长江漫滩地面沉降监测与预报预警系统的设计与实现

张凤梅，宋以胜，叶菲，王庆

(1.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019； 2.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 210007)

长江漫滩地面沉降监测与预报预警系统的设计与实现

张凤梅1*，宋以胜2，叶菲1，王庆1

(1.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019； 2.中国人民解放军理工大学，江苏 南京 210007)

长江漫滩地质条件复杂，随着城市的快速发展，长江漫滩地面沉降引起的危害得到高度重视。基于2006年至2010年5年间采集的长江漫滩地区各类沉降监测数据，采用GIS、数据库等技术，对沉降监测数据进行处理、统计、分析、建模、预报预警，实现了可视化的长江漫滩地区地面沉降监测及预报预警，可为城市规划、建设和管理提供决策依据。关键词：长江漫滩；地面沉降；沉降监测；GIS

1 引 言

城市地面沉降是一种普遍的地质现象。城市地面沉降将对沉降区的基础设施以及生态环境将产生严重的影响。本系统基于全面的长江漫滩地区沉降监测数据(包括地面高程监测、基岩沉降监测、软土层分层沉降监测、地下各地层水位监测和地下各地层水孔隙水压力监测、地面荷载变化调查资料等)，采用计算机技术、数据库技术、人工智能以及GIS技术，构建了一个交互性强的长江漫滩沉降监测及预报预警系统，实现监测数据的集成化管理、智能化分析和可视化决策，从而有效指导各项工程建设，降低地面沉降造成的灾害，为管理部门的建设规划、灾害防治等提供科学决策依据。

2 系统总体结构设计

系统开发以.NET Framework 4.0为运行平台，以ArcGIS Engine 10.0为GIS平台，以Visual Studio 2010为开发工具，以C#和JavaScript为编程语言进行开发，以ZedGraph.dll作为图表展示插件，以Surfer8.0作为二维等值线绘制平台。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构设计

3 系统功能设计及实现

系统主要实现各类监测数据的收集、实时处理和储存；利用监测数据进行建模、统计分析和预测；并提供各种图形、报表的输出等功能。系统设计为五大模块：监测数据管理、监测模型管理、监测数据分析、系统输出以及系统维护。

(1)监测数据管理模块

该模块主要实现对沉降监测数据的集成化管理。主要功能包括：沉降监测数据的输入、储存、输出、查询、可视化展现等。监测数据包括：地面沉降监测数据、分层沉降监测数据、地下水位监测数据、孔隙水压力监测数据、基岩变形监测数据以及其他重要档案资料等。

(2)监测模型管理模块

地面沉降与引起沉降的各种因素之间关系非常复杂，根据监测数据分析沉降监测体的累积沉降量、沉降速率、沉降规律等，对沉降产生的原因进行分析和研究，进而生成不同预测模型，预测未来的沉降速率和沉降量。模型管理主要对该系统使用的模型及模型参数进行管理。

(3)监测数据分析预测模块

该模块对监测数据利用合适的模型进行分析处理，并借助各类图形直观展现出来。该模块包括可靠性分析、统计分析、建模分析、预警分析等功能，分析结果可为管理部门提供辅助决策依据。

(4)系统输出

该模块根据用户需要，对各类查询、分析结果以图表、图形等形式进行输出，提高资料分析的自动化程度。

(5)系统维护

该模型实现主要实现用户权限的管理及日志管理。

系统具体功能设计如图2所示：

图2 系统功能设计

系统主要功能介绍如下：

(1)监测数据查询：根据用户设定的查询条件对监测点的相关信息进行查询，用户可根据监测点的编号、观测日期、沉降量等条件进行单条件或组合条件的查询定位。如图3所示：

(2)异常值检验：利用评判准则对实测沉降值进行检查，识别实测值是否存在异常，并把检查结果显示在检验窗口中，如图4所示。

图3 数据查询界面

图4 异常值检验界面(单位/mm)

(3)系统误差检验：采用U检验法进行系统误差检验。用户选择需要检验的数据表、点号、起始时间、分段点时间、终止时间和显著水平等进行检验，得到测值过程线图和样本的统计量。分段点时间一般设在起始时间和终止时间之间的中间段，便于划分样本，统计样本数量，如图5所示。

图5 系统误差检验界面(单位/mm)

(4)统计分析：分析计算监测量的特征值(对某一个测点或观测项目的观测值的特征向量)，以图形框形式显示该测点的测值过程线，统计该测点的最大值、平均值等特征值，并将统计结果显示在数据网格中。

(5)模型查询：查询所建模型的相关参数。本系统所建模型主要有单测点统计模型，多测点统计模型及时间序列模型，如图6所示。

图6 模型查询界面(单位/mm)

(6)模型预报：根据所建模型参数，对其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，如图7所示。

(7)沉降预警：根据测点的沉降速率或累计沉降量将沉降区划分不同等级的区域，并用蓝、黄、红三种不同颜色显示其危害性等级分布，如图8所示。

图7 模型预报界面(单位/mm)

图8 沉降预警界面(单位/mm)

4 系统关键技术及系统特色

(1)将先进的GIS技术、数据库技术、三维可视化技术、人工智能等技术与传统的地面沉降监测结合起来，将以往主要以图表形式为主的监测数据直观的在GIS平台上展示出来，实现了监测数据的集成化管理、智能化分析和可视化决策。

(2)系统基于全面的原始监测数据库，数据库整合了地面高程监测数据、基岩沉降监测数据、软土层分层沉降监测数据、地层水位监测数据和地层水孔隙水压力监测数据等多种数据资料，便于全面、科学的反映南京河西地区的地面沉降情况。

(3)利用多种地面沉降实测数据，分别建立了单测点模型和多测点模型，将模型成功应用于地面沉降的分析、预测，起到了很好的效果。

5 结 语

地面沉降监测成果主要用来分析归纳沉降监测体的累积沉降量、沉降速率、沉降规律等，进而对沉降产生的原因进行分析，确定沉降的原因及其规律性，进而预测未来的沉降速率和沉降量，并提出控制沉降的技术措施。该系统不仅可对多种监测数据进行管理、建模、分析和评判，为分析决策提供依据，而且具有较好的可视化功能，可以方便地绘制过程线图、等值线图以及三维立体图，目前，该系统已应用于南京河西地区的沉降观测研究课题中，取得了良好的应用效果。

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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

张凤梅(1979—)，女，硕士，高级工程师，主要从事地理信息系统项目管理、地面沉降监测等技术管理工作。