熊成利，金洪芳，鄭永忠

(浙江省第二測(cè)繪院，浙江 杭州 310012)

目前，中國19個(gè)省份中超過50個(gè)城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，重災(zāi)區(qū)主要為長江三角洲地區(qū)、華北平原和汾渭盆地這3個(gè)區(qū)域[1]。地面沉降作為一種累進(jìn)性的地質(zhì)災(zāi)害,影響范圍廣,防治難度大,已成為困擾城市建設(shè)、影響居民安全生活的一種重要地質(zhì)災(zāi)害，并且嚴(yán)重影響著城市地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長和可持續(xù)發(fā)展[2]。為了有效地控制城市地面沉降，杭嘉湖地區(qū)沿?？h市政府城市規(guī)劃、地質(zhì)等管理部門每年都投入大量人力和財(cái)力對(duì)地面沉降及地下水位進(jìn)行不間斷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并積累了大量豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。然而由于歷史條件或技術(shù)原因的限制，這些大量的寶貴資料都是通過手工整理，工作效率低，查閱資料也極為不便，大批的數(shù)據(jù)沒有得到科學(xué)的管理、分析和有效的利用。如何有效管理這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)行合理分析，進(jìn)而掌握沿?？h市的地面沉降變化規(guī)律,分析地面沉降機(jī)理，對(duì)防震減災(zāi)、城市規(guī)劃建設(shè)等都具有十分重要的意義。

1 需求分析

為科學(xué)地管理多年歷史沉降監(jiān)測(cè)資料，建立一套合理科學(xué)的基于GIS的沉降信息管理和共享服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期、不同觀測(cè)點(diǎn)的多源多時(shí)相沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)入庫、數(shù)值分析、可視化顯示、趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)、各類報(bào)表、圖形的自動(dòng)生成與輸出，及時(shí)快速地掌握地面沉降變化規(guī)律，提供處理措施，為城市規(guī)劃、城市建設(shè)與管理及社會(huì)公眾信息需求提供服務(wù)，提高城市規(guī)劃和城市空間的管理開發(fā)與利用水平，筆者所在單位組織相關(guān)技術(shù)力量進(jìn)行了沿?？h市級(jí)城區(qū)地面沉降信息管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)，并推廣至杭嘉湖多個(gè)縣市，取得了很好的用戶評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)采用B/S三層架構(gòu)，PLSQL Developer進(jìn)行Oracle 11g數(shù)據(jù)庫管理，IIS發(fā)布網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沉降數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)查詢分析和預(yù)測(cè)分析等。系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

基于B/S框架的沉降信息的管理與可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)中較為重要的部分之一，其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響。本系統(tǒng)運(yùn)用Oracle實(shí)現(xiàn)與沉降相關(guān)數(shù)據(jù)交換與存儲(chǔ)。與沉降相關(guān)的數(shù)據(jù)主要有站點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)及站點(diǎn)的多期時(shí)間序列沉降數(shù)據(jù)，在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中主要分沉降站點(diǎn)基本數(shù)據(jù)表和多期歷史沉降數(shù)據(jù)表，相關(guān)E-R如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)該E-R圖進(jìn)行了沉降數(shù)據(jù)相關(guān)表(沉降觀測(cè)點(diǎn)表、歷年高程記錄表)、底圖配置表、用戶表、圖片或文件與觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)表等詳細(xì)的數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)。

2.2.2 沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法研究

利用數(shù)學(xué)模型將多期觀測(cè)的地面沉降量數(shù)據(jù)擬合成曲線，進(jìn)而計(jì)算后期沉降的方法在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。這類方法包括雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法、泊松曲線法、灰色理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。各種預(yù)測(cè)模型的適用性不同，如雙曲線法適合長期預(yù)測(cè)，時(shí)間越長，準(zhǔn)確度越高[3]；而Asaoka法的優(yōu)點(diǎn)在于它可利用較短時(shí)間內(nèi)的觀測(cè)資料，就能得到較為可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果[4]；灰色模型要求原始數(shù)據(jù)變化較為平緩[5]。城市范圍內(nèi)地面觀測(cè)點(diǎn)較多，分布范圍廣，地質(zhì)條件不盡相同；任何一種地面沉降模型都是在一定地質(zhì)條件下推導(dǎo)出來的，在城市沉降預(yù)測(cè)分析中，不可能預(yù)先為觀測(cè)點(diǎn)選擇適用的模型，也不可能設(shè)計(jì)一種通用的地面沉降模型[6]。因此，沉降預(yù)測(cè)模型計(jì)算出結(jié)果后，還需對(duì)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，可以選用平均絕對(duì)百分誤差(MAPE)進(jìn)行模型精度評(píng)價(jià)[1]。通過這種精度評(píng)價(jià)可以得出的結(jié)論是：越多的原始序列期數(shù)越能反映觀測(cè)點(diǎn)的沉降趨勢(shì)；在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)先信任短期預(yù)測(cè)結(jié)果；可在觀測(cè)期數(shù)5、6期以上時(shí)優(yōu)先采用灰度模型；在缺少數(shù)據(jù)樣本的支持下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用Asaoka法該法進(jìn)行預(yù)測(cè)；三點(diǎn)法在當(dāng)前樣本下比較適合長期預(yù)測(cè)；雙曲線法適應(yīng)性較強(qiáng)，其預(yù)測(cè)精度不高；觀測(cè)點(diǎn)在不同預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度也不相同，可以對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.3 天地圖與沉降數(shù)據(jù)融合

地面沉降信息管理系統(tǒng)包括多期沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的整理與和建庫、沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間可視化與查詢，以及沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空分析，為城市地面沉降的預(yù)測(cè)、防控、減災(zāi)提供支持。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)通常為單一離散觀測(cè)點(diǎn)，因此，對(duì)沉降觀測(cè)信息的管理、分析和預(yù)測(cè)需要城市級(jí)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)提出以采用智慧城市地理信息共享平臺(tái)架構(gòu)如縣市天地圖作為城市離散沉降信息管理的空間展示基礎(chǔ)。

2.2.4 基于交叉驗(yàn)證的空間插值方法

在城市沉降監(jiān)測(cè)中，常用的單點(diǎn)測(cè)量手段獲取的單站觀測(cè)數(shù)據(jù)是離散的、單一的。由于觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù)受到限制，獲取的觀測(cè)資料只能反映局部沉降監(jiān)測(cè)信息，無法從整體上對(duì)觀測(cè)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了彌補(bǔ)這一不足，近年來，多個(gè)專家學(xué)者利用空間插值的方法進(jìn)行了地面沉降由點(diǎn)到面的監(jiān)測(cè)研究，并在城市地面沉降觀測(cè)中得到了較多應(yīng)用。常見的空間插值方法有：IDW法、Kriging和樣條函數(shù)方法[7]。對(duì)于不同的觀測(cè)點(diǎn)分布、不同的地形環(huán)境和觀測(cè)數(shù)據(jù)量，其插值計(jì)算結(jié)果在一定范圍內(nèi)存在差異。IDW插值把估算值和實(shí)測(cè)點(diǎn)間的距離作為權(quán)重因子，權(quán)重值為距離反比[8-9]；Kriging插值是通過一組具有z值的分散點(diǎn)生成估計(jì)表面的高級(jí)地統(tǒng)計(jì)過程[10-11]；樣條函數(shù)插值是通過控制估計(jì)方差，利用一些特征節(jié)點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合的方法來產(chǎn)生平滑的插值曲線[12-14]。在城市地面沉降插值計(jì)算時(shí)，3種空間插值模型表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)[15]:IDW法簡單易行，效率高，但是易受極值影響；Kriging法考慮區(qū)域空間特性，但是算法復(fù)雜度高并且耗時(shí)；樣條函數(shù)法保凸性、逼真性和平滑性好，但是誤差估計(jì)困難要求點(diǎn)數(shù)量足夠且分布均勻。

進(jìn)行空間插值后需要對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。首先假定某些觀測(cè)點(diǎn)高程值未知，通過周圍站點(diǎn)實(shí)測(cè)值插值來估算，然后計(jì)算驗(yàn)證站點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與估算值之間的誤差值。被估算高程值的站點(diǎn)稱為驗(yàn)證站點(diǎn)，用于插值的站點(diǎn)稱為采樣站點(diǎn)。常用的評(píng)估方法有平均絕對(duì)誤差(MAE)和平均誤差平方的平方根(RMSIE)。采用這兩種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)能很好地反映不同插值方法的相對(duì)精度，以此選擇最適宜的空間插值方法進(jìn)行城市沉降計(jì)算。

2.2.5 沉降數(shù)據(jù)導(dǎo)出工具設(shè)計(jì)

導(dǎo)出工具用于將沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為天地圖支持的格式。它是基于Visual Studio 2015集成開發(fā)環(huán)境，采用C#語言，利用二次開發(fā)平臺(tái)ArcGIS Engine 10.1進(jìn)行開發(fā)的。導(dǎo)出工具的地圖瀏覽功能基于桐鄉(xiāng)地圖的MXD格式的地圖文檔；數(shù)據(jù)庫使用沉降信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，通過服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)庫服務(wù)進(jìn)行通信。導(dǎo)出工具根據(jù)用戶選擇的條件對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降趨勢(shì)預(yù)測(cè)并將結(jié)果以專題圖的形式展現(xiàn)在地圖中，且可以生成相應(yīng)的圖例。最后可以將生成的展示結(jié)果以MXD的格式保存至本地硬盤。其工作流程如圖3所示。

2.3 功能模塊

本系統(tǒng)具體的功能模塊包括：

(1) 觀測(cè)點(diǎn)與高程信息管理。存放觀測(cè)點(diǎn)的位置信息和高程信息，是本系統(tǒng)進(jìn)行沉降統(tǒng)計(jì)與分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2) 文檔管理。存放與觀測(cè)點(diǎn)相關(guān)的信息，如觀測(cè)點(diǎn)的照片信息和點(diǎn)之記等。文檔管理可以按照文檔內(nèi)容的性質(zhì)對(duì)文檔進(jìn)行分門別類，提高檢索的便捷度。支持上傳、編輯、下載、標(biāo)注、條件查詢等文件管理操作。

(3) 底圖管理。用戶可以增加、刪除、修改底圖信息，切換使用不同的底圖。

(4) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出。數(shù)據(jù)導(dǎo)入可以隨時(shí)更新系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)更多觀測(cè)點(diǎn)的歷年高程信息，導(dǎo)入沉降數(shù)據(jù)時(shí)還可以驗(yàn)證其有效性、正確性；數(shù)據(jù)導(dǎo)出可以選擇一段數(shù)據(jù)，得到觀測(cè)點(diǎn)的位置信息、高程信息及沉降統(tǒng)計(jì)信息等。

(5) 用戶管理。系統(tǒng)采用的用戶分為一般用戶、數(shù)據(jù)管理員及超級(jí)管理員等3種角色。不同類型的用戶分別有不同的權(quán)限：一般用戶只有查看預(yù)覽與檢索查詢沉降信息的功能；數(shù)據(jù)管理員不但有預(yù)覽沉降信息的功能，而且還有增加、編輯、底圖配置、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)測(cè)分析、InSAR數(shù)據(jù)分析等權(quán)限；超級(jí)管理員具有系統(tǒng)的最高權(quán)限，除了有數(shù)據(jù)管理員的權(quán)限之外，還有對(duì)用戶管理的權(quán)限。

(6) 報(bào)告導(dǎo)出。用戶可以根據(jù)需要，選擇任一時(shí)間段的控制點(diǎn)信息，生成包含有趨勢(shì)預(yù)測(cè)信息、沉降等值線信息、DEM變化信息、淹沒信息、沉降量統(tǒng)計(jì)信息的報(bào)告并可以打印。

(7) 空間查詢和模糊查詢?？臻g查詢指用戶可以在地圖上框選觀測(cè)點(diǎn)，查詢其高程信息和屬性信息。模糊查詢主要是指用戶可以根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)中名字的關(guān)鍵字查詢到觀測(cè)點(diǎn)，并在底圖上高亮顯示。

(8) 圖層管理。用戶可以根據(jù)自己的需要選擇哪些觀測(cè)點(diǎn)可以出現(xiàn)在底圖上，哪些工具需要被隱藏。

(9) 趨勢(shì)預(yù)測(cè)。將雙曲線法、三點(diǎn)法、Asaoka法及灰度模型等4種方法分別應(yīng)用于已知觀測(cè)年份的沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未知年份的沉降數(shù)據(jù)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果以折線圖或沉降圖的形式展示出來。

(10) 沉降統(tǒng)計(jì)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)某一時(shí)間段或所有觀測(cè)點(diǎn)的沉降量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后以折線圖和柱狀圖的形式展現(xiàn)出來。

(11) 沉降等值線。根據(jù)已知高程信息，得到沉降等值線，并在地圖上展現(xiàn)出來。

(12) 影像分析。影像分析主要是根據(jù)InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分為沉降分析和淹沒分析。將分析的結(jié)果進(jìn)行渲染，并在地圖上顯示出來。

(13) 決策分析。已知某地區(qū)內(nèi)一些點(diǎn)的高程信息和沉降信息，提供一組預(yù)備建設(shè)的規(guī)劃圖進(jìn)行檢測(cè)(可以是點(diǎn)、線、面)，不同的建設(shè)物對(duì)其所占區(qū)域的高程信息和沉降信息等有不同的要求，要求對(duì)其中不適合進(jìn)行建設(shè)的地方進(jìn)行標(biāo)注提示，以輔助最終決策的制定。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與推廣應(yīng)用

本系統(tǒng)開發(fā)完成后在杭嘉湖沿海地區(qū)產(chǎn)生了積極的響應(yīng)，如在桐鄉(xiāng)、海寧和海鹽、嘉善地區(qū)都得到了很好的應(yīng)用。系統(tǒng)中沉降等值線功能、沉降點(diǎn)預(yù)測(cè)、沉降面預(yù)測(cè)分別如圖4和圖5所示。

4 結(jié) 語

本文利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合沿海縣市級(jí)城區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)流程，通過對(duì)現(xiàn)有的多期地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和時(shí)空處理，構(gòu)建地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計(jì)了沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理及更新維護(hù)、數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、沉降趨勢(shì)分析、沉降模擬預(yù)測(cè)和可視化表達(dá)與分析等功能模塊，開發(fā)建立了比較完善的地面沉降信息管理系統(tǒng)，并加以推廣應(yīng)用，對(duì)沿?？h市級(jí)城市輕量級(jí)地面沉降信息管理、預(yù)警、防震減災(zāi)、城市規(guī)劃建設(shè)等工作都具有積極的意義。