朱俊逸,覃進(jìn)(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

地面沉降監(jiān)測(cè)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(cè)項(xiàng)目為例

朱俊逸?,覃進(jìn)
(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司,江蘇南京 210019)

城市地面沉降監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理是當(dāng)前城市勘測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),本文以南京市浦口新城核心地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例,簡(jiǎn)單論述該項(xiàng)目所搭建的地面沉降監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)建模技術(shù)以及空間分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)信息的高效管理與利用。

地面沉降監(jiān)測(cè);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(diǎn)地區(qū),未來(lái)將與河西新城共同構(gòu)建南京沿江區(qū)域的嶄新風(fēng)貌。為了浦口新城的順利建設(shè)和長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展,浦口新城從建設(shè)初期便開(kāi)始進(jìn)行區(qū)域性的沉降監(jiān)測(cè)。面對(duì)這種大范圍、長(zhǎng)周期的區(qū)域沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù),主要是以紙質(zhì)形式或者簡(jiǎn)單的電子表格形式存儲(chǔ)、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(guò)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(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)、信息管理技術(shù)和人工智能技術(shù)建立一個(gè)更加高效可靠、功能齊全的監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)顯得非常必要。

2 監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)需求分析

根據(jù)項(xiàng)目所在地浦口新城地區(qū)的實(shí)際監(jiān)測(cè)情況以及政府決策部門的需要,該沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要采用了以下監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法:地面幾何水準(zhǔn)測(cè)量、磁感應(yīng)分層沉降、地下水位監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)、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(cè)數(shù)據(jù):地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(guò)相互間融合處理以及不同監(jiān)測(cè)周期之間的數(shù)據(jù)融合處理,又會(huì)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(gè)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(jìn)行錄入、存儲(chǔ)、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(jìn)行處理分析,這就是該系統(tǒng)的第二個(gè)基本功能即數(shù)據(jù)分析,該功能要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性分析(包括異常值檢驗(yàn)和系統(tǒng)誤差檢驗(yàn)等)、統(tǒng)計(jì)分析、圖形分析以及預(yù)警分析等。

除了以上兩個(gè)基本功能之外,在我們掌握了一定量的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后,為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的挖掘利用,對(duì)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(jì)了第三個(gè)主要功能,就是模型管理功能,該功能主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立一定的沉降監(jiān)測(cè)模型,所有已建立模型的查詢管理以及根據(jù)某一個(gè)模型進(jìn)行沉降預(yù)報(bào)。

以上是該信息管理系統(tǒng)的三個(gè)主要功能模塊,除此之外,該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)維護(hù)功能和幫助系統(tǒng)。系統(tǒng)維護(hù)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(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要在VB平臺(tái)上結(jié)合Map X、Surfer等控件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)主要由三大數(shù)據(jù)庫(kù)和三大功能模塊組成,三大數(shù)據(jù)庫(kù)是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控模型庫(kù)、地理信息庫(kù),三大功能模塊是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊、監(jiān)控模型管理模塊、監(jiān)測(cè)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(cè)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(kù)和各模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)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(kù)內(nèi)容的傳輸;⑤提供完善的人機(jī)交互界面等。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊

實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。其主要功能包括:沉降監(jiān)測(cè)信息的儲(chǔ)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(jì)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(jìn)行查詢,并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行輸入輸出。

(3)模型庫(kù)管理模塊

模型庫(kù)是儲(chǔ)存各類監(jiān)控模型特征數(shù)據(jù)的信息載體。模型庫(kù)中的數(shù)據(jù)由對(duì)應(yīng)的建模程序和數(shù)據(jù)庫(kù)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析所得,這些模型用來(lái)預(yù)報(bào)浦口新城地區(qū)不同位置的沉降情況。本系統(tǒng)的模型庫(kù)包括如下模型:統(tǒng)計(jì)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(cè)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(jì)分析、圖形分析和預(yù)警分析四個(gè)功能項(xiàng)。主要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)各類查詢、分析的結(jié)果以文本的形式進(jìn)行輸出,并可按管理部門的要求組織成相應(yīng)的報(bào)表,以提高資料分析的自動(dòng)化程度。

(6)圖形輸出

用戶可根據(jù)圖形界面,對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行可視化查詢,也可將分析計(jì)算結(jié)果以圖形的形式進(jìn)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(jī)幫助手冊(cè)供用戶查詢。幫助設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)分析、圖形分析和預(yù)警分析四個(gè)功能項(xiàng)。

(1)可靠性分析

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

異常值檢驗(yàn)的基本任務(wù)是發(fā)現(xiàn)觀測(cè)系列中的異常值。測(cè)值異常是利用評(píng)判準(zhǔn)則對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行檢查,識(shí)別測(cè)值是正常還是異常,并把檢查結(jié)果顯示在檢驗(yàn)窗口中,檢驗(yàn)結(jié)果同時(shí)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(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)一定的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)逐個(gè)測(cè)值地進(jìn)行檢查。

異常值檢驗(yàn)的基本思路是:根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)資料,建立監(jiān)測(cè)量與環(huán)境量之間的數(shù)學(xué)模型,用這些模型計(jì)算在各種環(huán)境作用下的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的差值,如果沒(méi)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(jìn)行異常值識(shí)別時(shí),如果差值落到置信區(qū)間外面,則認(rèn)為測(cè)值發(fā)生異常。

系統(tǒng)誤差的檢驗(yàn)一般根據(jù)監(jiān)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)特性構(gòu)成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量,再根據(jù)其概率分布特性做出檢驗(yàn)假設(shè),通過(guò)實(shí)際計(jì)算值與分位值的比較做出判別。常使用的檢驗(yàn)方法有U檢驗(yàn)法、均方連差檢驗(yàn)法和t檢驗(yàn)法等,本系統(tǒng)主要使用U檢驗(yàn)法檢驗(yàn)系統(tǒng)誤差。

(2)統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析的主要工作是分析計(jì)算監(jiān)測(cè)量的特征值。本系統(tǒng)的特征值統(tǒng)計(jì)以年為單位,即統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)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(cè)值過(guò)程線圖、累計(jì)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(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)周期之后,軟件會(huì)自動(dòng)繪制相應(yīng)圖形,圖形繪制完成以后,還可根據(jù)需要進(jìn)行圖形保存輸出、打印以及進(jìn)一步建立沉降區(qū)三維表面模型,本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維表面模型的動(dòng)態(tài)顯示,用戶可以通過(guò)工具欄上相應(yīng)按鈕對(duì)動(dòng)態(tài)演示進(jìn)行開(kāi)始、暫停和停止操作。這一功能主要是在統(tǒng)計(jì)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(lái)。

(4)預(yù)警分析

目前,地面沉降的危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)尚不統(tǒng)一,主要采用的標(biāo)準(zhǔn)有沉降速率、累計(jì)沉降量,其他標(biāo)準(zhǔn)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(jì)沉降量作為預(yù)警的控制指標(biāo)。由于有兩種評(píng)價(jià)方式,因此,用戶在進(jìn)入預(yù)警分析時(shí),首先應(yīng)選擇預(yù)警的方法(年沉降速率或累計(jì)沉降),為消除個(gè)別特殊測(cè)點(diǎn)的影響,用于分析的測(cè)點(diǎn)可由用戶自由選取,選點(diǎn)方法可以是手動(dòng)選點(diǎn),也可以采用數(shù)據(jù)文件選點(diǎn)。預(yù)警分析主要是根據(jù)沉降速率或累計(jì)沉降量劃分不同等級(jí)的區(qū)域,本系統(tǒng)約定三個(gè)等級(jí)分別用藍(lán)、黃、紅三種不同顏色表示,其具體指標(biāo)由用戶根據(jù)實(shí)際需要自己指定,如圖3所示。

圖3 “地面沉降監(jiān)測(cè)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(cè)資料,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)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(shí)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(fù)雜,難以直接確定下來(lái),特別是各因素對(duì)沉降量的影響也很難用一個(gè)確定的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述。因此,需要經(jīng)過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理分析,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型才能解決這個(gè)問(wèn)題。

根據(jù)浦口新城地區(qū)沉降監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和要求,通過(guò)查閱大量資料并進(jìn)行分析對(duì)比,本系統(tǒng)建立了統(tǒng)計(jì)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?cái)?shù)學(xué)模型。根據(jù)建模所采用測(cè)點(diǎn)數(shù)量的不同,每種數(shù)學(xué)模型又分為單測(cè)點(diǎn)模型和多測(cè)點(diǎn)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(jì)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(kāi)建模,選擇好建模因子之后,最后選擇用于建模的測(cè)點(diǎn)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(kù)中,如圖4所示。

圖4 “地面沉降監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)”單測(cè)點(diǎn)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(shí)查詢相應(yīng)模型,從模型庫(kù)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(duì)于不合理的模型,用戶可根據(jù)實(shí)際情況將模型從模型庫(kù)中刪除,以便重新建立模型。

(3)模型預(yù)報(bào)

對(duì)已經(jīng)建模的監(jiān)測(cè)點(diǎn),只需從模型庫(kù)中提取其相應(yīng)的模型參數(shù),對(duì)該點(diǎn)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。

5 結(jié) 語(yǔ)

地面沉降監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)是一個(gè)以計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的,為科學(xué)管理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為指導(dǎo)監(jiān)測(cè)區(qū)域規(guī)劃建設(shè)以及為政府的科學(xué)決策提供依據(jù)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)具有先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、界面友好、便于操作和能夠擴(kuò)充等特征。本系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)先進(jìn)的軟、硬件技術(shù),對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)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(cè)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(cè)工作者借鑒參考的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)作品。

[1] 黃聲享,尹暉,蔣征.變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003.

[2] 李建松.地理信息系統(tǒng)原理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2006.

[3] 岳建平,方露.城市地面沉降監(jiān)控理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

[4] 李勤奮,沈雪興.上海市地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及信息管理系統(tǒng)[J].上海地質(zhì),2000,3.

[5] 成樞.地面沉降變形預(yù)計(jì)模型與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].青島:山東科技大學(xué),2005.

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(cè)量技術(shù)工作。