沿海縣市級地面沉降信息管理系統的研究

熊成利，金洪芳，鄭永忠

(浙江省第二測繪院，浙江 杭州 310012)

目前，中國19個省份中超過50個城市發生了不同程度的地面沉降，重災區主要為長江三角洲地區、華北平原和汾渭盆地這3個區域[1]。地面沉降作為一種累進性的地質災害,影響范圍廣,防治難度大,已成為困擾城市建設、影響居民安全生活的一種重要地質災害，并且嚴重影響著城市地區的經濟增長和可持續發展[2]。為了有效地控制城市地面沉降，杭嘉湖地區沿海縣市政府城市規劃、地質等管理部門每年都投入大量人力和財力對地面沉降及地下水位進行不間斷的動態監測，并積累了大量豐富的觀測數據，為城市規劃和建設發展提供了重要的科學依據。然而由于歷史條件或技術原因的限制，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，大批的數據沒有得到科學的管理、分析和有效的利用。如何有效管理這些數據，并進行合理分析，進而掌握沿海縣市的地面沉降變化規律,分析地面沉降機理，對防震減災、城市規劃建設等都具有十分重要的意義。

1 需求分析

為科學地管理多年歷史沉降監測資料，建立一套合理科學的基于GIS的沉降信息管理和共享服務平臺，實現不同時期、不同觀測點的多源多時相沉降觀測數據的自動入庫、數值分析、可視化顯示、趨勢分析與預測、各類報表、圖形的自動生成與輸出，及時快速地掌握地面沉降變化規律，提供處理措施，為城市規劃、城市建設與管理及社會公眾信息需求提供服務，提高城市規劃和城市空間的管理開發與利用水平，筆者所在單位組織相關技術力量進行了沿海縣市級城區地面沉降信息管理系統的研究與開發，并推廣至杭嘉湖多個縣市，取得了很好的用戶評價。

2 系統設計

2.1 系統總體框架

本系統采用B/S三層架構，PLSQL Developer進行Oracle 11g數據庫管理，IIS發布網站，實現對地面沉降數據的管理、統計查詢分析和預測分析等。系統的技術框架如圖1所示。

2.2 關鍵技術

2.2.1 數據庫設計

基于B/S框架的沉降信息的管理與可視化系統設計中，數據庫設計是整個設計中較為重要的部分之一，其設計的好壞對系統性能有很大影響。本系統運用Oracle實現與沉降相關數據交換與存儲。與沉降相關的數據主要有站點的基本數據及站點的多期時間序列沉降數據，在該系統的數據庫設計中主要分沉降站點基本數據表和多期歷史沉降數據表，相關E-R如圖2所示。系統根據該E-R圖進行了沉降數據相關表(沉降觀測點表、歷年高程記錄表)、底圖配置表、用戶表、圖片或文件與觀測點對應表等詳細的數據表設計。

2.2.2 沉降數據預測方法研究

利用數學模型將多期觀測的地面沉降量數據擬合成曲線，進而計算后期沉降的方法在國內外得到了廣泛的應用。這類方法包括雙曲線法、三點法、Asaoka法、泊松曲線法、灰色理論和人工神經網絡法等。各種預測模型的適用性不同，如雙曲線法適合長期預測，時間越長，準確度越高[3]；而Asaoka法的優點在于它可利用較短時間內的觀測資料，就能得到較為可靠的預測結果[4]；灰色模型要求原始數據變化較為平緩[5]。城市范圍內地面觀測點較多，分布范圍廣，地質條件不盡相同；任何一種地面沉降模型都是在一定地質條件下推導出來的，在城市沉降預測分析中，不可能預先為觀測點選擇適用的模型，也不可能設計一種通用的地面沉降模型[6]。因此，沉降預測模型計算出結果后，還需對結果進行精度驗證，可以選用平均絕對百分誤差(MAPE)進行模型精度評價[1]。通過這種精度評價可以得出的結論是：越多的原始序列期數越能反映觀測點的沉降趨勢；在實際應用中，應優先信任短期預測結果；可在觀測期數5、6期以上時優先采用灰度模型；在缺少數據樣本的支持下，應當優先采用Asaoka法該法進行預測；三點法在當前樣本下比較適合長期預測；雙曲線法適應性較強，其預測精度不高；觀測點在不同預測模型的預測精度也不相同，可以對模型進行改進。

2.2.3 天地圖與沉降數據融合

地面沉降信息管理系統包括多期沉降觀測數據的整理與和建庫、沉降觀測數據的空間可視化與查詢，以及沉降觀測數據時空分析，為城市地面沉降的預測、防控、減災提供支持。沉降觀測數據通常為單一離散觀測點，因此，對沉降觀測信息的管理、分析和預測需要城市級基礎地理信息數據支撐。本系統提出以采用智慧城市地理信息共享平臺架構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。

2.2.4 基于交叉驗證的空間插值方法

在城市沉降監測中，常用的單點測量手段獲取的單站觀測數據是離散的、單一的。由于觀測站點個數受到限制，獲取的觀測資料只能反映局部沉降監測信息，無法從整體上對觀測區進行監測。為了彌補這一不足，近年來，多個專家學者利用空間插值的方法進行了地面沉降由點到面的監測研究，并在城市地面沉降觀測中得到了較多應用。常見的空間插值方法有：IDW法、Kriging和樣條函數方法[7]。對于不同的觀測點分布、不同的地形環境和觀測數據量，其插值計算結果在一定范圍內存在差異。IDW插值把估算值和實測點間的距離作為權重因子，權重值為距離反比[8-9]；Kriging插值是通過一組具有z值的分散點生成估計表面的高級地統計過程[10-11]；樣條函數插值是通過控制估計方差，利用一些特征節點，用多項式擬合的方法來產生平滑的插值曲線[12-14]。在城市地面沉降插值計算時，3種空間插值模型表現出各自的特點[15]:IDW法簡單易行，效率高，但是易受極值影響；Kriging法考慮區域空間特性，但是算法復雜度高并且耗時；樣條函數法保凸性、逼真性和平滑性好，但是誤差估計困難要求點數量足夠且分布均勻。

進行空間插值后需要對插值結果進行精度驗證。首先假定某些觀測點高程值未知，通過周圍站點實測值插值來估算，然后計算驗證站點的實測值與估算值之間的誤差值。被估算高程值的站點稱為驗證站點，用于插值的站點稱為采樣站點。常用的評估方法有平均絕對誤差(MAE)和平均誤差平方的平方根(RMSIE)。采用這兩種評估標準能很好地反映不同插值方法的相對精度，以此選擇最適宜的空間插值方法進行城市沉降計算。

2.2.5 沉降數據導出工具設計

導出工具用于將沉降趨勢預測結果轉換為天地圖支持的格式。它是基于Visual Studio 2015集成開發環境，采用C#語言，利用二次開發平臺ArcGIS Engine 10.1進行開發的。導出工具的地圖瀏覽功能基于桐鄉地圖的MXD格式的地圖文檔；數據庫使用沉降信息管理系統的數據庫，通過服務器發布的數據庫服務進行通信。導出工具根據用戶選擇的條件對觀測點進行沉降趨勢預測并將結果以專題圖的形式展現在地圖中，且可以生成相應的圖例。最后可以將生成的展示結果以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

本系統具體的功能模塊包括：

(1) 觀測點與高程信息管理。存放觀測點的位置信息和高程信息，是本系統進行沉降統計與分析的基礎數據。

(2) 文檔管理。存放與觀測點相關的信息，如觀測點的照片信息和點之記等。文檔管理可以按照文檔內容的性質對文檔進行分門別類，提高檢索的便捷度。支持上傳、編輯、下載、標注、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) 數據導入與導出。數據導入可以隨時更新系統基礎數據，使得系統能夠存儲更多觀測點的歷年高程信息，導入沉降數據時還可以驗證其有效性、正確性；數據導出可以選擇一段數據，得到觀測點的位置信息、高程信息及沉降統計信息等。

(5) 用戶管理。系統采用的用戶分為一般用戶、數據管理員及超級管理員等3種角色。不同類型的用戶分別有不同的權限：一般用戶只有查看預覽與檢索查詢沉降信息的功能；數據管理員不但有預覽沉降信息的功能，而且還有增加、編輯、底圖配置、統計分析、預測分析、InSAR數據分析等權限；超級管理員具有系統的最高權限，除了有數據管理員的權限之外，還有對用戶管理的權限。

(6) 報告導出。用戶可以根據需要，選擇任一時間段的控制點信息，生成包含有趨勢預測信息、沉降等值線信息、DEM變化信息、淹沒信息、沉降量統計信息的報告并可以打印。

(7) 空間查詢和模糊查詢。空間查詢指用戶可以在地圖上框選觀測點，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觀測點中名字的關鍵字查詢到觀測點，并在底圖上高亮顯示。

(8) 圖層管理。用戶可以根據自己的需要選擇哪些觀測點可以出現在底圖上，哪些工具需要被隱藏。

(9) 趨勢預測。將雙曲線法、三點法、Asaoka法及灰度模型等4種方法分別應用于已知觀測年份的沉降數據預測未知年份的沉降數據，并將預測結果以折線圖或沉降圖的形式展示出來。

(10) 沉降統計。根據數據庫中已經存在的觀測點數據，對某一時間段或所有觀測點的沉降量進行統計，最后以折線圖和柱狀圖的形式展現出來。

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

(12) 影像分析。影像分析主要是根據InSAR數據進行分析，分為沉降分析和淹沒分析。將分析的結果進行渲染，并在地圖上顯示出來。

(13) 決策分析。已知某地區內一些點的高程信息和沉降信息，提供一組預備建設的規劃圖進行檢測(可以是點、線、面)，不同的建設物對其所占區域的高程信息和沉降信息等有不同的要求，要求對其中不適合進行建設的地方進行標注提示，以輔助最終決策的制定。

3 系統實現與推廣應用

本系統開發完成后在杭嘉湖沿海地區產生了積極的響應，如在桐鄉、海寧和海鹽、嘉善地區都得到了很好的應用。系統中沉降等值線功能、沉降點預測、沉降面預測分別如圖4和圖5所示。

4 結 語

本文利用現代的數據庫技術、GIS技術及網絡技術等，在網絡化的計算機硬件基礎上，緊密結合沿海縣市級城區地面沉降監測的業務流程，通過對現有的多期地面沉降動態監測數據分析和時空處理，構建地面沉降監測數據庫，并設計了沉降監測數據管理及更新維護、數據后處理、數據查詢統計、沉降趨勢分析、沉降模擬預測和可視化表達與分析等功能模塊，開發建立了比較完善的地面沉降信息管理系統，并加以推廣應用，對沿海縣市級城市輕量級地面沉降信息管理、預警、防震減災、城市規劃建設等工作都具有積極的意義。