基于Excel沉降数据处理.docx

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基于Excel沉降数据处理

基于Excel沉降数据处理

摘要：

在路基沉降及建筑物沉降的观测工作中，为掌握路基和建筑物沉降规律和趋势、控制和安排施工进度，就必须按要求进行长期沉降及稳定观测，随之即来的便是大量的观测数据。

为了对实习获得的沉降观测数据用Excel软件进行处理，将沉降观测外业数据输入Excel表格，用Excel内置的函数计算功能计算出观测数据的平差值以及沉降随时间的变化值。

接着对表格中出现的异常数据进行分析和处理，最后通过Excel强大的图表功能绘出沉降观测曲线图，对Excel在沉降观测上的工作性能进行完整的描述。

关键词：

Excel，沉降数据，建筑物，表格

ThesettlementdataprocessingbasedonExcel

Abstract：

Subgradesettlementandbuildingsettlementobservationsinordertomastertheroadbedandbuildings,settlementpatternsandtrends,controlandarrangetheconstructionschedule,mustberequiredtocarryouttheobservationoflong-termsettlementandstability,alongwiththatis,tothelargenumberofobservationsthedata.WithExcelsoftwareinternshipsettlementobservationdataprocessingandsettlementobservationoffielddatainputExcelspreadsheet,Excelbuilt-infunctiontocalculatethecalculatedleveldifferenceoftheobservationaldata,andsettlementchangeinvalueovertime.Wentontoappearintheformofabnormaldataanalysisandprocessing,thefinalsettlementobservationcurvedrawnthroughExcel'spowerfulchartingcapabilities,acompletedescriptionoftheperformanceofExcelonthesettlementobservation.

KeyWords：

Excel,SettlementData,building,Form

1、绪论

建筑物的沉降观测是一项重要工作，特别是对于高层建筑和软弱地基条件，尤显重要。

建筑物沉降数据，是“信息法”施工的重要参数，如作为验证地基基础沉降变形是否符合设计值；以及需要积累建筑经验或进行设计反分析的工程的重要资料。

如有的工程设计，在基础上预留加桩洞口，如施工中发现建筑物沉降量过大或沉降速率超过设计控制值，采取在预留洞口处加桩补强措施以加固地基在施工上，通过改变施工流水段分布的方法，从而调整施工荷载，使房屋的沉降更均匀，建筑物沉降资料是进行上述决策的信息依据。

MicrosoftExcel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，它不仅是一种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（主流是VisualBasicforApplication，简称VBA）。

它可以根据表格中枯燥的各种数据迅速处理、计算、分析等，且便捷地生成各种直观、生动的图表。

对于变形测量的纷繁数据，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编程，就可以充分利用Excel了。

2、沉降观测的介绍以及Excel处理沉降数据的特点以及优势

2.1沉降观测的介绍

2.1.1沉降观测的目的和意义

随着我国经济的飞速发展，城市化进程日益加快，高层及超高层建筑物越来越多。

工程建筑物，特别是高层建筑在施工和运营期间，由于受多种因素的影响，会产生变形，变形如果超出了规定的限度，就会影响建筑物的正常使用，严重时还会危及建筑物的安全，给社会和人民生活带来巨大的损失。

因此，在工程建筑物的施工与运营期间，对其进行监测显得尤为重要。

建筑工程的沉降测量，是用测量仪器或专用仪器测定建筑物在荷载和外力作用下随时间变形的工作。

很早以来，人类在对高、大型建筑物以及不良地质地段的安全监控方面积累了丰富的经验（1985年长江三峡大滑坡的准确预报，挽救了11000多人的生命），同时有着深刻教训（我国板桥和石漫滩两座土坝于1975年洪水漫坝失事；1963年意大利Vajaut拱坝大滑坡，造成3000多人死亡），长期的经验与教训的积累，使人们认识到对高、大型建筑物与不良地质地段实施安全监测的重要意义。

安全监测一方面可以对建筑物的安全运营起到良好的诊断作用，另一方面是在宏观上可时时向管理决策者提供准确的信息。

在发现不正常现象时，及时分析原因采取措施，防止事故发生，达到被监测建筑物安全运行的目的。

它能及时发现存在的质量隐患，即使在建筑物已经发生变形的情况下，也能对下一步加固处理方案提供重要的参考。

正是这些必要性，各国都很重视安全监测工作，使其成为工程建设和管理工作中极其重要的组成部分。

对于工程建筑物的沉降观测，其主要内容就是变形监测中的垂直位移观测因此，建筑物变形观测有三方面的必要性和意义：

第一，在建筑物施工和运营期间对其进行变形监测，确定变形大小和预测变形趋势及其对建筑物安全的影响，其目的是保证建筑物安全，即所谓安全监测。

第二，由于地基组成成分复杂、土力学对实验数据的依赖性很大，有必要在各地对大量不同基础形式的建筑物进行监测，以便为今后的设计积累资料，作为验证设计方法和修改、制定设计方案的依据。

第三，为了对某种新结构、新材料的性能做出科学的或客观的评价，需要在一个较短的时间内，借助外力使建筑物产生变形，以取得科学依据。

科学、准确、及时的分析和预报工程及工程建筑物的变形状况，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要，总体来说，变形监测工作的意义重点表现在实际需要和科学研究两个方面。

实际需要上的意义主要是掌握各种建筑和地质构造的稳定性，为安全性诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；科学研究上的意义是理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。

2.2.2建筑物沉降信息获取的方法的发展

沉降测量信息获取的方法取决于建筑物的特征、监测目的、变形大小和速度等。

就建筑物的变形监测而言，常规的地面测量技术、地面摄影测量技术、GPS以及特种专用测量技术是主要手段。

沉降测量根据采用的手段相对于变形体的空间位置分为外部变形监测和内部变形监测。

外部变形监测主要是测量变形体在空间三维几何形态上的变化，普遍使用的是常规测量仪器（如水平仪、经纬仪、测距仪、全站仪等）和摄影测量设备，这种测量手段技术成熟，通用性好，精度高，能提供变形体整体的变形信息，但野外工作量大，不容易实现连续监测，随着测量机器人的出现以及GPS技术在变形监测中的广泛运用，测量人员的工作量大大降低，提高了外部变形监测的能力。

内部变形监测主要是采用各种专用仪器，对变形体结构内部的应变、应力、温度、渗压、土压力、孔隙压力以及伸缩缝开合等项目进行观测，这种测量手段容易实现连续、自动的监测，长距离遥控遥测，精度也高，但只能提供局部的变形信息。

监测的首要任务是监测方案的合理设计，变形监测网的设计，主要包括:

监测网的质量标准、观测方法、点位布设和最优观测方案的选择。

监测方案以及控制网的优化设计一直都是变形监测研究的热点，也取得了丰硕的成果。

其中W.Baarda重新研究大地网质量标准问题，提出了评价大地网质量的三项标引言准，即精度标准、可靠性标准和费用标准，其中精度标准又提出了准则矩阵Qxx的概念。

E.Grafarend系统地应用了数学规划的方法，提出了四级优化分类概念[4]，得到了国际大地测量学界的公认。

而监测技术的进步主要是由于实践需要和科技进步发展起来的，从近十年监测技术的发展来看，传统的地面监测技术仍然占主导地位。

同时，出现了测量机器人等高精度的测量仪器，它能在一定范围内实现无人值守的全天候、全方位自动监测。

而空间监测技术方面，GPS在越来越多的领域取代了传统的光、电测量仪器，实现了监测的高精度、实时、连续、自动化。

2.2.3建筑物沉降变形信息预测的发展

为了掌握各种建筑物和地质构造的变形情况，以便及时发现问题并采取施，避免不必要的损失，在安全监测中，人们认识到变形监测只是手段，而施工决策提供的科学预报才是目的，数据处理与模型的建立则是两者的桥梁。

由于环境复杂性，影响沉降因素的多样性和不确定性，不易得到一种准考虑各种因素的预测和预报方法，且随着观测数据的不断累积，沉降数据中有的信息量不断增加。

各国学者很早就从理论和实践两方面进行了大量广泛入的研究，己提出多种沉降预测方法，成果非常显著。

目前，计算沉降量与间关系的方法有理论方法和根据实测资料进行预测的方法。

基于实测数据的沉降预测方法有很多，常用是统计分析（回归分析）法、时间序列分析法、灰色理论、Kalman滤波等建模方法，及近些年来发展起来的神经网络建模。

由于各地区环境条件不同，施工方法及施工状态也千差万别，因此针对不同的变形体其预测方法也有所不同，但大致都可将其分为理论计算法和基于实测数据的实测数据分析法。

随着经济建设的飞速发展，沉降测量发挥着越来越重要的作用，沉降测量在近几十年来得到了迅速的发展。

在监测手段方面：

摄影测量技术、激光技术及自动化技术在变形监测中正在得到越来越广泛的应用。

GPS定位技术已在区域性变形观测及大型工程变形监测中得到应用；在数据处理和变形分析方面：

理论上更严密、实用上更合理的数据处理方法得到了越来越广泛的应用，而且这种趋势仍将长期保持下去。

在这方面，除了传统的假设检验、回归分析等建立在统计理论基础之上的方法和建立在力学、物理学基础之上的确定函数模型法以外，其他新的方法也得到了试验和初步的应用。

例如运用模糊类分析的方法、灰色理论、人工神经网络进行变形分析，这些方法将为变形数据处理和分析带来新的生机。

2.2Excel处理沉降数据的特点以及优势

2.2.1Excel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，这就意谓着是4维数据（3维地形数据和1维时间数据，即f（x，y，h，t）），一般的文件格式不好表达，Excel可以很巧妙的表达，它提供了多重工作表（sheets，理论上无限个工作表，与计算机内存有关联）。

每一次（期）测量数据录入一个工作表并改名。

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（国标的规范上：

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个时间的间隔天数，Excel有专门的计算函数（DateDiff（interval,date1,date2[,firstdayofweek[,firstweekofyear]]），也是非常方便和使用，设置小数位数，更加简单。

2.2.2图与表的互动

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；折线图的式样有7种之多，且非常容易制作各种图形。

图2-1单元格格式

图2-2图表向导

2.2.3软件构思设计与功能介绍

为了处理广泛复杂的测量数据，必须将纷繁的数据分类，按照数据库的特点，将数据进行输入、编辑（删除、修改、排序等）、存贮、计算等。

编程语言选用VBA，不修改Excel的主菜单，只是在第一页上定义软件的功能。

按照软件设计的实用性和标准性原则，基本界面如图2-3：

图2-3软件设计基本界面

系统功能流程如图2-4：

图2-4系统功能流程图

实践证明，本软件使用方便、灵活，能够适合不同的计算机水平的用户，美观地绘制各种图表，编写标准监测报告，且编程采用API+VBA的Excel二次开发，节约内存，大大提高了工作效率，有很强的推广价值。

2.2.4沉降监测数据处理的难点和Excel方法的提出

沉降是自然界普遍存在的现象，它是指变形体在各种荷载的作用下,其位置在时间域和空间域中的变化。

变形体的沉降在一定范围内被认为是允许的，如果超过了允许值,则可能发生灾害。

沉降监测就是采用合理的仪器和方法测量建筑物在垂直方向高程的变化量。

其任务是确定在各种荷载和外力作用下，建筑物位置变化的空间状态和时间特征。

在沉降观测的过程中，由于受施工环境和其他一些外界条件的影响,有一些监测点经常会被遮挡或者破坏,使观测各期数据之间无法保持连续性，在形成沉降曲线的过程中,就会出现曲线不连续的情况，影响人们对建筑物沉降过程的整体分析。

为确保沉降观测的整体质量和精度,提高沉降观测效率,还有许多专业技术性问题值得研究。

建筑沉降数据处理的主要困难有四点：

第一沉降现象本身复杂；第二沉降监测周期长、资料累积量大;第三沉降数据序列变更频繁;第四数据质量评定难度大。

面对沉降数据处理的困难,本人考虑用MicrosoftExcel电子表格来处理沉降观测数据。

使用MicrosoftExcel电子表格处理沉降观测数据有四个优点：

第一数据存储量大；第二数据处理功能强大；第三表达数据质量指标直观、明了；第四数据成果生成可实现自动化。

目前,大多数建筑物沉降观测数据处理,解决方案较多采用结合测量仪器开发的系统。

从而对于观测数据管理、分析及最后报告生成,各单位工作流程差异很大;有的使用手工制作报表;有的直接在数据库上操作；有的用VisualBasic等编程语言作开发平台。

但无论采用什么流程，最终的成果都可以导入到电子表格中，从而进行处理。

3、Excel对沉降观测的内业数据处理

3.1.Excel对一次沉降观测的数据处理

3.1.1用Excel内置函数处理沉降数据

以下是朝阳区北苑路大羊坊6号楼的首次观测数据，这是一个12层的建筑物，由于该楼所占面积较大，所布设的控制点较多。

其中，BM1、T1是为已知基准点，BM1点的高程为156.5840，A1、A2、A3、A4、A5、A7、A8、A10、A11、A12、B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9、B10、B11、B12、B14、B15、B16为该建筑物布设的沉降观测水准点，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10为水准仪观测时临时增加的工作点，其首次观测数据如表3-1、表3-2所示：

由于测量所用的电子水准仪只能读出前后尺的视距以及水准尺在前后尺上的读数，不能很直观的读出每个沉降点的高程以及观测时的视距。

因此不能直观的比较两次沉降数据以得出这段时间建筑物的沉降量，为方便得出我们所要的沉降数据，现我们用excel软件对原始的观测数据进行简单的处理。

首先当已知BM1点的高程H=156.5840m，

根据水准观测的公式：

后视-前视=高差（h）

则T1点的高程H1=H-h=156.5840-0.4194=156.1646m

在Excel中，我们可以用Excel自带的函数运算功能来实现这一运算。

如表3-3为首次观测数据处理后的结果：

表3-1大羊坊六号原始观测数据

表3-2大羊坊六号原始观测数据（续）

表3-3第一次观测数据处理

如上图所示：

在求T1点高程的单元格中，我们可以在函数栏中输入“=C2-B3”，在按enter便可以得到我们想要的T1点的高程，以此类推，我们可以用同样的方法来计算出其他观测点的高程。

同理，总的视距=前距+后距，可以同样用excel的函数运算功能来实现视距和的运算，下面就不在赘述了。

:

3.1.2Excel对测量平差的计算

沉降观测的内业计算，一般按闭合线路进行平差计算。

按水准测量的精度要求：

实测高差闭合差<2.24mm即符合要求；

每测站所测高差中数中误差<0.05cm即符合要求；

计算校核为（后视读数之和-前视读数之和）-高差之和；

闭合差为（后视读数之和-前视读数之和）÷2，或者高差之和除以2，或者平均高差之和。

计算校核需同时满足以上计算结果条件，才说明内业计算无误。

附表中“备注”栏中为每一测站上沉降观测点之读数及计算高程值，本栏目中未列出主辅尺的高差，应注意校核主、辅尺读数值之差是否等于尺常数，如差值超过规定允许范围，是为“粗差”，应予重测，这在施测过程中就应有意识地进行控制，以免过后返工，增加不必要的工作量。

述表格，如为手工计算，因较为单调与枯燥。

特别是对于小区群体建筑，观测点位较多时，内业计算有一定的劳动强度，手工计算速度也不快，我们针对该表格重复计算的特点，利用微机中的电子表格Excel的计算功能进行计算，对于所示附表，在Excel中相应表格中输入对应的计算公式。

实际上，仅可输入一个测站单元的计算式，Excel将自动对计算式作相应的替换，即公式中的相对单元格引用是基于包含公式和单元格引用的单元格的相对位置。

如果公式所在单元格的位置改变，引用也随之改变，是为“相对引用”。

只需录入相应的观测数据，有关计算数据将由电子表格自动计算。

由于一般工程的观测线路基本上是固定的，这种表格也一般固定下来，每次观测后只需将观测数据对应录于电子表格中即可得出对应结果。

由于Excel的计算公式的复制自动替换功能，因而该表格可按实际测站的数量方便地进行复制扩展，在一定程度上可谓一劳永逸。

3.2.Excel对多次沉降观测数据的处理

3.2.1VBA在多次沉降数据处理上的应用

VBA的简单介绍：

VBA更确切地讲，它是一种自动化语言,它可以使常用的程序自动化，可以创建自定义的解决方案。

此外，如果你愿意，还可以将Excel用做开发平台实现应用程序。

（1）VBA可以实现的功能包括：

1.使重复的任务自动化。

2.自定义Excel工具栏,菜单和界面。

3.简化模板的使用。

4.自定义Excel,使其成为开发平台。

5.创建报表。

6.对数据进行复杂的操作和分析。

（2）用Excel作为开发平台有如下原因：

1.Excel本身功能强大,包括打印,文件处理,格式化和文本编辑。

2.Excel内置大量函数。

3.Excel界面熟悉。

4.可连接到多种数据库。

用其他语言开发应用程序，一半的工作是编写一些基本功能的模块，包括文件的打开和保存，打印，复制等。

而用Excel作为开发平台,则由于Excel已经具备这些基本功能，你要做的只是使用它。

（3）录制简单的宏

在介绍学习VBA之前，应该花几分钟录制一个宏。

新术语：

“宏”，指一系列Excel能够执行的VBA语句。

以下将要录制的宏非常简单，只是改变单元格颜色。

请完成如下步骤：

1）打开新工作簿，确认其他工作簿已经关闭。

2）选择A1单元格。

调出“常用”工具栏。

3）选择“工具”—“宏”—“录制新宏”。

4）输入“改变颜色”作为宏名替换默认宏名，单击确定,注意，此时状态栏中显示“录制”，特别是“停止录制”工具栏也显示出来。

替换默认宏名主要是便于分别这些宏。

宏名最多可为255个字符，并且必须以字母开始。

其中可用的字符包括：

字母、数字和下划线。

宏名中不允许出现空格。

通常用下划线代表空格。

5）选择“格式”的“单元格”，选择“图案”选项中的红色,单击“确定”。

6）单击“停止录制”工具栏按钮，结束宏录制过程。

如果“停止录制”工具栏开始并未出现，请选择“工具”—“宏”—“停止录制”。

录制完一个宏后就可以执行它了。

（4）执行宏

当执行一个宏时，Excel按照宏语句执行的情况就像VBA代码在对Excel进行“遥控”。

但VBA的“遥控”不仅能使操作变得简便，还能使你获得一些使用Excel标准命令所无法实现的功能。

而且，一旦熟悉了Excel的“遥控”，你都会奇怪自己在没有这些“遥控”的情况下，到底是怎么熬过来的。

要执行刚才录制的宏，可以按以下步骤进行：

1）选择任何一个单元格，比如A3。

2）选择“工具”—“宏”—“宏”，显示“宏”对话框。

3）选择“改变颜色”，选择“执行”，则A3单元格的颜色变为红色。

试着选择其它单元格和几个单元格组成的区域，然后再执行宏，以便加深印象。

查看录制的代码

到底是什么在控制Excel的运行呢？

你可能有些疑惑，好，让我们看看VBA的语句吧.

1）选择“工具”—“宏”—“宏”，显示“宏”对话框。

2）单击列表中的“改变颜色”，选择“编辑”按钮。

此时，会打开VBA的编辑器窗口（VBE）。

关于该编辑器，以后再详细说明，先将注意力集中到显示的代码上。

代码如下：

（日期和姓名会有不同）

Sub改变颜色（）''改变颜色Macro'xw记录的宏2000-6-10'

WithSelection.Interior.ColorIndex=3.Pattern=xlSolid.PatternColorIndex=xlAutomaticEndWithEndSub

将来会十分熟悉这种代码，虽然现在它们看上去像一种奇怪的外语。

学习VBA或编程语言在某种程度上比较像在学习一种外语。

Sub改变颜色（）:

这是宏的名称。

中间的以“'”开头的五行称为“注释”，它在录制宏时自动产生。

以With开头到EndWith结束的结构是With结构语句，这段语句是宏的主要部分。

注意单词“selection”，它代表“突出显示的区域”（即：

选定区域）。

WithSelection.Interior：

它读作“选择区域的的内部”，这整段语句设置该区域内部的一些“属性”。

其中：

.ColorIndex=3:

将该内部设为红色。

注意：

有一小圆点，它的作用在于简化语句，小圆点代替出现在With后的词，它是With结构的一部分。

另外：

红色被数字化为3，有兴趣的话，你将3改为其他数字试试看。

Pattern=xlSolid：

设置该区域的内部图案。

由于是录制宏，所以，虽然你并未设置这一项，宏仍然将其记录下来（因为在“图案”选项中有此一项，只是你为曾设置而已）。

xlSolid表示纯色。

PatternColorIndex=xlAutomatic：

表示内部图案底纹颜色为自动配色。

EndWith:

结束With语句。

EndSub:

整个宏的结束语

（5）辑录制的代码

在上一节，我们录制了一个宏并查看了代码，代码中有两句实际上并不起作用。

哪两句？

现在，在宏中作一个修改，删除多余行，直到和下面代码相同：

Sub改变颜色（）''改变颜色Macro'xw记录的宏2000-6-10'

'WithSelection.Interior.ColorIndex=3EndWithEndSub

完成后，在工作表中试验一下。

你会发现结果和修改前的状况一样。

在With语句前加入一行：

Range（"A5"）.Select

试着运行该宏，则无论开始选择哪个单元格，宏运行结果都是使A5单元格变红。

现在可以看到，编