地表沉降變形監測技術研究與系統設計實現

王東波 黃 鶴

(北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院，北京 100044)

地表沉降變形監測技術研究與系統設計實現

王東波 黃 鶴

(北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院，北京 100044)

針對某煤礦充填開采地表巖移觀測站的建設設計進行研究，以Visual Basic 6.0為開發平臺，設計開發了煤礦地表沉降變形數據處理與預警系統，實現了地表沉降監測數據導入、動態管理、處理分析、查詢、時間變化曲線圖顯示等功能，并通過了實例應用，更好地指導了信息化施工。

變形監測 數據處理 程序 可視化 VB開發

1 引言

傳統監測數據的處理主要由人工完成，監測報表用Word或Excel手工制作，以簡單的文檔進行數據保存。監測數據處理效率低，數據成果反饋不及時，不利于監測數據的分析和監測預報，影響工程決策。同時，由于監測數據缺乏數據庫支持，數據查詢和分析速度慢，查詢和分析成果的可視化效果較差，不直觀。

本文研究了沉陷地表變形監測與數據處理的關鍵技術，并基于此設計與實現了沉陷地表變形監測信息管理與預警系統，從而充分發揮監測數據的作用，指導信息化施工；提升了充填開采的運行管理的技術水平和應急響應能力。

2 沉降監測關鍵技術

2.1 沉降監測流程

首先布設變形監測控制網，分控制網基準點、工作基點和變形觀測點。控制網基準點選在變形影響區域外的穩固可靠位置，每個工程至少三個基準點，基準點采用強制歸心裝置[1]的觀測墩。工作基點選在穩定方便的位置。變形監測點設在能反映監測體變形特征的位置或監測斷面上。監測實施流程如表1。

2.2 數據處理

對監測的原始數據進行數據改正、嚴密平差計算[2]、再通過本期值減去上期值得出本次變化值，本次變化值再加上前面所有變化值之和(即累計變化值)得到本期的位移累計變化值。然后，將位移值除以相應的時間得到變形速率，根據結果生成時程變化曲線圖和監測報表。每次量測后，對量測面內的每個監測點(線)分別進行回歸分析[3]，求出各自精度最高的回歸方程，并進行相關分析和預測，推算最終位移(應力)和掌握位移(應力)變化規律，并由此判斷開采區域頂面的穩定性。

3 系統設計

3.1 數據庫設計

由于Access數據庫格式兼容性好，處理速度快，功能完善，易于推廣。根據本系統需求，本文采用Access數據庫管理系統，能夠有效地滿足本系統在數據庫的建立、修改、瀏覽等工作上的操作。在數據庫設計時，數據結構要滿足第三范式[4]要求；使用存儲過程和觸發器來實現用戶自定義的數據一致性和完整要求。根據監測項目和系統需要，共建立了9個表，分別是地下水位監測數據表、高程成果表、高程觀測數據表、基準點平面數據表、基準點信息數據表、前方交會法水平位移數據表、小角法水平位移監測數據表、支撐軸力監測數據表、深層水平位移數據表。以高程成果表為例，表2為此表的表結構。

表2 高程成果表的表結構

3.2 系統功能模塊設計

VB是一種被廣泛使用的數據庫管理系統開發軟件，具有良好的用戶體驗界面、自動計算和比較強大的圖形功能，可以輕松地和Access、SQL Server等數據庫結合起來，完成大中型數據庫管理系統的開發。本文選擇Visual Basic 6.0作為本系統的開發語言。通過數據庫引擎(ADO)技術訪問數據庫，使用SQL查詢語句實現對數據庫的檢索，使用ActiveX控件實現時程變化曲線圖的生成，通過ActiveX技術調用Excel軟件實現各類報表的輸出打印。

本系統主要分為監測數據導入與管理、數據處理、數據查詢分析以及成果輸出四個模塊。

(1)數據導入與管理模塊

在本模塊中能進行監測基點數據、監測點初始數據和監測點觀測數據的輸入、修改、刪除及更新處理完畢的變形數據，同時可以對數據庫進行修改和更新。本系統主要包括以下五個基本模塊，即沉降監測、水平位移監測、深層水平位移監測、地下水位監測和支撐軸力監測。

為解決沉降監測中海量數據的管理問題，系統采用數據庫技術對數據進行管理。系統采用 MSSQL Server 數據庫，以 GSQL作為數據庫管理平臺。數據庫的建立包括 Excel表格的讀取、數據管理、數據庫查詢、數據導出等模塊。經過平差處理后的數據，檢查合格后，可以將成果進行入庫，為后期的變形分析提供正確的數據。成果入庫后可以實現成果查詢功能。成果查詢功能主要是方便對數據庫中已經存放的高程數據成果進行相關的查詢和報表輸出工作，可以按照點號查詢該點多期的高程成果，也可以按期數查詢本期各個沉降監測點的高程成果。

(2)數據處理模塊

在本模塊中主要進行外業觀測數據的處理與計算，包括水準網平差，小角法水平位移計算，前方交會法計算坐標，測斜數據的計算處理等，以及各監測項目的本期變化值、累計變化值和變化速率。

(3)數據查詢分析模塊

在本模塊中主要通過調用監測數據庫文件，進行多種數據查詢和比較，包括監測點觀測數據查詢、監測點累計變化量查詢、同一監測項目監測點觀測數據與累計變化量查詢、報警數據查詢等自定義查詢；也可以根據數據生成位移、沉降、應力、水位時程變化曲線，能夠直觀地顯示開采區域頂面變形體的變化狀態。對同一監測項目，圖形分析查詢也可按點號逐一查看或總體查看。同時，還有預警分析功能，數據處理完成后系統判斷數據各指標是否超限并做出預警。

(4)成果輸出模塊

本模塊用于輸出查詢所得到的數據表和圖形，用戶可根據需求自定義報表內容，系統為查詢結果提供了多種輸出功能，可以打印，另存為 txt 文件或導出為Excel 文件。

4 系統應用實例

4.1 數據導入與處理

以沉降監測為例，點擊菜單中的“數據導入與處理”的下拉菜單的第一項，打開數據導入與處理窗口，單擊“導入數據”按鈕后即可依次完成沉降外業觀測數據的批量導入和基準信息數據的導入。再點擊窗口中的“數據處理”按鈕就可快速的完成對本期沉降監測點號各平差高程的計算。再點擊“平差結果輸出”按鈕，將本期平差結果輸出到高程成果表中。點擊“保存”將本期外業數據保存到數據庫中。

4.2 數據查詢與圖表分析

以小角法[5、6]水平位移為例，數據查詢有多種方法，可以點擊菜單欄中的“查詢與分析”，在下拉菜單中有按點號查詢分析和總體查詢分析。先打開總體查詢窗口，如圖1，就可以瀏覽小角法監測項目的所有觀測數據與成果；點擊“生成圖表分析”按鈕，自動生成該項目所有監測點號的變形時程變化曲線圖，查看各點變形走勢，可以根據需要點擊窗口中的“打印”按鈕打印變形走勢圖表。還可以點擊“按點號查詢”，打開如圖1的窗口，選擇組合框中的點號或輸入相應的點號，點擊“查詢分析”按鈕即可生成。

對數據進行查詢還可以根據需要完成自定義查詢，點擊“成果輸出”菜單選項，選擇相應項目，在窗口中選擇相應選項，就可在datagrid控件中顯示查詢結果。

4.3 報表輸出

完成監測數據處理后要完成報表輸出，比如日報表，周報表和總結報表。以沉降監測為例，點擊“成果輸出”菜單選項，選擇“沉降監測”選項，打開如圖2的窗口，按照報表需求，選擇相應的期數，點擊“查詢導入”按鈕，再點擊“報表輸出”按鈕，即可將所需要打印輸出的報表輸出到相應的路徑下，然后在該路徑中打開，進行相應的編輯和修改。

4.4 預警查詢

數據完成處理后可根據沉降監測等級[7]所相應的超限值對監測當前數據及數據歷史變化等參數進行紅色預警顯示，如圖3，同樣可以將報警的點號和數據按相應格式輸出到Excel中供不同的決策者(監測方、業主方、施工方、監理方)參考，以指導基坑正常施工。

5 系統特點

本文設計的沉降監測及預警系統初步解決了長距離范圍的沉降監測及變形預警問題。可按每百米分段或分區域監測。有以下特點:

(1)監測方法簡單，監測范圍可以完全覆蓋全部開采區域，觀測成果直觀。

(2)系統基礎設施建設成本低，主要就是傳統測量所需的埋設材料及測量儀器。除自動化數據處理系統及軟件報警系統外(根據市場決定，對于任何測量方法，自動化成本為固定成本)，在主體建筑物施工前期做好基準線固定樁的施工， 那么后期的實施成本是很低的。

(3)根據測線式自動化測量系統[8]，監測監測區域的各條全線堤壩或邊坡的沉降分布情況，

及

時發現薄弱區段。

(4)根據異常報警信息，獲得險情地點、事發地點距離，以及發生險情的范圍或決口大概寬度。

(5)分析歷史數據獲得建筑物運行情況，以及發展趨勢，為決策人員提供相關參考意見。

(6)為年度修繕工作提供日程安排參考意見。

(7)測線式沉降監測系統施工簡單，便于推廣，設備外置，易于維護

6 結論

在地下空間日益被開發利用及沉降監測工程中越來越多，而信息化高效化監測程度不高的大背景下，本文研究和介紹了地表沉陷變形監測技術及數據處理的關鍵內容和方法。在了解熟悉地表沉降變形監測技術及數據處理流程的基礎上，開發了沉降監測數據處理與預警系統，實現了從數據導入、數據處理、查詢及變形分析以及成果輸出整個流程功能，替代了目前的文件管理方法。

沉降監測數據管理與分析系統是以數據庫為核心進行監測數據各項處理的系統，系統的使用大大縮短了監測數據處理的過程，實現了內外業數據處理一體化。利用該程序處理數據，既節省了大量時間，又減少了內業工作量和錯誤出現幾率， 大大提高了效率。系統通過測試，運行良好，通過及時準確的監測信息，給地表沉降監測工程提供了強有力的數據支持，提高了監測工作效率和監測數據管理分析水平，減少了災害損失。

[1] 岳建平.變形監測技術與應用[M].北京：國防工業出版社, 2010.

[2] 武漢大學測繪院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].湖北武漢：武漢大學出版社 ,2003.

[3] 欒元重，李靜濤，馬德鵬等.礦山測量[J].2011,15(5):23-25.

[4] 張正祿等.工程測量學[M].湖北武漢：武漢大學出版社,2005.

[5] 黃聲享，尹暉，蔣征等.變形監測數據處理[M] .湖北武漢：武漢大學出版社,2007.

[6] 中國冶金礦山企業協會. 冶金礦山地質技術管理手冊[M].北京：冶金工業出版社, 2003.

[7] 李青岳，張正祿等.工程測量學[M].北京：測繪出版社,1993.

[8] 張軍榮,周 丹. 測線式沉降監測及預警系統設計[J].山西建筑，2014(35):223-224.

Research and System Design of Surface Subsidence Deformation Monitoring Technology

WANG Dong-bo,HUANG He

(School of Surveying and Urban Spatial Information, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China)

Aiming at a coal mine backfill mining Design and construction of surface rock movement observatory study to Visual Basic 6.0 development platform, design and development of coal mining subsidence ground deformation data processing and early warning systems, to achieve a surface subsidence monitoring data import, dynamic management, processing and analysis, query, time variation curve display functions, and through the example application, to better guide the informationization construction.

deformation monitoring; data processing; procedures; visualization VB development

2016-06-11

P258

B

1007-3000(2016)06-5