長江漫灘地面沉降監測與預報預警系統的設計與實現

張鳳梅，宋以勝，葉菲，王慶

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

長江漫灘地面沉降監測與預報預警系統的設計與實現

張鳳梅1*，宋以勝2，葉菲1，王慶1

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

長江漫灘地質條件復雜，隨著城市的快速發展，長江漫灘地面沉降引起的危害得到高度重視。基于2006年至2010年5年間采集的長江漫灘地區各類沉降監測數據，采用GIS、數據庫等技術，對沉降監測數據進行處理、統計、分析、建模、預報預警，實現了可視化的長江漫灘地區地面沉降監測及預報預警，可為城市規劃、建設和管理提供決策依據。關鍵詞：長江漫灘；地面沉降；沉降監測；GIS

1 引 言

城市地面沉降是一種普遍的地質現象。城市地面沉降將對沉降區的基礎設施以及生態環境將產生嚴重的影響。本系統基于全面的長江漫灘地區沉降監測數據(包括地面高程監測、基巖沉降監測、軟土層分層沉降監測、地下各地層水位監測和地下各地層水孔隙水壓力監測、地面荷載變化調查資料等)，采用計算機技術、數據庫技術、人工智能以及GIS技術，構建了一個交互性強的長江漫灘沉降監測及預報預警系統，實現監測數據的集成化管理、智能化分析和可視化決策，從而有效指導各項工程建設，降低地面沉降造成的災害，為管理部門的建設規劃、災害防治等提供科學決策依據。

2 系統總體結構設計

系統開發以.NET Framework 4.0為運行平臺，以ArcGIS Engine 10.0為GIS平臺，以Visual Studio 2010為開發工具，以C#和JavaScript為編程語言進行開發，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。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構設計

3 系統功能設計及實現

系統主要實現各類監測數據的收集、實時處理和儲存；利用監測數據進行建模、統計分析和預測；并提供各種圖形、報表的輸出等功能。系統設計為五大模塊：監測數據管理、監測模型管理、監測數據分析、系統輸出以及系統維護。

(1)監測數據管理模塊

該模塊主要實現對沉降監測數據的集成化管理。主要功能包括：沉降監測數據的輸入、儲存、輸出、查詢、可視化展現等。監測數據包括：地面沉降監測數據、分層沉降監測數據、地下水位監測數據、孔隙水壓力監測數據、基巖變形監測數據以及其他重要檔案資料等。

(2)監測模型管理模塊

地面沉降與引起沉降的各種因素之間關系非常復雜，根據監測數據分析沉降監測體的累積沉降量、沉降速率、沉降規律等，對沉降產生的原因進行分析和研究，進而生成不同預測模型，預測未來的沉降速率和沉降量。模型管理主要對該系統使用的模型及模型參數進行管理。

(3)監測數據分析預測模塊

該模塊對監測數據利用合適的模型進行分析處理，并借助各類圖形直觀展現出來。該模塊包括可靠性分析、統計分析、建模分析、預警分析等功能，分析結果可為管理部門提供輔助決策依據。

(4)系統輸出

該模塊根據用戶需要，對各類查詢、分析結果以圖表、圖形等形式進行輸出，提高資料分析的自動化程度。

(5)系統維護

該模型實現主要實現用戶權限的管理及日志管理。

系統具體功能設計如圖2所示：

圖2 系統功能設計

系統主要功能介紹如下：

(1)監測數據查詢：根據用戶設定的查詢條件對監測點的相關信息進行查詢，用戶可根據監測點的編號、觀測日期、沉降量等條件進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：利用評判準則對實測沉降值進行檢查，識別實測值是否存在異常，并把檢查結果顯示在檢驗窗口中，如圖4所示。

圖3 數據查詢界面

圖4 異常值檢驗界面(單位/mm)

(3)系統誤差檢驗：采用U檢驗法進行系統誤差檢驗。用戶選擇需要檢驗的數據表、點號、起始時間、分段點時間、終止時間和顯著水平等進行檢驗，得到測值過程線圖和樣本的統計量。分段點時間一般設在起始時間和終止時間之間的中間段，便于劃分樣本，統計樣本數量，如圖5所示。

圖5 系統誤差檢驗界面(單位/mm)

(4)統計分析：分析計算監測量的特征值(對某一個測點或觀測項目的觀測值的特征向量)，以圖形框形式顯示該測點的測值過程線，統計該測點的最大值、平均值等特征值，并將統計結果顯示在數據網格中。

(5)模型查詢：查詢所建模型的相關參數。本系統所建模型主要有單測點統計模型，多測點統計模型及時間序列模型，如圖6所示。

圖6 模型查詢界面(單位/mm)

(6)模型預報：根據所建模型參數，對其在未來某個時間或某種環境狀態下的監測值進行預測，并把預測值存入到相應的數據文件中，如圖7所示。

(7)沉降預警：根據測點的沉降速率或累計沉降量將沉降區劃分不同等級的區域，并用藍、黃、紅三種不同顏色顯示其危害性等級分布，如圖8所示。

圖7 模型預報界面(單位/mm)

圖8 沉降預警界面(單位/mm)

4 系統關鍵技術及系統特色

(1)將先進的GIS技術、數據庫技術、三維可視化技術、人工智能等技術與傳統的地面沉降監測結合起來，將以往主要以圖表形式為主的監測數據直觀的在GIS平臺上展示出來，實現了監測數據的集成化管理、智能化分析和可視化決策。

(2)系統基于全面的原始監測數據庫，數據庫整合了地面高程監測數據、基巖沉降監測數據、軟土層分層沉降監測數據、地層水位監測數據和地層水孔隙水壓力監測數據等多種數據資料，便于全面、科學的反映南京河西地區的地面沉降情況。

(3)利用多種地面沉降實測數據，分別建立了單測點模型和多測點模型，將模型成功應用于地面沉降的分析、預測，起到了很好的效果。

5 結 語

地面沉降監測成果主要用來分析歸納沉降監測體的累積沉降量、沉降速率、沉降規律等，進而對沉降產生的原因進行分析，確定沉降的原因及其規律性，進而預測未來的沉降速率和沉降量，并提出控制沉降的技術措施。該系統不僅可對多種監測數據進行管理、建模、分析和評判，為分析決策提供依據，而且具有較好的可視化功能，可以方便地繪制過程線圖、等值線圖以及三維立體圖，目前，該系統已應用于南京河西地區的沉降觀測研究課題中，取得了良好的應用效果。

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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，高級工程師，主要從事地理信息系統項目管理、地面沉降監測等技術管理工作。