地面沉降监测信息管理系统的研究与应用——以南京市浦口新城核心区沉降监测项目为例

朱俊逸,覃进(南京市测绘勘察研究院有限公司,江苏南京 210019)

地面沉降监测信息管理系统的研究与应用
——以南京市浦口新城核心区沉降监测项目为例

朱俊逸∗,覃进
(南京市测绘勘察研究院有限公司,江苏南京 210019)

城市地面沉降监测及监测数据的处理是当前城市勘测领域的一个研究热点,本文以南京市浦口新城核心地区沉降监测项目为例,简单论述该项目所搭建的地面沉降监测信息管理系统。该系统主要运用数据库技术、数据建模技术以及空间分析技术,实现了对地面沉降监测信息的高效管理与利用。

地面沉降监测;数据分析;数据建模;信息管理系统

1 引 言

南京市浦口新城是南京市新一轮规划建设的热点地区,未来将与河西新城共同构建南京沿江区域的崭新风貌。为了浦口新城的顺利建设和长期可持续发展,浦口新城从建设初期便开始进行区域性的沉降监测。面对这种大范围、长周期的区域沉降监测,监测数据的管理与分析显得格外重要。以往的地面沉降监测数据,主要是以纸质形式或者简单的电子表格形式存储、管理和利用,管理效率低,数据利用率不高,成果表现形式过于单一,最主要的是在沉降分析方面,各种数据的协同处理非常不方便。针对以上传统数据管理方法和分析方法的种种缺陷,利用现代计算机技术、信息管理技术和人工智能技术建立一个更加高效可靠、功能齐全的监测信息管理系统显得非常必要。

2 监测信息管理系统需求分析

根据项目所在地浦口新城地区的实际监测情况以及政府决策部门的需要,该沉降监测项目主要采用了以下监测技术和方法:地面几何水准测量、磁感应分层沉降、地下水位监测、孔隙水压力监测、地面荷载调查等。由此也相应产生了以下几类原始观测数据:地面沉降监测点的高程数据、分层沉降磁环的高程数据、地下水位数据、孔隙水压力数据以及地面荷载数据,这几类数据经过相互间融合处理以及不同监测周期之间的数据融合处理,又会产生更多有用的加工后数据。所以,该系统的第一个基本功能就是数据管理,该功能要能够对以上几类数据进行录入、存储、查询、修改以及输出等。

在数据管理的基础之上,还要能够对各类数据进行处理分析,这就是该系统的第二个基本功能即数据分析,该功能要实现对数据的可靠性分析(包括异常值检验和系统误差检验等)、统计分析、图形分析以及预警分析等。

除了以上两个基本功能之外,在我们掌握了一定量的各类监测数据之后,为了对数据进行进一步的挖掘利用,对城市的规划建设提供辅助决策信息,我们还为该系统设计了第三个主要功能,就是模型管理功能,该功能主要实现根据前期监测数据建立一定的沉降监测模型,所有已建立模型的查询管理以及根据某一个模型进行沉降预报。

以上是该信息管理系统的三个主要功能模块,除此之外,该系统还设计了系统维护功能和帮助系统。系统维护功能主要提供用户名和密码管理、用户权限管理、登录记录查询管理等功能,帮助则主要为用户提供所有的系统功能使用帮助信息。

3 系统总体架构与功能实现

3.1 系统总体结构

本系统主要在VB平台上结合Map X、Surfer等控件进行开发。

系统主要由三大数据库和三大功能模块组成,三大数据库是监测数据库、监控模型库、地理信息库,三大功能模块是监测数据管理模块、监控模型管理模块、监测数据分析模块。系统的整体结构如图1所示:

图1 “地面沉降监测信息管理系统”总体结构

3.2 系统功能概要

(1)系统总控

建立系统各部分的联系,提供系统主菜单及选单功能,控制各库和各模块的协调运行。系统总控的功能包括:①编制系统选单;②控制系统的输入、输出流程;③控制系统与外部的通讯;④协调系统内各库内容的传输;⑤提供完善的人机交互界面等。

(2)监测数据管理模块

实现对沉降监测信息的数据库管理。其主要功能包括:沉降监测信息的储存、输入、输出、文本查询、可视化查询等。其主要内容有:地面沉降数据、分层沉降数据、地下水位数据、孔隙水压力数据、基岩变形数据、累计沉降量数据、地面荷载数据。用户可根据需要用文本和图形两种形式进行查询,并根据实际需要进行输入输出。

(3)模型库管理模块

模型库是储存各类监控模型特征数据的信息载体。模型库中的数据由对应的建模程序和数据库中监测数据计算分析所得,这些模型用来预报浦口新城地区不同位置的沉降情况。本系统的模型库包括如下模型:统计模型、神经网络模型和小波神经网络模型。

(4)监测数据分析模块

数据分析模块中包括可靠性分析、统计分析、图形分析和预警分析四个功能项。主要对监测数据进行分析处理,并根据分析结果为管理部门提供辅助决策依据。

(5)文本输出

文本输出是指对各类查询、分析的结果以文本的形式进行输出,并可按管理部门的要求组织成相应的报表,以提高资料分析的自动化程度。

(6)图形输出

用户可根据图形界面,对监测信息进行可视化查询,也可将分析计算结果以图形的形式进行描述和表示。

(7)帮助

为方便用户使用和操作,系统提供联机帮助手册供用户查询。帮助设计主要包括帮助内容、索引、搜索等帮助主题以及有关本系统的信息查询。

图2 “地面沉降监测信息管理系统”主界面的菜单栏和工具栏

4 系统核心功能

4.1 数据分析

数据分析模块中包括可靠性分析、统计分析、图形分析和预警分析四个功能项。

(1)可靠性分析

监测数据的可靠性分析主要包括监测数据异常值的检验和监测数据的系统误差分析。

异常值检验的基本任务是发现观测系列中的异常值。测值异常是利用评判准则对实测值进行检查,识别测值是正常还是异常,并把检查结果显示在检验窗口中,检验结果同时可保存在数据文件中,该数据文件随每次检查不断更新,并作为以后各分析阶段的基础。系统调用异常值检查模块之后,自动对监测数据通过一定的评判标准逐个测值地进行检查。

异常值检验的基本思路是:根据以往的监测资料,建立监测量与环境量之间的数学模型,用这些模型计算在各种环境作用下的预测值与实测值的差值,如果没有特殊的情况,则该差值应该符合0均值的正态分布。因此,取显著性水平α,差值应该有100(1-α)%的概率落在置信区间内。在进行异常值识别时,如果差值落到置信区间外面,则认为测值发生异常。

系统误差的检验一般根据监测值的统计特性构成相应的统计量,再根据其概率分布特性做出检验假设,通过实际计算值与分位值的比较做出判别。常使用的检验方法有U检验法、均方连差检验法和t检验法等,本系统主要使用U检验法检验系统误差。

(2)统计分析

统计分析的主要工作是分析计算监测量的特征值。本系统的特征值统计以年为单位,即统计各测点每年的最大值及日期、最小值及日期、最大变幅、年平均值、变化速率等。

(3)图形分析

本系统图形分析的主要功能有:测值过程线图、累计沉降量分布图、本周期沉降量分布图、沉降速率分布图、分层沉降量图和相关分析图。用户根据自己需要,选定好监测点与监测周期之后,软件会自动绘制相应图形,图形绘制完成以后,还可根据需要进行图形保存输出、打印以及进一步建立沉降区三维表面模型,本系统实现了三维表面模型的动态显示,用户可以通过工具栏上相应按钮对动态演示进行开始、暂停和停止操作。这一功能主要是在统计分析的基础之上,使得所有数据分析成果更加直观形象地显示出来。

(4)预警分析

目前,地面沉降的危险性分级标准尚不统一,主要采用的标准有沉降速率、累计沉降量,其他标准及方法也在不断的研究和发展中。根据以上情况,本系统采用年沉降速率和累计沉降量作为预警的控制指标。由于有两种评价方式,因此,用户在进入预警分析时,首先应选择预警的方法(年沉降速率或累计沉降),为消除个别特殊测点的影响,用于分析的测点可由用户自由选取,选点方法可以是手动选点,也可以采用数据文件选点。预警分析主要是根据沉降速率或累计沉降量划分不同等级的区域,本系统约定三个等级分别用蓝、黄、红三种不同颜色表示,其具体指标由用户根据实际需要自己指定,如图3所示。

图3 “地面沉降监测信息管理系统”预警分析窗口

4.2 模型管理

数据分析的任务是根据具有一定精度的观测资料,经过数学上的合理处理,从而寻找出沉降在空间的分布情况及其在时间上的发展规律,掌握沉降量与各种影响因素的关系。通常,引起地面沉降的原因众多,且各因素之间的关系极为复杂,难以直接确定下来,特别是各因素对沉降量的影响也很难用一个确定的数学表达式来描述。因此,需要经过对监测数据的进一步处理分析,建立相应的数学模型才能解决这个问题。

根据浦口新城地区沉降监测的特点和要求,通过查阅大量资料并进行分析对比,本系统建立了统计模型、神经网络模型和小波神经网络模型三大类监控数学模型。根据建模所采用测点数量的不同,每种数学模型又分为单测点模型和多测点分布模型。

(1)模型生成

根据模型建立原理,用户必须先选择模型生成方法,可选择统计模型、神经网络模型或小波神经网络模型,然后再选择建模因子,本系统采用地下水位因子和地面荷载因子分开建模,选择好建模因子之后,最后选择用于建模的测点数据,然后即可生成相应模型,模型生成好之后,用户可查看建模结果,并将其保存到模型管理库中,如图4所示。

图4 “地面沉降监测信息管理系统”单测点小波神经网络模型生成窗口

(2)模型查询

初次建模以后,用户可随时查询相应模型,从模型库中调出相应的模型参数,并在数据网格中显示,查询结果可直接打印。对于不合理的模型,用户可根据实际情况将模型从模型库中删除,以便重新建立模型。

(3)模型预报

对已经建模的监测点,只需从模型库中提取其相应的模型参数,对该点在未来某个时间或某种环境状态下的监测值进行预测,并把预测值存入到相应的数据文件中。

5 结 语

地面沉降监测信息管理系统是一个以计算机技术、数据库技术和人工智能技术为基础的,为科学管理分析监测数据,为指导监测区域规划建设以及为政府的科学决策提供依据的计算机软件系统,该系统具有先进性、实用性、可靠性、界面友好、便于操作和能够扩充等特征。本系统充分利用现代计算机先进的软、硬件技术,对监测数据实现了集成化的数据管理、智能化的分析处理和可视化的决策推理,尤其是在沉降监测数据分析建模方面,采用了多种可供选择地建模方法,是值得广大勘测工作者借鉴参考的软件系统设计作品。

[1] 黄声享,尹晖,蒋征.变形监测数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[2] 李建松.地理信息系统原理[M].武汉:武汉大学出版社,2006.

[3] 岳建平,方露.城市地面沉降监控理论与技术[M].北京:科学出版社,2012.

[4] 李勤奋,沈雪兴.上海市地面沉降自动化监测及信息管理系统[J].上海地质,2000,3.

[5] 成枢.地面沉降变形预计模型与监测技术研究[D].青岛:山东科技大学,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,工程师,主要从事变形测量技术工作。