濟寧城區地面沉降監測管理系統設計與開發

王漢西，韓紅梅，梁琴琴，韓飛

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272017；2.山東正元冶達科技發展有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

濟寧市城區地面沉降首次發現于1988年①山東省魯南地質工程勘察院,山東省濟寧市城區地面沉降防治勘察報告，1998年。，15個月內沉降量最大達到65mm，發生地面的沉降面積61.7km2,沉降量大于20mm的面積為22.6km2[1]；1992—1997年年沉降量為25.2～47.0mm,相對1992年最大沉降量為147mm，沉降量大于60mm的面積為80km2[2]。

以上兩次的地面沉降監測，均是基于傳統的水準測量方法，其成果也是單一的文字報告和圖件，監測數據不能實現智能化對比和分析，從監測數據轉化為監測成果的時間長。隨著物聯網技術的發展，利用自動化監測手段實現地面沉降的遠程監測已經在上海、北京、天津等地實現。

為做好濟寧市城區地面沉降監測，濟寧市建立了城市基巖標，布設了二等水準及GNSS監測網，構成了城區地面沉降監測基礎體系和年度監測數據。以計算機技術、GIS技術、數據庫技術、測量技術、通訊技術等為支撐，對城市地面沉降監測管理系統進行了設計與開發，建立了濟寧市地面沉降監測管理系統，實現了監測數據自動化接收、數據處理與分析、報表生成、預警預報等功能，從而為城市規劃、工程建設、地下水合理開采、地面沉降預警與防治提供技術支持。

1 系統設計

1.1 系統需求分析

系統的需求主要從數據展示、分析、預警功能和用戶權限管理等方便提出。

(1)數據展示方面。系統建設實現監測站在天地圖·濟寧在線正射影像圖和行政區劃圖上的定位和屬性查詢；支持地下水水位監測、空隙水壓力監測和位移監測的工程數據間快切換。

(2)數據分析方面。監測數據支持數據的導入和導出，可以根據監測的數據繪制數據變化曲線，用戶直觀觀測數據的變化情況，研究分析水位、孔隙水壓力與各個層位沉降量的關系。同時系統可以生成報表，支持快速生成、預覽和打印。

(3)數據預警方面。當發現數據異常可以實現系統內預警，并將異常信息通過短信平臺發送給指定的用戶，用戶到現場經進一步排查、分析、評估、判斷，決定是否上報決策部門。

(4)用戶權限管理方面。系統實現分級用戶管理，不同權限用戶可以查看的功能和模塊不同，系統管理員可以查詢所有的功能，并可以進行預警閾值的設定，預警接收人員設定，查詢系統使用日志等。

1.2 系統設計原理

濟寧城區地面沉降監測管理系統是一個集GIS技術、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統工程。利用布設在濟寧城區的主站和輔站的自動化監測設備，包括靜力水準儀、孔隙水壓力計、水位觀測設備等獲取地面沉降相關的實時觀測數據，經過A/D轉換，并通過CDMA通信模塊傳輸到數據中心，經計算機解算出不同采樣時間的數據。另外，在建成區范圍內沿城市路網布設的32個二等水準點、分布均勻的8個B級GNSS點和布設在兩座基巖標上的A級GNSS點每年兩期的觀測數據，導入系統，并對數據進行處理與分析，自動生成等高線，結合自動化監測數據進行分析，進而對地面沉降現狀、影響程度和范圍進行分析與評估。

1.3 系統運行模式

系統運行模式采取瀏覽器/服務器(B/S)模式。B/S模式是目前Web應用不斷發展的一種新的技術架構[3]，定義了客戶機如何與服務器相連以實現數據和應用的共享，并利用臺式機的處理能力將數據和應用分布到多個處理機上，大大減輕了服務器的運行負荷。B/S結構的優點在于客戶端無須安裝軟件，只要有瀏覽器即可和服務器端數據相連，實現共享，降低了成本，提高了系統的交互性、擴展性，保證了數據的集中管控和系統安全性。

1.4 系統總體架構

根據以上系統的需求分析，結合濟寧市城區地面沉降監測現狀，系統采用四層總體架構方式[4](圖1)。

用多媒體展示3組資料： ①全球各國艾滋病人數比率排行資料；②關于近10年來中國國家衛計委關于艾滋病的統計數據(包括每年艾滋病的發病案例、發病率及死亡人數)；③2017年最新統計數據(2017年10月艾滋病發病4485例，死亡1350人)。根據這些統計數據，引導學生說說自己的看法以及如何看待防治艾滋病的緊迫性，自己能為這個社會做點什么？學生交流討論，教師總結并提醒學生日常與艾滋病人握手、擁抱、進餐、蚊蟲叮咬等不會感染艾滋病，艾滋病患者在社會上本來就屬于弱勢群體，在生活上應該拿出自己最大的努力關愛艾滋病病人；強調HIV的傳播途徑，鼓勵學生向他人宣傳如何預防艾滋病，同時自身要注意健康的生活方式。

圖1 系統總體架構

(1)基礎層。基礎層支撐體系是指系統建設的主站和輔站監測點以及系統運行所需的軟硬件、網絡以及通信環境。

(2)數據層。數據層為整個系統提供地理信息空間數據、監測數據等數據服務。分實時監測數據、地圖數據和歷史數據。以最新的0.05m分辨率正射影像圖作為地圖數據，用于各類監測站、點的標注；以1988年、1998年的沉降監測成果和上期的監測數據為歷史數據。集成空間數據、資料圖件和監測數據，依托數據庫管理和GIS技術，按照統一的標準，按照集中與分布建設模式，建立系統數據庫，構建地面沉降風險預警預報系統綜合數據庫的組織、管理、維護和更新體系。

(3)服務層。服務層是系統架構中體現核心價值的部分，是對整個系統業務功能進行后臺實現的過程。服務層在整個系統架構中起著承上啟下的連接作用，對于數據層而言，它是調用者；對于應用層而言，它卻是被調用者。

服務層調用數據層的數據進行查詢、統計、分析等操作，服務層封裝邏輯層主要業務功能模塊，提供數據服務、地圖服務、組件服務和外部服務。

(4)應用層。應用層位于最外層，是離用戶最近的表現層。為用戶提供系統的應用接口，以及對系統邏輯服務層進行輸出展示的平臺。

2 數據庫設計

基于Oracle10.0環境建立系統數據庫。根據數據的形式分為原始監測數據庫、沉降量數據庫[5]、柵格數據庫、表格數據庫、文檔數據庫、歷史數據庫[6]。原始監測數據包括地下水水位監測、孔隙水壓力監測、位移監測數據、水準測量成果數據、GNSS測量成果數據、監測點坐標，以及以上觀測點的位置(坐標)數據等6個數據集；柵格數據有正射影像數據、電子地圖數據；表格數據有觀測點名表、用戶信息表、儀器設備信息表(水位儀數據表、位移數據表、壓力儀數據表)、閾值設置表、預警報警表等5類；沉降量數據庫包括根據檢測結果自動生成的沉降等值線圖、沉降量柱狀圖、沉降量統計表等；文檔數據包括技術文檔、科普文檔、工程資料文檔。系統數據庫邏輯結構見圖2。

圖2 系統數據庫邏輯結構

3 主要技術支撐

3.1 統一的基礎平臺和應用平臺

考慮到業務需要，保證數據的共享和功能互操作以及平臺需具備良好的可維護性和擴展性，該系統采用統一的基礎平臺。避免了不必要的系統間數據的轉換、功能的接口、以及系統升級擴展時大量的維護工作量，保證系統的一致性和穩定性。

3.2 面向對象的軟件設計思想

面向對象的軟件開發技術為當今主流技術。該信息平臺的建設與開發將采用面向對象的軟件工程方法。

3.3 基于關系數據庫的空間與非空間數據一體化管理

基于關系數據庫統一管理空間數據與非空間數據，有效地實現了空間與非空間數據關聯和集成。空間數據與非空間數據都以數據表或視圖的形式存貯，采用數據庫逆向工程的方法自動提取元數據，因此，便于實現基于元數據信息資源管理。

3.4 面向服務的軟件架構(SOA)的應用

根據系統公用性和基礎性的特點，系統軟件架構采用了面向服務的軟件架構SOA(Service-Oriented Architecture)。系統設計與開發過程中盡可能將系統提供對外服務的應用程序功能封裝和發布為Web服務(Web Service)，通過服務注冊和服務目錄，向用戶提供Web服務，使系統的功能采用松耦合的方式實現集成，使得平臺提供功能服務具有了可擴展性。

4 系統功能設計與實現

4.1 系統開發環境

濟寧城區地面沉降監測管理系統開發使用操作系統為Windows 7及以上版本，開發編譯環境為JDK 1.8，編程使用的語言為目前主流開發語言Java，以及Javascript、HTML、CSS、JSP等。使用的編程工具為Eclipse 3.4。

4.2 系統運行環境

(1)數據服務器硬件配置為CPU：Intel E30及以上型號，硬盤：1TB或更高，可選用磁盤矩陣。RAM存儲器：8GB或更高，以太網卡：100M/1000Mbps Base-T。顯示器：17寸平面直角彩色顯示器。

(2)客戶端硬件配置為CPU：P4/酷睿雙核，主頻2.0G以上，以太網卡：100MB；操作系統為Windows7及以上版本，支持主流瀏覽器查看。

4.3 系統主要功能

系統實現了多種工程監測數據的采集、儲存、統計分析，以及圖形、報表的生成和輸出、系統設置等功能[7]，包括濟寧城區地面監測主監測站和輔助監測站的靜力水準儀、孔隙水壓力、水位觀測等自動化觀測設備，以及導入二等水準觀測測量成果、GNSS成果自動生成主城區等高線。

濟寧城區地面沉降監測管理系統模塊化功能如圖3所示：

圖3 系統功能模塊圖

(1)系統簡介。綜合展示監測站、點分布信息，包括監測點位置信息、狀態信息、設備信息及視頻監控信息等，為日常管理提供直觀的信息展示窗口。

(2)科普知識。收集國內外關于地面沉降的相關資料，按照地面沉降原因、歷史與現狀、影響與危害劃分為3個子模塊，為政府、居民、學生等群體，科普、宣傳地面沉降的誘因和預防的相關知識。

(3)視頻監控。通過遠程調用部署在濟寧城區主、輔基巖標監測站點的視頻監控畫面，實時掌握設備的工作畫面，有效監控設備運行狀態。

(4)數據傳輸。設有測量數據、其他數據2個子模塊。點擊測量數據對話框可將平差后的水準測量、GNSS成果數據導入；基巖標、分層標監測數據通過移動無線實時將監測的數值回傳到總控服務端，通過系統數據集成，實時展現監測站點數據傳輸情況。

(5)在線監測。按照站點名稱，默認已列表的形式，對站點監測的沉降值、孔隙水壓力、水位值進行實時展現。支持圖、表切換，可以查看歷史監測曲線(圖4)，分析監測數據變化情況。

圖4 沉降監測數據曲線圖

(6)數據處理及預警。設定每個監測站點沉降值、孔隙水壓力、水位值閾值，當實時監測指標超過閾值時，系統自動報警并將信息發送至管理人員手機。

(7)自動繪制沉降等值線。根據沿城市路網布設的水準點、GNSS點高程數據，系統實現了前臺上傳離散點高程數據，以數據表格的形式存放到數據庫，系統根據監測數據通過生成三角網內插高程點等算法，將沉降量相等點自動連成閉合的沉降等值線[5]，生成沉降等值線圖(圖5)。

圖5 沉降等值線圖

圖6 監測數據統計柱狀圖

(8)統計報表。利用圖、表的形式直觀展示監測數據統計、預警信息和監測數據周期變化情況[8]。監測周期由專業技術人員根據地面沉降統計信息會商后，由系統管理權限者設置。系統可實現日、周、月、季、年監測數據變化情況對比(圖6)，并且所有數據支持導出功能

(9)系統設置。單擊系統設置顯示二級菜單系統用戶、預警人員、預警閥值，并默認彈出系統用戶界面。該功能僅限于管理人員。

5 結語

濟寧城區地面沉降監測覆蓋了濟寧城區180km2,形成了主、輔站實時監測、GNSS基準站、高精度水準“三位一體”的地面沉降監測網絡體系。目前，濟寧城區地面沉降監測系統已連續運行了一年多，運行情況良好。該系統為濟寧城區地面沉降永續監測以及因地面沉降發生的次生災害防治不斷積累數據和提供可靠地技術支撐。需要注意的是，主、輔站GNSS觀測數據及各分層標的監測數據是動態的，數據量大，在正常狀態下，應科學、合理設置監測數據有效上傳的周期或頻率，以避免冗余數據占用后臺存儲空間，影響系統數據匯總、統計和對比分析。后期應該增加監測點的密度，特別是自動化監測點需要補充，擴充監測范圍。

可以將全市區范圍內的其他水位監測數據接入，尤其是水源地的監測數據，以便于綜合分析沉降產生的原因等。