的區(qū)域進(jìn)行合并，并根據(jù)到緩沖區(qū)中心的距離計(jì)算所受影響的程度，在緩沖區(qū)交疊處的影響程度為2個(gè)緩沖區(qū)影響之和。

通過緩沖區(qū)的方法可以很方便的獲得當(dāng)前基坑的整體變形情況，在利用GM(1，1)模型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析后，可以得到系統(tǒng)的變形趨勢(shì)，可以為決策人員的工作提供必要的參考。系統(tǒng)預(yù)警分析見圖5。

圖5 系統(tǒng)預(yù)警分析圖Fig.5 Early warning graph of analysis system

5 結(jié)論

(1)將WebGIS應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)中，改變了傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的工作模式，使獲得的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)一管理，并克服了原有變形監(jiān)測(cè)中人工管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分散、時(shí)效性差、不能準(zhǔn)確分析的問題。由于Javascript在瀏覽器上的廣泛應(yīng)用，使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展成為可能，并且極大地提高了系統(tǒng)的可部署性。

(2)基于Rest的地圖服務(wù)使得對(duì)地圖資源的操作得到統(tǒng)一和簡(jiǎn)化，方便了系統(tǒng)集成于共享;基于JSON的GIS數(shù)據(jù)傳輸使得空間數(shù)據(jù)的傳輸速率和解析速率得到很大的提高。本文在研究WebGIS優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上利用Javascript構(gòu)建了一個(gè)實(shí)際的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效監(jiān)控，并為決策者提供客觀評(píng)價(jià)的依據(jù)，對(duì)保證工程施工安全具有重要作用。

(3)目前系統(tǒng)只能進(jìn)行二維平面上的監(jiān)測(cè)分析，如何進(jìn)行三維的監(jiān)測(cè)和變形分析則是今后研究的重點(diǎn)。

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