寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的設計與實現

鄭小梅，王磊

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的設計與實現

鄭小梅1?，王磊2

(寧波市測繪設計研究院，浙江寧波 315041)

詳細闡述了寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的體系結構、數據庫設計和功能設計，給出了地面沉降點分類、自動繪制沉降等值線和沉降預測等幾個主要功能的實現。系統(tǒng)實現了信息的管理與共享，為“平安寧波”的建設提供有力保障。

WebGIS；地面沉降監(jiān)測；沉降預測

1 引 言

近年來，隨著城市開發(fā)建設的加快，各類重大建設項目的陸續(xù)開展，寧波市區(qū)地面沉降范圍逐漸擴大，沉降規(guī)律不斷變化，按照浙江省、寧波市的統(tǒng)一部署，在寧波市區(qū)范圍內進行一年一次的水準監(jiān)測，以及時、全面地掌握城市地面沉降情況。沉降水準網監(jiān)測是城市安全監(jiān)測的重要組成部分，是城市風險分析和動態(tài)監(jiān)測、預測的科學依據之一，是應對突發(fā)公共事件做到早發(fā)現、早報告、早處置的有力保障，也是啟動實施軌道交通和區(qū)間快速通道項目，加強城市各組團的功能整合和有機聯系的基礎保障。

目前寧波市地面沉降觀測每年進行一次，積累了大量的原始數據，但數據的管理手段滯后、挖掘分析不夠、應用水平不高，所以急需建立“寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)”，實現數據的科學管理，提高城市風險分析能力，為城市規(guī)劃建設和政府決策提供依據，為“平安寧波”的建設提供有力保障。

寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)是利用地面沉降監(jiān)測資料為依托，對沉降監(jiān)測點進行查詢、統(tǒng)計分析、沉降預測等的綜合分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為寧波市地面沉降研究提供現代化的技術管理方法，為城市規(guī)劃布局和基礎建設提供科學的決策依據。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計主要包括系統(tǒng)體系結構設計、數據庫設計和系統(tǒng)功能設計。體系結構設計將系統(tǒng)的業(yè)務邏輯和數據訪問、共享等通過組件層進行封裝，各個應用基于組件可以迅速搭建；數據庫設計是對體系結構中的數據層的數據存儲管理進行設計，包括對地面沉降數據進行分類、命名以及存儲結構進行設計；系統(tǒng)功能設計是對體系結構中的核心組件層的功能進行設計，包括每個組件功能的實現要求、功能效果等。

2.1 體系結構設計

系統(tǒng)采用基于B/S的數據層、核心組件層和應用表現層的三層體系結構，該結構無論從數據應用分析角度還是程序編制方面，均是一個結構靈活，便于調整的體系。

B/S結構是目前Web應用不斷發(fā)展所產生的一種新的技術架構，這種體系的優(yōu)勢在于客戶端采用了統(tǒng)一的瀏覽器界面，用戶不用經過太多的技術培訓就可以對系統(tǒng)進行操作。其次，系統(tǒng)的核心組件層和數據層集中在了服務器端，使得系統(tǒng)的維護工作大為簡化。另外B/S結構還可以實現系統(tǒng)在寧波市規(guī)劃局及其相關單位的分布式應用，大大簡化了系統(tǒng)用戶的工作流程。

系統(tǒng)的體系結構如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)的體系結構圖

2.1.1 數據層

數據層指明了數據的來源，包括各類數據在數據庫中的存儲內容，組織方式和存儲機制。系統(tǒng)的數據都存儲在Oracle數據庫，系統(tǒng)的空間數據庫采用的Geodatabase數據模型與屬性數據一同存放在數據庫中。

2.1.2 核心組件層

核心組件層是一套組件庫。該套組件庫實現了數據查詢、統(tǒng)計分析、輸出、沉降預測等，并實現后臺對數據庫的日常管理如數據的備份、恢復、用戶管理等功能，為系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運行創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。另外，空間信息服務接口層作為空間信息服務系統(tǒng)與空間信息服務基礎數據庫系統(tǒng)之間的橋梁，負責向客戶端提供統(tǒng)一的空間數據管理、分析等方面的接口；主要負責各種數據庫系統(tǒng)之間的數據I/O處理，封裝底層各數據庫系統(tǒng)提供的應用接口。

2.1.3 表現層

表現層反映了圖形用戶界面以及所有的顯示邏輯，它是應用的客戶端部分，由它負責與用戶進行交互。

2.2 數據庫設計

數據庫設計是針對地面沉降監(jiān)測點數據、沉降等值線數據、沉降等值線注記和點之記數據的存儲管理的設計，數據庫設計包括外部設計、邏輯結構設計和物理結構設計三部分。

2.2.1 外部設計

(1)寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的數據組織為數據 集 (Feature Dataset)——數 據 類 (Feature Class)——數據(Feature)。

(2)寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的數據集名稱為DMCJJC。

(3)寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的幾何特征及其代號規(guī)則:點的代號為POINT，線的代號為LINE，注記的代號為TEXT。

2.2.2 邏輯結構設計

寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的邏輯圖層包括地面沉降監(jiān)測點、地面沉降等值線，城市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的邏輯圖層分類及其代碼規(guī)則為:地面沉降監(jiān)測點的圖層代碼為Reference簡寫為REF，地面沉降等值線的圖層代碼為Isoline簡寫為ISO。

2.2.3 物理結構設計

城市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的物理圖層的命名為數據集名稱＋邏輯圖層代碼＋幾何特征代號。

(1)地面沉降監(jiān)測點

①地面沉降監(jiān)測點的物理圖層名稱為 DMCJJC REFPOINT。

②由于地面沉降每年都在觀測，所以沉降數據每年都在增加，但是其地理位置沒有發(fā)生變化，即圖形數據沒有變更，屬性數據在變化，所以將地面沉降監(jiān)測點的圖形數據和屬性數據分開存儲，并通過點名進行關聯。

(2)沉降等值線

①沉降等值線的物理圖層名稱為DMCJJCISOLINE。

②沉降等值線注記的物理圖層名稱為DMCJJCISOTEXT。

③沉降等值線及其注記采用圖形與屬性統(tǒng)一存儲在Geodatabase空間數據中。

(3)數據存儲

系統(tǒng)的數據均存儲在Oracle數據庫，即系統(tǒng)的空間數據采用的Geodatabase數據模型存儲在Oracle數據庫，屬性數據直接存放在Oracle數據庫中。

2.3 系統(tǒng)功能設計

2.3.1 圖層管理

實現物理圖層的可見不可見。

2.3.2 查詢

(1)監(jiān)測點查詢

在圖上選擇任意監(jiān)測點或輸入監(jiān)測點的點名，查詢該點歷年的沉降信息，若該點為新埋設的點，則不顯示其沉降信息，只顯示提示信息。

(2)任意點查詢

在圖上任意點擊一點，通過插值原理內插出該點的每期的沉降量。

(3)破壞點查詢

查詢數據庫中所有破壞點的信息，包括點名，埋設年份和破壞年份等。

2.3.3 統(tǒng)計分析

(1)按某時段的沉降量統(tǒng)計

將沉降量、時間段、沉降量和時間段的組合作為主篩選條件，選出數據庫中符合條件的記錄生成報表。

(2)當期沉降量分析

計算本期各監(jiān)測點相對上一周期的沉降量。

“孝弟也者，其為仁之本與！”飯團塞住嘴的潘云含糊不清地接過后半句，咽下飯團后又說：“子還曰：生，事之以禮；死，葬之以禮，祭之以禮。”

(3)累計沉降量分析

計算各測點第一次沉降監(jiān)測到本期沉降監(jiān)測的沉降量的總和。

2.3.4 報表輸出

(1)按范圍輸出沉降監(jiān)測點的高程成果表

按圖上選擇的矩形范圍篩選數據庫記錄生成報表，用戶通過此表可以方便地查看成果數據庫中的內容。

(2)按時間輸出點位坐標成果表

按照指定的時間段篩選數據庫記錄生成報表，用戶通過此表可以方便地查看在某時間段成果數據庫中的內容。

(3)點位沉降量統(tǒng)計表

利用已建立起來的數據庫動態(tài)提取數據，將每一監(jiān)測點的本期沉降量、累計沉降量和平均沉降量形成報表。

累計沉降量是指當前觀測日期以前實測的沉降量的總和。

平均沉降量是指監(jiān)測點在當前觀測日期以前實測的沉降量的平均值。

(4)地面沉降點分類表

將由地面沉降引起的監(jiān)測點進行分類統(tǒng)計，根據地面沉降規(guī)律將地面沉降點進行分類。

2.3.5 專題圖

(1)沉降過程線圖

反映監(jiān)測點在某一周期相對于前一周期的沉降量，沉降過程線圖是某一監(jiān)測點以觀測年份作為橫坐標，本期沉降量為縱坐標的柱狀圖。

(2)沉降趨勢線圖

反映了監(jiān)測點在某一周期相對于第一周期的沉降量，沉降趨勢線圖是某一監(jiān)測點以觀測年份作為橫坐標，累計沉降量為縱坐標連成的曲線。

(3)沉降速率柱狀專題圖

從空間和時間上直觀地反映了地面沉降的發(fā)展過程及現狀，沉降速率的計算方法是沉降速率＝沉降量(mm)/沉降時間(年)。

(4)自動繪制沉降等值線圖

根據離散的沉降監(jiān)測點的沉降量通過插值或者曲線擬合的方法自動繪制等值線圖。

2.3.6 沉降預測

沉降預測是根據各期的地面沉降監(jiān)測數據結合綜合復測的結果，應用數理統(tǒng)計理論，對監(jiān)測數據進行分析、判斷，找出地面的沉降規(guī)律，最后根據其規(guī)律預測以后的發(fā)展趨勢。

3 系統(tǒng)實現

系統(tǒng)的實現主要包括連接數據庫的操作和功能的實現。數據庫操作用于提供基礎地理信息與地面沉降信息的共享，而功能實現用于構造瀏覽器端的用戶界面和交互活動，本文主要闡述功能的實現。

本系統(tǒng)的功能主要采用動態(tài)網頁技術ASP.NET，并采用CSS，JAVASCRIPT等網頁制作技術。

3.1 地面沉降點分類

地面沉降點根據沉降量分為5類:一類監(jiān)測點是指沉降速度較快，并且有加快沉降現象的監(jiān)測點；二類監(jiān)測點是指沉降速度較快，并且有減緩沉降現象的監(jiān)測點；三類監(jiān)測點是指沉降速度較慢，并且有加快沉降現象的監(jiān)測點；四類監(jiān)測點是指沉降速度較慢，并且有減緩沉降現象的監(jiān)測點；五類監(jiān)測點是上升的沉降監(jiān)測點。

地面沉降監(jiān)測點分類流程如圖2所示。

圖2 地面沉降監(jiān)測點分類流程圖

其中，本期沉降量＝本期高程值－上期高程值；

所有監(jiān)測點的平均值＝本期沉降量總和/本期沉降監(jiān)測點總數；

本期沉降速率＝本期沉降量/(本期觀測年份－上期觀測年份)；

上期沉降速率＝上期沉降量/(上期觀測年份－上期的前一期觀測年份)。

3.2 自動繪制沉降等值線

沉降等值線是根據已知的離散的沉降監(jiān)測點沉降量內插出未知點沉降量，將沉降量相等的點連成曲線。沉降等值線圖能直觀地顯示全市各沉降點不同時段的沉降量的分布情況。

自動繪制等值線的方法從技術方向上看可以分為兩大類，插值和曲線擬合。其中曲線擬合總的來說效果不如插值算法經典和應用廣泛，效果也較遜色。本文著重介紹插值算法。

自動繪制等值線算法步驟:

(1)首先生成delaunay三角網。這部分算法在很多GIS書上都有詳細的介紹，本文這里就不闡述了。

(2)三角形的邊上插補等值點。要確定某個三角形的邊上是否有等值點，需要進行判斷和處理。如果某原始數據點和等值線值相同，將該點改變一個微量。如果一個三角形三頂點的值相同則各邊無等值點。如果一個三角形的任意邊兩端點(A、B〕的Z值(Za、Zb)滿足(Zd－Za)×(Zd－Zb)＜0，其中Zd代表等值線的值，則該邊必有等值點，其平面位置是Xd＝Xa＋(Xb－Xa)× (Zd－Za)/(Zb－Za)，Yd＝Ya＋(Yb－Ya)×(Zd－Za)/(Zb－Za)。每個三角形上不可能三邊都有同值的等值點，另一邊上必定有同值的等值點。

(3)等值點的追蹤

為了能將內插的等值點順序追蹤排列，繪出等值線，還必須找出相互重疊的環(huán)形網內所計算的等值點間的平面位置關系。因每個環(huán)形網都是由多個三角形組成的，我們先簡單分析一下單個三角形中存在等值點的情況。由于不必考慮等值線穿過端點，如果一個三角形的邊上存在等值點的話，只可能在某兩條邊上存在等值點，而不可能三條邊上同時都有。也就是說，只要三角形一邊上存在等值點，則其余的兩條邊中必有一邊存在等值點。

根據上面的約定，我們再研究等值線穿過任一環(huán)形網中兩條及兩條以上相鄰的徑邊時，可能出現的幾種情形:

①等值線不通過環(huán)形網的界邊。在這個環(huán)形網中，必然所有的徑邊上都存在等值點，如果這個環(huán)形網由非邊界點聯結而成，內插的等值點就可順序連接為一條閉合曲線；若此環(huán)形網由邊界點聯成，那么這些等值點則連成一條開口曲線。

②等值線通過環(huán)形網的界邊，且次數不超過兩次。相鄰徑邊上內插的等值點順序排列，點數至少為兩個，其起點為環(huán)形網的入口點，終點為環(huán)形網的出口點。

③等值線4次通過環(huán)形網的界邊。環(huán)形網中內插的等值點分為兩部分順序排列，每個部分都包括一個入口點和一個出口點，這個網所在的位置應該是等值線的鞍部。

由于離散點環(huán)形聯網是沿同一方向(逆時針)進行的，環(huán)形網中相鄰徑邊上內插的等值點所排列的順序，也相應圍繞中心點位逆時針旋轉。如果等值點不是位于邊界上的話，那么一個環(huán)形網的入口點，必然是另一個環(huán)形網的入口點；一個環(huán)形網的出口點，也必然是另一個環(huán)形網的出口點；而內插入口點(或出口點)的徑邊的兩個端點，就是聯結這兩個環(huán)形網的中心點。利用這個原理，我們就可以成功地設計出等值線的追蹤方案，且在追蹤等值線時，只需將各環(huán)形網中內插的等值點進行單向比較，即入口點對入口點比較，出口點對出口點比較。

聯網結束后，凡是沒能聯成閉合環(huán)形網的離散點，即為繪圖區(qū)域的邊界點，而在兩個邊界點連接的邊上內插的等值點，就是開曲線的線頭。找到線頭后，根據上述原理，就可順序追蹤出各條開曲線的全部等值點。對于閉曲線來說，任一環(huán)形網中內插等值點中的起點都可作為線頭，按上述方法追蹤，直至又回到該點為止。

(4)曲線的光滑輸出。常用樣條插值算法，這部分算法在計算機圖形學書上有詳細的介紹，本文這里就不闡述了。

自動繪制等值線效果如圖3所示。

圖3 寧波市地面沉降等值線圖

3.3 沉降預測

沉降預測是根據各期的地面沉降監(jiān)測數據結合綜合復測的結果，應用數理統(tǒng)計理論，對監(jiān)測數據進行分析、判斷，找出地面的沉降規(guī)律，最后根據其規(guī)律預測以后的發(fā)展趨勢。

沉降預測的基本思路:將地面沉降監(jiān)測數據作為樣本數據建立地面沉降預測模型，再根據模型預測以后的地面沉降量，也就是說預測值與實測值擬合度的高低取決于預測模型的選取是否合適。

目前地面沉降的預測模型主要有一元線性回歸模型、等間距灰色系統(tǒng)模型和任意間距灰色系統(tǒng)模型等，限于篇幅，本文只闡述任意間距灰色系統(tǒng)模型。

(1)基本原理

任意間距灰色系統(tǒng)模型是利用較少的或不確切的表示系統(tǒng)行為特征的原始數據序列變換后建立微分方程，目的是求得隨機性弱化、規(guī)律性強化的新序列。任意間距灰色系統(tǒng)模型GM(1，1)是最基礎的一種只包含單變量的一階微分方程模型。

由一階累加生成序列X(1)構成的微分方程為:

寫成離散形式為:

寫成矩陣形式:

(2)模型檢驗

預測模型得到的預測值必須經過統(tǒng)計檢驗才能確定其預測精度等級。預測精度等級評價標準和準則有多種，下面以擬合度為例討論灰色模型的預測精度等級。擬合度是預測殘差方差與原始數據方差之比，即:

根據C值的大小，可將預測精度分為4個等級，見表1。

預測精度分級表 表1

(3)預測效果

任意間距灰色系統(tǒng)模型預測的效果如圖4所示。

圖4 任意間距灰色系統(tǒng)模型預測的效果圖

4 總 結

寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)的建成運行提高沉降監(jiān)測數據管理水平，增強對沉降監(jiān)測數據的挖掘分析能力，實現對地面沉降趨勢的預測，為寧波市的城市規(guī)劃、建設提供科學的決策依據，避免和減少因地面沉降而造成的破壞和經濟損失。

[1]鄭小梅.寧波市地面沉降監(jiān)測分析系統(tǒng)總結報告.2008

[2]蔣世輝，黃士國，高豐有.基于灰色系統(tǒng)理論的住宅需求預測及政策建議.河南財政稅務高等專科學校學報，2007，21(3)

Design and Implementation of Ground Settlement Observation Analyse System of Ningbo

Zheng XiaoMei1，Wang Lei2
(NingBo Design Research Institute of Surveying and Mapping，NingBo 315041，China)

The paper gives a detailed introduction to the design of ground settlement observation analyse system，such as collectiveity structure of system，database and fuctions，gives the process of the implementation about several primary functions，for example，separate into groups according to settlement quantity，draw settlement isoline automatically，forecast next settlement quantity.The system implements the management and communion of information and provides the indemnification for building the safety of Ningbo.

WebGIS；Ground Settlement Observation；Settlement Forecast

1672－8262(2010)02－33－05

P208

A

2009—06—19

鄭小梅(1976—)，女，工程師，主要從事GIS技術在城市規(guī)劃領域的應用及研究。