長(zhǎng)江漫灘地面沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張鳳梅，宋以勝，葉菲，王慶

(1.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

長(zhǎng)江漫灘地面沉降監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張鳳梅1*，宋以勝2，葉菲1，王慶1

(1.南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019； 2.中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

長(zhǎng)江漫灘地質(zhì)條件復(fù)雜，隨著城市的快速發(fā)展，長(zhǎng)江漫灘地面沉降引起的危害得到高度重視?；?006年至2010年5年間采集的長(zhǎng)江漫灘地區(qū)各類沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、統(tǒng)計(jì)、分析、建模、預(yù)報(bào)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了可視化的長(zhǎng)江漫灘地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)預(yù)警，可為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供決策依據(jù)。關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江漫灘；地面沉降；沉降監(jiān)測(cè)；GIS

1 引 言

城市地面沉降是一種普遍的地質(zhì)現(xiàn)象。城市地面沉降將對(duì)沉降區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施以及生態(tài)環(huán)境將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。本系統(tǒng)基于全面的長(zhǎng)江漫灘地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(包括地面高程監(jiān)測(cè)、基巖沉降監(jiān)測(cè)、軟土層分層沉降監(jiān)測(cè)、地下各地層水位監(jiān)測(cè)和地下各地層水孔隙水壓力監(jiān)測(cè)、地面荷載變化調(diào)查資料等)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、人工智能以及GIS技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)交互性強(qiáng)的長(zhǎng)江漫灘沉降監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成化管理、智能化分析和可視化決策，從而有效指導(dǎo)各項(xiàng)工程建設(shè)，降低地面沉降造成的災(zāi)害，為管理部門的建設(shè)規(guī)劃、災(zāi)害防治等提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以.NET Framework 4.0為運(yùn)行平臺(tái)，以ArcGIS Engine 10.0為GIS平臺(tái)，以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)工具，以C#和JavaScript為編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以ZedGraph.dll作為圖表展示插件，以Surfer8.0作為二維等值線繪制平臺(tái)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、實(shí)時(shí)處理和儲(chǔ)存；利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)；并提供各種圖形、報(bào)表的輸出等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為五大模塊：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、監(jiān)測(cè)模型管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)輸出以及系統(tǒng)維護(hù)。

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成化管理。主要功能包括：沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入、儲(chǔ)存、輸出、查詢、可視化展現(xiàn)等。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括：地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及其他重要檔案資料等。

(2)監(jiān)測(cè)模型管理模塊

地面沉降與引起沉降的各種因素之間關(guān)系非常復(fù)雜，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析沉降監(jiān)測(cè)體的累積沉降量、沉降速率、沉降規(guī)律等，對(duì)沉降產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而生成不同預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來(lái)的沉降速率和沉降量。模型管理主要對(duì)該系統(tǒng)使用的模型及模型參數(shù)進(jìn)行管理。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)模塊

該模塊對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用合適的模型進(jìn)行分析處理，并借助各類圖形直觀展現(xiàn)出來(lái)。該模塊包括可靠性分析、統(tǒng)計(jì)分析、建模分析、預(yù)警分析等功能，分析結(jié)果可為管理部門提供輔助決策依據(jù)。

(4)系統(tǒng)輸出

該模塊根據(jù)用戶需要，對(duì)各類查詢、分析結(jié)果以圖表、圖形等形式進(jìn)行輸出，提高資料分析的自動(dòng)化程度。

(5)系統(tǒng)維護(hù)

該模型實(shí)現(xiàn)主要實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限的管理及日志管理。

系統(tǒng)具體功能設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能介紹如下：

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢：根據(jù)用戶設(shè)定的查詢條件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)信息進(jìn)行查詢，用戶可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào)、觀測(cè)日期、沉降量等條件進(jìn)行單條件或組合條件的查詢定位。如圖3所示：

(2)異常值檢驗(yàn)：利用評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)實(shí)測(cè)沉降值進(jìn)行檢查，識(shí)別實(shí)測(cè)值是否存在異常，并把檢查結(jié)果顯示在檢驗(yàn)窗口中，如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)查詢界面

圖4 異常值檢驗(yàn)界面(單位/mm)

(3)系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)：采用U檢驗(yàn)法進(jìn)行系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)。用戶選擇需要檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)表、點(diǎn)號(hào)、起始時(shí)間、分段點(diǎn)時(shí)間、終止時(shí)間和顯著水平等進(jìn)行檢驗(yàn)，得到測(cè)值過(guò)程線圖和樣本的統(tǒng)計(jì)量。分段點(diǎn)時(shí)間一般設(shè)在起始時(shí)間和終止時(shí)間之間的中間段，便于劃分樣本，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)界面(單位/mm)

(4)統(tǒng)計(jì)分析：分析計(jì)算監(jiān)測(cè)量的特征值(對(duì)某一個(gè)測(cè)點(diǎn)或觀測(cè)項(xiàng)目的觀測(cè)值的特征向量)，以圖形框形式顯示該測(cè)點(diǎn)的測(cè)值過(guò)程線，統(tǒng)計(jì)該測(cè)點(diǎn)的最大值、平均值等特征值，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在數(shù)據(jù)網(wǎng)格中。

(5)模型查詢：查詢所建模型的相關(guān)參數(shù)。本系統(tǒng)所建模型主要有單測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模型，多測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模型及時(shí)間序列模型，如圖6所示。

圖6 模型查詢界面(單位/mm)

(6)模型預(yù)報(bào)：根據(jù)所建模型參數(shù)，對(duì)其在未來(lái)某個(gè)時(shí)間或某種環(huán)境狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，并把預(yù)測(cè)值存入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中，如圖7所示。

(7)沉降預(yù)警：根據(jù)測(cè)點(diǎn)的沉降速率或累計(jì)沉降量將沉降區(qū)劃分不同等級(jí)的區(qū)域，并用藍(lán)、黃、紅三種不同顏色顯示其危害性等級(jí)分布，如圖8所示。

圖7 模型預(yù)報(bào)界面(單位/mm)

圖8 沉降預(yù)警界面(單位/mm)

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)特色

(1)將先進(jìn)的GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、人工智能等技術(shù)與傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，將以往主要以圖表形式為主的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直觀的在GIS平臺(tái)上展示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成化管理、智能化分析和可視化決策。

(2)系統(tǒng)基于全面的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)整合了地面高程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基巖沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、軟土層分層沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地層水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地層水孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)資料，便于全面、科學(xué)的反映南京河西地區(qū)的地面沉降情況。

(3)利用多種地面沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分別建立了單測(cè)點(diǎn)模型和多測(cè)點(diǎn)模型，將模型成功應(yīng)用于地面沉降的分析、預(yù)測(cè)，起到了很好的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

地面沉降監(jiān)測(cè)成果主要用來(lái)分析歸納沉降監(jiān)測(cè)體的累積沉降量、沉降速率、沉降規(guī)律等，進(jìn)而對(duì)沉降產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，確定沉降的原因及其規(guī)律性，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)的沉降速率和沉降量，并提出控制沉降的技術(shù)措施。該系統(tǒng)不僅可對(duì)多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、建模、分析和評(píng)判，為分析決策提供依據(jù)，而且具有較好的可視化功能，可以方便地繪制過(guò)程線圖、等值線圖以及三維立體圖，目前，該系統(tǒng)已應(yīng)用于南京河西地區(qū)的沉降觀測(cè)研究課題中，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 黃其歡，徐佳. 短基線DInSAR法長(zhǎng)江漫灘區(qū)大面積沉降監(jiān)測(cè)研究[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2011，30(1)：7-10.

[2] 陳善雄，余飛，劉紹波等. 鐵路客運(yùn)專線沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與分析預(yù)測(cè)集成系統(tǒng)研發(fā)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(2)：31-33.

[3] 袁媛. 大同地區(qū)GNSS地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立與應(yīng)用[J]. 礦山測(cè)量，2014(4)：75-77.

[4] 王慶，李永泉，曾寶慶等. 建筑物荷載對(duì)南京河西新城地面沉降影響的數(shù)值模擬分析[J]. 城市勘測(cè)，2014(5)：153-156.

[5] 何秀鳳，仲海蓓，何敏. 基于PS-InSAR和GIS空間分析的南通市區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版，2011，39(1)：129-133.

Design and Implementation of Yangtze River Floodplain Land Subsidence Monitoring and Forecasting and Early Warning System

Zhang Fengmei1，Song Yisheng2，Ye Fei1，Wang Qing1

(1.Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation，Co.，Ltd，Nanjing 210019，China； 2.PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

The geological conditions of Yangtze River floodplain complex，along with the rapid development of the city，to get the attention of ground subsidence hazards caused by Yangtze River floodplain. Based on the monitoring data from 2006 to 2010 5 acquisition of Yangtze River floodplain area of the settlement，using GIS and database technology，the settlement monitoring data processing，statistics，analysis，modeling，prediction，visualization of the Yangtze River floodplain area of land subsidence monitoring and early warning，can provide the decision-making basis for city planning，construction and management.

the yangtze River floodplain；ground subsidence；subsidence monitoring；GIS

1672-8262(2017)02-159-04

P208.2，P642.26

A

2016—08—10

張鳳梅(1979—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理、地面沉降監(jiān)測(cè)等技術(shù)管理工作。