朱俊逸,覃進(南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用
——以南京市浦口新城核心區(qū)沉降監(jiān)測項目為例

朱俊逸?,覃進
(南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

城市地面沉降監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理是當前城市勘測領(lǐng)域的一個研究熱點,本文以南京市浦口新城核心地區(qū)沉降監(jiān)測項目為例,簡單論述該項目所搭建的地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)建模技術(shù)以及空間分析技術(shù),實現(xiàn)了對地面沉降監(jiān)測信息的高效管理與利用。

地面沉降監(jiān)測;數(shù)據(jù)分析;數(shù)據(jù)建模;信息管理系統(tǒng)

1 引 言

南京市浦口新城是南京市新一輪規(guī)劃建設(shè)的熱點地區(qū),未來將與河西新城共同構(gòu)建南京沿江區(qū)域的嶄新風貌。為了浦口新城的順利建設(shè)和長期可持續(xù)發(fā)展,浦口新城從建設(shè)初期便開始進行區(qū)域性的沉降監(jiān)測。面對這種大范圍、長周期的區(qū)域沉降監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與分析顯得格外重要。以往的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),主要是以紙質(zhì)形式或者簡單的電子表格形式存儲、管理和利用,管理效率低,數(shù)據(jù)利用率不高,成果表現(xiàn)形式過于單一,最主要的是在沉降分析方面,各種數(shù)據(jù)的協(xié)同處理非常不方便。針對以上傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理方法和分析方法的種種缺陷,利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、信息管理技術(shù)和人工智能技術(shù)建立一個更加高效可靠、功能齊全的監(jiān)測信息管理系統(tǒng)顯得非常必要。

2 監(jiān)測信息管理系統(tǒng)需求分析

根據(jù)項目所在地浦口新城地區(qū)的實際監(jiān)測情況以及政府決策部門的需要,該沉降監(jiān)測項目主要采用了以下監(jiān)測技術(shù)和方法:地面幾何水準測量、磁感應(yīng)分層沉降、地下水位監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、地面荷載調(diào)查等。由此也相應(yīng)產(chǎn)生了以下幾類原始觀測數(shù)據(jù):地面沉降監(jiān)測點的高程數(shù)據(jù)、分層沉降磁環(huán)的高程數(shù)據(jù)、地下水位數(shù)據(jù)、孔隙水壓力數(shù)據(jù)以及地面荷載數(shù)據(jù),這幾類數(shù)據(jù)經(jīng)過相互間融合處理以及不同監(jiān)測周期之間的數(shù)據(jù)融合處理,又會產(chǎn)生更多有用的加工后數(shù)據(jù)。所以,該系統(tǒng)的第一個基本功能就是數(shù)據(jù)管理,該功能要能夠?qū)σ陨蠋最悢?shù)據(jù)進行錄入、存儲、查詢、修改以及輸出等。

在數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)之上,還要能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)進行處理分析,這就是該系統(tǒng)的第二個基本功能即數(shù)據(jù)分析,該功能要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可靠性分析(包括異常值檢驗和系統(tǒng)誤差檢驗等)、統(tǒng)計分析、圖形分析以及預(yù)警分析等。

除了以上兩個基本功能之外,在我們掌握了一定量的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)之后,為了對數(shù)據(jù)進行進一步的挖掘利用,對城市的規(guī)劃建設(shè)提供輔助決策信息,我們還為該系統(tǒng)設(shè)計了第三個主要功能,就是模型管理功能,該功能主要實現(xiàn)根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)建立一定的沉降監(jiān)測模型,所有已建立模型的查詢管理以及根據(jù)某一個模型進行沉降預(yù)報。

以上是該信息管理系統(tǒng)的三個主要功能模塊,除此之外,該系統(tǒng)還設(shè)計了系統(tǒng)維護功能和幫助系統(tǒng)。系統(tǒng)維護功能主要提供用戶名和密碼管理、用戶權(quán)限管理、登錄記錄查詢管理等功能,幫助則主要為用戶提供所有的系統(tǒng)功能使用幫助信息。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要在VB平臺上結(jié)合Map X、Surfer等控件進行開發(fā)。

系統(tǒng)主要由三大數(shù)據(jù)庫和三大功能模塊組成,三大數(shù)據(jù)庫是監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控模型庫、地理信息庫,三大功能模塊是監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)控模型管理模塊、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 “地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”總體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能概要

(1)系統(tǒng)總控

建立系統(tǒng)各部分的聯(lián)系,提供系統(tǒng)主菜單及選單功能,控制各庫和各模塊的協(xié)調(diào)運行。系統(tǒng)總控的功能包括:①編制系統(tǒng)選單;②控制系統(tǒng)的輸入、輸出流程;③控制系統(tǒng)與外部的通訊;④協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各庫內(nèi)容的傳輸;⑤提供完善的人機交互界面等。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊

實現(xiàn)對沉降監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)庫管理。其主要功能包括:沉降監(jiān)測信息的儲存、輸入、輸出、文本查詢、可視化查詢等。其主要內(nèi)容有:地面沉降數(shù)據(jù)、分層沉降數(shù)據(jù)、地下水位數(shù)據(jù)、孔隙水壓力數(shù)據(jù)、基巖變形數(shù)據(jù)、累計沉降量數(shù)據(jù)、地面荷載數(shù)據(jù)。用戶可根據(jù)需要用文本和圖形兩種形式進行查詢,并根據(jù)實際需要進行輸入輸出。

(3)模型庫管理模塊

模型庫是儲存各類監(jiān)控模型特征數(shù)據(jù)的信息載體。模型庫中的數(shù)據(jù)由對應(yīng)的建模程序和數(shù)據(jù)庫中監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析所得,這些模型用來預(yù)報浦口新城地區(qū)不同位置的沉降情況。本系統(tǒng)的模型庫包括如下模型:統(tǒng)計模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

(4)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊中包括可靠性分析、統(tǒng)計分析、圖形分析和預(yù)警分析四個功能項。主要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理,并根據(jù)分析結(jié)果為管理部門提供輔助決策依據(jù)。

(5)文本輸出

文本輸出是指對各類查詢、分析的結(jié)果以文本的形式進行輸出,并可按管理部門的要求組織成相應(yīng)的報表,以提高資料分析的自動化程度。

(6)圖形輸出

用戶可根據(jù)圖形界面,對監(jiān)測信息進行可視化查詢,也可將分析計算結(jié)果以圖形的形式進行描述和表示。

(7)幫助

為方便用戶使用和操作,系統(tǒng)提供聯(lián)機幫助手冊供用戶查詢。幫助設(shè)計主要包括幫助內(nèi)容、索引、搜索等幫助主題以及有關(guān)本系統(tǒng)的信息查詢。

圖2 “地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”主界面的菜單欄和工具欄

4 系統(tǒng)核心功能

4.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析模塊中包括可靠性分析、統(tǒng)計分析、圖形分析和預(yù)警分析四個功能項。

(1)可靠性分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性分析主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值的檢驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差分析。

異常值檢驗的基本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)觀測系列中的異常值。測值異常是利用評判準則對實測值進行檢查,識別測值是正常還是異常,并把檢查結(jié)果顯示在檢驗窗口中,檢驗結(jié)果同時可保存在數(shù)據(jù)文件中,該數(shù)據(jù)文件隨每次檢查不斷更新,并作為以后各分析階段的基礎(chǔ)。系統(tǒng)調(diào)用異常值檢查模塊之后,自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)通過一定的評判標準逐個測值地進行檢查。

異常值檢驗的基本思路是:根據(jù)以往的監(jiān)測資料,建立監(jiān)測量與環(huán)境量之間的數(shù)學模型,用這些模型計算在各種環(huán)境作用下的預(yù)測值與實測值的差值,如果沒有特殊的情況,則該差值應(yīng)該符合0均值的正態(tài)分布。因此,取顯著性水平α,差值應(yīng)該有100(1-α)%的概率落在置信區(qū)間內(nèi)。在進行異常值識別時,如果差值落到置信區(qū)間外面,則認為測值發(fā)生異常。

系統(tǒng)誤差的檢驗一般根據(jù)監(jiān)測值的統(tǒng)計特性構(gòu)成相應(yīng)的統(tǒng)計量,再根據(jù)其概率分布特性做出檢驗假設(shè),通過實際計算值與分位值的比較做出判別。常使用的檢驗方法有U檢驗法、均方連差檢驗法和t檢驗法等,本系統(tǒng)主要使用U檢驗法檢驗系統(tǒng)誤差。

(2)統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析的主要工作是分析計算監(jiān)測量的特征值。本系統(tǒng)的特征值統(tǒng)計以年為單位,即統(tǒng)計各測點每年的最大值及日期、最小值及日期、最大變幅、年平均值、變化速率等。

(3)圖形分析

本系統(tǒng)圖形分析的主要功能有:測值過程線圖、累計沉降量分布圖、本周期沉降量分布圖、沉降速率分布圖、分層沉降量圖和相關(guān)分析圖。用戶根據(jù)自己需要,選定好監(jiān)測點與監(jiān)測周期之后,軟件會自動繪制相應(yīng)圖形,圖形繪制完成以后,還可根據(jù)需要進行圖形保存輸出、打印以及進一步建立沉降區(qū)三維表面模型,本系統(tǒng)實現(xiàn)了三維表面模型的動態(tài)顯示,用戶可以通過工具欄上相應(yīng)按鈕對動態(tài)演示進行開始、暫停和停止操作。這一功能主要是在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)之上,使得所有數(shù)據(jù)分析成果更加直觀形象地顯示出來。

(4)預(yù)警分析

目前,地面沉降的危險性分級標準尚不統(tǒng)一,主要采用的標準有沉降速率、累計沉降量,其他標準及方法也在不斷的研究和發(fā)展中。根據(jù)以上情況,本系統(tǒng)采用年沉降速率和累計沉降量作為預(yù)警的控制指標。由于有兩種評價方式,因此,用戶在進入預(yù)警分析時,首先應(yīng)選擇預(yù)警的方法(年沉降速率或累計沉降),為消除個別特殊測點的影響,用于分析的測點可由用戶自由選取,選點方法可以是手動選點,也可以采用數(shù)據(jù)文件選點。預(yù)警分析主要是根據(jù)沉降速率或累計沉降量劃分不同等級的區(qū)域,本系統(tǒng)約定三個等級分別用藍、黃、紅三種不同顏色表示,其具體指標由用戶根據(jù)實際需要自己指定,如圖3所示。

圖3 “地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”預(yù)警分析窗口

4.2 模型管理

數(shù)據(jù)分析的任務(wù)是根據(jù)具有一定精度的觀測資料,經(jīng)過數(shù)學上的合理處理,從而尋找出沉降在空間的分布情況及其在時間上的發(fā)展規(guī)律,掌握沉降量與各種影響因素的關(guān)系。通常,引起地面沉降的原因眾多,且各因素之間的關(guān)系極為復雜,難以直接確定下來,特別是各因素對沉降量的影響也很難用一個確定的數(shù)學表達式來描述。因此,需要經(jīng)過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的進一步處理分析,建立相應(yīng)的數(shù)學模型才能解決這個問題。

根據(jù)浦口新城地區(qū)沉降監(jiān)測的特點和要求,通過查閱大量資料并進行分析對比,本系統(tǒng)建立了統(tǒng)計模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型三大類監(jiān)控數(shù)學模型。根據(jù)建模所采用測點數(shù)量的不同,每種數(shù)學模型又分為單測點模型和多測點分布模型。

(1)模型生成

根據(jù)模型建立原理,用戶必須先選擇模型生成方法,可選擇統(tǒng)計模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型或小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,然后再選擇建模因子,本系統(tǒng)采用地下水位因子和地面荷載因子分開建模,選擇好建模因子之后,最后選擇用于建模的測點數(shù)據(jù),然后即可生成相應(yīng)模型,模型生成好之后,用戶可查看建模結(jié)果,并將其保存到模型管理庫中,如圖4所示。

圖4 “地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)”單測點小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型生成窗口

(2)模型查詢

初次建模以后,用戶可隨時查詢相應(yīng)模型,從模型庫中調(diào)出相應(yīng)的模型參數(shù),并在數(shù)據(jù)網(wǎng)格中顯示,查詢結(jié)果可直接打印。對于不合理的模型,用戶可根據(jù)實際情況將模型從模型庫中刪除,以便重新建立模型。

(3)模型預(yù)報

對已經(jīng)建模的監(jiān)測點,只需從模型庫中提取其相應(yīng)的模型參數(shù),對該點在未來某個時間或某種環(huán)境狀態(tài)下的監(jiān)測值進行預(yù)測,并把預(yù)測值存入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中。

5 結(jié) 語

地面沉降監(jiān)測信息管理系統(tǒng)是一個以計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的,為科學管理分析監(jiān)測數(shù)據(jù),為指導監(jiān)測區(qū)域規(guī)劃建設(shè)以及為政府的科學決策提供依據(jù)的計算機軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)具有先進性、實用性、可靠性、界面友好、便于操作和能夠擴充等特征。本系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代計算機先進的軟、硬件技術(shù),對監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)了集成化的數(shù)據(jù)管理、智能化的分析處理和可視化的決策推理,尤其是在沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析建模方面,采用了多種可供選擇地建模方法,是值得廣大勘測工作者借鑒參考的軟件系統(tǒng)設(shè)計作品。

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The Research and App lication for the Settlement M onitoring Information M anagement System——Taking the Nanjing Pukou M ew Town Settlement M onitoring Project as an Exam ple

Zhu Junyi,Qin Jin
(Nanjing Institute of Surveying,Mapping&Geotechnical Investigation Co.,Ltd.Nanjing 210019,China)

The city ground subsidencemonitoring and the data processing has become a research hotspot in the field of survey.Taking the Nanjing Pukou new town settlementmonitoring projectas an example,briefly discuss the settlement monitoring information management system.The system mainly using database technology,data modeling and spatial analysis technology,to efficientlymanage and make use of themonitoring information.

ground subsidencemonitoring;data analysis;datamodeling;information management system

1672-8262(2014)01-63-03

P208.2,TU196

B

2013—08—01

朱俊逸(1972—),男,工程師,主要從事變形測量技術(shù)工作。