山區高填方機場沉降監測數據處理方法探討

李靈愛

【摘要】通過恰當的方法進行山區機場沉降監測數據的處理來提高內業工作的效率，從而也能在某種程度上有著加快機場建設進程的作用。本文針對常用的幾種變形監測數據處理方法進行分析探討，其結果對山區高填方機場實際工程的應用具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】高填方機場，沉降監測，數據處理

0 引言

山區高填方機場建設區域地形地勢條件、水文地質條件復雜，變形問題不可避免的存在。機場的變形輕則影響機場道面的功能性要求，嚴重的會導致機場道面結構性損壞，威脅著乘客的人生安全。因此，對于山區高填方機場的建設不僅僅要求建設質量可靠，由于其建設環境的特殊性，需要對建設區域進行實時變形監測，通過對變形區域采集數據計算，及時分析變形體是否處于穩定安全狀態。本文通過對常用變形監測數據處理方法進行總結，分析出適用于山區高填方機場沉降監測數據處理的方法。

1 沉降監測數據處理基本方法

傳統沉降監測數據基本采用人工或者半人工計算的方式來進行處理。而在諸如機場建設等一些較大型的沉降監測項目中，數據處理多為自動化方式，借助于一系列的大型數據處理軟件進行自動化處理計算，將計算結果自動成圖，分析預測沉降趨勢，便于有效掌握變形體的沉降變形情況，及時解決變形問題。

以下對常用監測網平差方法進行總結和分析，選擇適于山區高填方機場變形監測網數據處理的方法。

監測網經典平差

監測網經典平差是基于網中擁有足夠的穩定點作為平差時的起算點，并以這些數據作為基準，確定網中其余未知點的坐標。此類監測網由于其圖形復雜，且含有較多的多余觀測，常用間接平差法。

作為經典網平差有如下兩個問題：

1、網中可能存在多個穩定點，選擇不同的穩定點作為起算點時，其平差結果肯定不同，選擇最優平差解就成為了需要重新考慮的問題。

2、對于變形網中的網點，一般很難預先確定出哪些點是絕對不動的，也就是說基準的選擇較困難[3]。

秩虧自由網平差

所謂秩虧是指沒有足夠的起算數據，沒有固定的起算點。秩虧自由網可以不預先假定固定點，所有網點等同看待，即是將所有網點坐標都視為帶定量，這時秩虧自由網平差可以結算出變形量，其核心是最終的平差結果和所選基準（平差時的約束條件）無關。秩虧自由網平差與經典平差一般情況下所求得的坐標是不同的，但求得的單位權方差相同[1]。

采用秩虧自由網平差發現變形的能力比采用經典平差強的多，因此其在目前變形監測數據處理中顯得非常重要，尤其是針對區域變形監測，非線性大地網秩虧平差的應用較為廣泛。

自由網擬穩平差

自由網擬穩平差是由我國周文江教授于1980年針對變形觀測網中存在相對穩定點情況而提出的一種合適解法。此平差法是以網中的相對穩定點組的重心參考系作為網配置的基準。自由網擬穩平差的結果滿足最小二乘原則，其所求改正數與經典平差和秩虧平差結果相同，但由于參考系的不同，測量值的平差結果及測量值協方差陣亦不同。

根據以上幾種數據處理基本方法的總結，針對山區高填方機場建設沉降變形監測網的特點，由于有些沉降變形監測點可能處于地質條件不好，受力變化比較大的地方，各網點移動的可能性不同。并且，在某些時候，對于沉降監測網點的穩定性并不能預先得知，而經過數據處理后可以知道某些點的移動情況[2]。以上所述均常見于山區高填方機場沉降監測變形網數據處理中，如果采用經典平差或秩虧自由網平差顯然都是不合理的，所以在機場沉降變形數據處理時優先選擇自由網擬穩平差方法較為適宜。

2 沉降變形預測基本方法

隨著技術的發展以及對工程質量及建設安全的保證，不僅在對變形體進行沉降監測時所使用的儀器觀測精度要求提高，數據處理成果的準確性及對后期變形情況預測的有效性要求也隨之提高。一般沉降變形預測的做法是根據已有相關變形監測數據，采用數學模型來逼近、模擬和揭示變形體的變形規律和動態特征，為工程設計和災害防治提供一定的科學依據，現將幾種常用沉降預測方法總結如下：

回歸分析法：

隨著對變形體沉降變形進行多期觀測，獲得大量的觀測數據，這些數據由于其包含著變形體本身發生、發展的變形規律以及外界環境對變形的作用因素。我們需要從獲取的數據中，通過數據處理的方法得到變形體變形的定量規律或者與外界影響因素之間的定量關系。

采用回歸分析的方法可以將對數據的認識提升到定量的層面，該方法屬于研究變量之間相關關系的統計方法，適合于變形體與其他因素相關的變形預測，以大量監測數據為基礎，找出變量之間的內部規律，即統計上的回歸關系[4]。

時間序列分析法：

相對于回歸分析法，時間序列分析法可以應用于監測數據是統計相關的情況，因為無論是按時間序列排列的觀測數據還是按空間位置順序排列的觀測數據，數據之間都或多或少的存在著統計自相關的現象。

時間序列分析法是一種動態的數據處理方法，分析觀測資料考慮到時間順序時，由于觀測值的非獨立性，未來觀測值可由已有的觀測數據預測得到，可利用觀測值之間的自相關性建立相應的數學模型來描述變形體的動態變形特征[1]。

灰色系統預測法

針對短數據序列而言，由于其具有變形信息量少、規律性不強等特點，使得諸如回歸分析預測等方法存在較大的預測難度。

對此，由我國鄧聚龍教授提出的灰色系統理論衍生的預測方法，對變形監測的短數據序列建模方面有一定的優越性，使用數據生成的方法，將原本雜亂的原始數據整理成規律性強的生成數列，即從原始數據中去發現、尋找數據潛藏的內在規律，然后對生成數列再做研究[5]。

模糊人工神經網絡法：

針對傳統方法中處理非線性問題時采用分段線性化的方法這一缺陷，神經網絡在處理非線性問題上，具有一定的優越性，為非線性系統建模、識別和預測提供了一個有效的解決途徑。其基本思想是先用神經網絡建立變形影響參數與變形之間的非線性關系，再將待測點的實測影響變形的參數輸入到已建好的網絡中，即可預測變形量。

根據以上對幾種預測方法的總結分析，結合山區高填方機場沉降監測的特點，綜合考慮沉降變形所受內部因素較多，而回歸分析法主要針對變形由外部因素引起的變形預測分析。時間序列常常受到長期趨勢、周期波動及不規則變動等影響，且其只注重監測數據的擬合，不注重變形數據變化規律的發現，所以對山區高填方機場沉降進行預測選用這兩種方法都不是很適宜。灰色系統預測法與模糊人工神經網絡法的結合使用比較適合于山區高填方機場沉降變形監測數據處理，在沉降監測初期，由于獲取的監測數據有限，使用灰色系統預測法進行數據生成，一方面進行初步沉降預測，另一方面后期監測數據也能驗證其正確性。在沉降監測的中后期，考慮到變形是變形體受多種內、外部因素共同作用的結果，其監測數據往往具有復雜的非線性特征，因此選擇人工神經網絡的方法來對變形體直接建模具有較好的預測效果。

3 總結

本文針對沉降變形監測數據處理基本方法及其預測方法的總結分析，提出適用于山區高填方機場數據處理和預測的方法，由于目前只在于理論層面的探討，后期還需要根據已有數據對所選擇處理方法進行實踐應用，才能驗證其可行性。

參考文獻

[1] 侯建國.王騰軍.變形監測理論與應用[M].北京：測繪出版社，2008.6

[2] 周虎鑫.容建堂. 高填方機場工程沉降變形監測探討[J].機場工程.2011（4）

[3] 張建旭.沉降監測網位移分析的理論與方法研究[D].北京交通大學.2010

[4] 馮國建.高填方數值模擬及沉降變形預測研究[D].貴州大學.2006.

[5] 李大軍.pGM（1，1）灰色預測模型及其應用.華東地質學院學報.2002.25（1）.P40-P43