礦區地面沉降預測預警系統開發

焦明連，吳清海，黃大寧

(淮海工學院測繪工程學院，江蘇連云港222005)

一、引 言

隨著世界范圍內礦產資源消耗量的急劇增長，因地下礦產資源開采引起的地面沉降成為世界上各礦產資源大國共同面臨的一種嚴重環境問題，我國也不例外。為了盡可能減輕地下礦產開采引起的地面沉降對地面基礎設施的損害與自然環境的破壞，對地面沉降進行精確預計顯得尤為重要[1]。目前已有的沉降預警系統雖然功能強大，但存在不夠實用、內存較大、操作不夠快捷簡便、難于掌握等問題，本文運用現代預測理論，以Visual Basic程序語言為編程手段，開發地面沉降預測預警系統。使用邏輯斯蒂(Logistic)、泊松曲線、龔伯次(Gompertz)等模型實現對地面沉降曲線的擬合，再利用擬合的曲線方便有效地預測將來一定時期內所監測區域地面的沉降值，為礦區地面沉降管理提供決策依據。

二、礦區地面沉降預測預警系統的特色

1．多模型預測帶來高精度預測值

礦區地面沉降是關系到建筑物(構筑物)安全性的一個重要指標，礦區地面沉降隨著時間呈有界增長，研究發現沉降-時間理論曲線呈“S”形，與Logistic曲線和 Gompertz曲線的變化規律極為相似[2]。這為運用Logistic曲線和Gompertz曲線建立建筑物沉降預測模型提供了理論基礎，采用的擬合模型分別是 Gompertz模型、Logistic模型和 Boltzmann模型。

本文提出的泊松曲線模型參數的擬合方法，對實測沉降數據沒有相等時間間距的要求，因而在工程實際中應用較為方便。

各種曲線擬合法的運算公式[3]參見表1。

表1 3種擬合模型及其形式

由于礦區地面沉降的不規律性，以及受地質、水文等自然因素的干擾，對于不同的地面情況，僅僅用一種沉降曲線擬合的方法，不能達到最為精確地沉降預測值，所以研究了3種擬合模型。利用這3種模型可以同時對同一組實測沉降值擬合成曲線，同過對比平均絕對百分誤差(MAPE)值，獲得精度更高、效果更好的擬合曲線。

2．軟件小巧實用

本軟件的主要目的是進行沉降值預測，運算量大部分在于模型參數的計算和曲線的擬合，總體來說該軟件運算量較小，并且軟件的操作過程清晰、簡單;另外通過3種模型的比較取舍，又能夠很好地達到預測目的，所以不僅節省了時間，同時獲得了高精度的預測值，能夠在短時間內處理大量的數據。并且在進行實測值擬合時，將使用的模型參數顯示給用戶，以備不時之需。

3．預測、預警、精度評定和繪圖的一體化

該軟件利用曲線擬合模型將實測沉降數據進行數據處理，擬合成一條沉降曲線圖并繪制。同時，提供了對擬合精度的評定(采用平均絕對百分誤差MAPE)。通過擬合的沉降曲線，對將來一定時期內建筑物的沉降值進行預測預警。

三、系統開發技術手段

1．軟件結構和使用流程

本系統主要由主界面，模型運算界面以及數據調入和輸出構成。模型運算界面可進行參數計算、預測值計算，精度評定、繪制曲線圖、數據查詢等操作。沉降預測預警軟件基本構成和系統結構流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 沉降預測預警軟件基本構成圖

圖2 系統結構流程圖

2．數據輸入

地面沉降預測預警軟件支持．txt文檔數據(文本文檔)，數據以*，*格式(第1個*代表觀測期數，第2個表該期示沉降實測數據)進行輸入。比如要輸入第2期沉降值，并且該期沉降實測數據為2．134，則相應的格式為 2，2．134。具體如圖 3所示：

圖3 實測沉降數據格式實例圖

3．數據處理與曲線擬合

利用相應選擇的預測模型，對實測沉降數據進行擬合，計算出相應的參數，從而得到預測模型的表達式，以此達到預測一定時期內建筑物沉降值的目的。然后對預測的沉降值進行相應的精度評定，輸入沉降容許值和欲知某期沉降值的期數進行預警。

4．結果輸出

利用相應的模型曲線預測出沉降值后，即可點擊“文件”菜單下的“保存計算結果”把結果保存為“*．txt”文件。若需要預測兩期或者兩期以上的數據，可以利用當前界面中的“保存該期預測值”按鈕來實現，預測結果自動保存到同樣的文件中。

四、精度評定

擬合精度取決于歷史數據與估計水平的精確性，其中估計水平涉及模型函數形式的設定、正確變量選擇及參數估計。廣泛應用的精度指標有：平均絕對百分誤差(MAPE)、絕對誤差平方和(SSE)、相對誤差平方和(SSPE)、標準差(SE)和相對標準差(SPE)等。

為了驗證所使用的模型在精度方面是可行的，本系統在使用模型對沉降值預測后，對模型進行精度分析，采用平均絕對百分誤差來計算衡量模型精度

根據表2中對模型擬合精度的劃分標準[4]，作為本系統評定模型擬合精度的一個重要依據。

表2 擬合精度劃分表

進行預測時，選用不同的預測模型會得到不同的預測精度，通過對預測精度的比較，選取精度較高的預測模型的預測結果，作為本次預測的最終結果。

五、典型界面

以Logistic預測模型的相應操作，演示相應界面的操作。

1．主界面

登入軟件以后出現如下歡迎主界面(如圖4所示)。

該頁面有3個主菜單，分別是預測模型、幫助及退出程序部分。點擊預測模型下的Logistic模型，彈出該模型的運輸界面。

圖4 主界面圖

2．模型運算界面

加載數據并進行相關運算后的結果如圖5所示。

圖5 運算結果圖

3．精度評定界面

點擊“沉降預測”菜單下的“精度評定”即可得出曲線的擬合精度，如圖6所示。

圖6 精度評定界面圖

4．沉降曲線繪制界面

點擊菜單“沉降預測”中的“繪制沉降曲線圖”出現如下窗口，點擊繪圖即可完成操作，如圖7所示。

5．查詢界面

點擊子界面的菜單欄中“查詢”，進行相應操作后，則出現圖8窗口。

圖7 沉降曲線繪制界面

圖8 查詢界面

六、結束語

礦區地面沉降預測預警系統具有良好的人機界面，軟件操作方便，并可利用不同模型對預測結果進行比對，取用較好的預測模型。該系統的建立，可大量節省對觀測數據處理的時間，提高工作效率，為地面沉降運營管理提供依據，達到土地資源的合理利用與地質生態環境保護的協調統一，減少危害的發生，以提高礦區綜合管理水平，增強礦區整體防護能力。本系統雖立足于解決礦區地面沉降監測與預報問題，對一般的變形體的預測也具有重要的參考價值。

[1]焦明連，蔣廷臣．合成孔徑雷達干涉測量理論與應用[M]．北京：測繪出版社，2008．

[2]于濤，趙仲榮．建筑物沉降規律的曲線擬合模型研究[J]．測繪通報，2008(11)：50-52，63．

[3]吳清海，李惠芳．變權組合模型在沉降預測中的應用[J]．測繪科學技術學報，2009(2)：118-120，124．

[4]吳清海．地面沉降預測方法的探討[J]．測繪通報，2009(2)：46-47，65．

[5]王紅，蘇山舞，劉東琴．時間序列分析及其在測繪領域的應用初探[J]．測繪科學，2008，33(1)：155-158．