宁波市地面沉降监测分析系统的设计与实现

郑小梅，王磊

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315041)

宁波市地面沉降监测分析系统的设计与实现

郑小梅1∗，王磊2

(宁波市测绘设计研究院，浙江宁波 315041)

详细阐述了宁波市地面沉降监测分析系统的体系结构、数据库设计和功能设计，给出了地面沉降点分类、自动绘制沉降等值线和沉降预测等几个主要功能的实现。系统实现了信息的管理与共享，为“平安宁波”的建设提供有力保障。

WebGIS；地面沉降监测；沉降预测

1 引 言

近年来，随着城市开发建设的加快，各类重大建设项目的陆续开展，宁波市区地面沉降范围逐渐扩大，沉降规律不断变化，按照浙江省、宁波市的统一部署，在宁波市区范围内进行一年一次的水准监测，以及时、全面地掌握城市地面沉降情况。沉降水准网监测是城市安全监测的重要组成部分，是城市风险分析和动态监测、预测的科学依据之一，是应对突发公共事件做到早发现、早报告、早处置的有力保障，也是启动实施轨道交通和区间快速通道项目，加强城市各组团的功能整合和有机联系的基础保障。

目前宁波市地面沉降观测每年进行一次，积累了大量的原始数据，但数据的管理手段滞后、挖掘分析不够、应用水平不高，所以急需建立“宁波市地面沉降监测分析系统”，实现数据的科学管理，提高城市风险分析能力，为城市规划建设和政府决策提供依据，为“平安宁波”的建设提供有力保障。

宁波市地面沉降监测分析系统是利用地面沉降监测资料为依托，对沉降监测点进行查询、统计分析、沉降预测等的综合分析系统，该系统可为宁波市地面沉降研究提供现代化的技术管理方法，为城市规划布局和基础建设提供科学的决策依据。

2 系统设计

系统设计主要包括系统体系结构设计、数据库设计和系统功能设计。体系结构设计将系统的业务逻辑和数据访问、共享等通过组件层进行封装，各个应用基于组件可以迅速搭建；数据库设计是对体系结构中的数据层的数据存储管理进行设计，包括对地面沉降数据进行分类、命名以及存储结构进行设计；系统功能设计是对体系结构中的核心组件层的功能进行设计，包括每个组件功能的实现要求、功能效果等。

2.1 体系结构设计

系统采用基于B/S的数据层、核心组件层和应用表现层的三层体系结构，该结构无论从数据应用分析角度还是程序编制方面，均是一个结构灵活，便于调整的体系。

B/S结构是目前Web应用不断发展所产生的一种新的技术架构，这种体系的优势在于客户端采用了统一的浏览器界面，用户不用经过太多的技术培训就可以对系统进行操作。其次，系统的核心组件层和数据层集中在了服务器端，使得系统的维护工作大为简化。另外B/S结构还可以实现系统在宁波市规划局及其相关单位的分布式应用，大大简化了系统用户的工作流程。

系统的体系结构如图1所示:

图1 系统的体系结构图

2.1.1 数据层

数据层指明了数据的来源，包括各类数据在数据库中的存储内容，组织方式和存储机制。系统的数据都存储在Oracle数据库，系统的空间数据库采用的Geodatabase数据模型与属性数据一同存放在数据库中。

2.1.2 核心组件层

核心组件层是一套组件库。该套组件库实现了数据查询、统计分析、输出、沉降预测等，并实现后台对数据库的日常管理如数据的备份、恢复、用户管理等功能，为系统的高效、稳定运行创造良好的外部环境。另外，空间信息服务接口层作为空间信息服务系统与空间信息服务基础数据库系统之间的桥梁，负责向客户端提供统一的空间数据管理、分析等方面的接口；主要负责各种数据库系统之间的数据I/O处理，封装底层各数据库系统提供的应用接口。

2.1.3 表现层

表现层反映了图形用户界面以及所有的显示逻辑，它是应用的客户端部分，由它负责与用户进行交互。

2.2 数据库设计

数据库设计是针对地面沉降监测点数据、沉降等值线数据、沉降等值线注记和点之记数据的存储管理的设计，数据库设计包括外部设计、逻辑结构设计和物理结构设计三部分。

2.2.1 外部设计

(1)宁波市地面沉降监测分析系统的数据组织为数据 集 (Feature Dataset)——数 据 类 (Feature Class)——数据(Feature)。

(2)宁波市地面沉降监测分析系统的数据集名称为DMCJJC。

(3)宁波市地面沉降监测分析系统的几何特征及其代号规则:点的代号为POINT，线的代号为LINE，注记的代号为TEXT。

2.2.2 逻辑结构设计

宁波市地面沉降监测分析系统的逻辑图层包括地面沉降监测点、地面沉降等值线，城市地面沉降监测分析系统的逻辑图层分类及其代码规则为:地面沉降监测点的图层代码为Reference简写为REF，地面沉降等值线的图层代码为Isoline简写为ISO。

2.2.3 物理结构设计

城市地面沉降监测分析系统的物理图层的命名为数据集名称＋逻辑图层代码＋几何特征代号。

(1)地面沉降监测点

①地面沉降监测点的物理图层名称为 DMCJJC REFPOINT。

②由于地面沉降每年都在观测，所以沉降数据每年都在增加，但是其地理位置没有发生变化，即图形数据没有变更，属性数据在变化，所以将地面沉降监测点的图形数据和属性数据分开存储，并通过点名进行关联。

(2)沉降等值线

①沉降等值线的物理图层名称为DMCJJCISOLINE。

②沉降等值线注记的物理图层名称为DMCJJCISOTEXT。

③沉降等值线及其注记采用图形与属性统一存储在Geodatabase空间数据中。

(3)数据存储

系统的数据均存储在Oracle数据库，即系统的空间数据采用的Geodatabase数据模型存储在Oracle数据库，属性数据直接存放在Oracle数据库中。

2.3 系统功能设计

2.3.1 图层管理

实现物理图层的可见不可见。

2.3.2 查询

(1)监测点查询

在图上选择任意监测点或输入监测点的点名，查询该点历年的沉降信息，若该点为新埋设的点，则不显示其沉降信息，只显示提示信息。

(2)任意点查询

在图上任意点击一点，通过插值原理内插出该点的每期的沉降量。

(3)破坏点查询

查询数据库中所有破坏点的信息，包括点名，埋设年份和破坏年份等。

2.3.3 统计分析

(1)按某时段的沉降量统计

将沉降量、时间段、沉降量和时间段的组合作为主筛选条件，选出数据库中符合条件的记录生成报表。

(2)当期沉降量分析

计算本期各监测点相对上一周期的沉降量。

“孝弟也者，其为仁之本与！”饭团塞住嘴的潘云含糊不清地接过后半句，咽下饭团后又说：“子还曰：生，事之以礼；死，葬之以礼，祭之以礼。”

(3)累计沉降量分析

计算各测点第一次沉降监测到本期沉降监测的沉降量的总和。

2.3.4 报表输出

(1)按范围输出沉降监测点的高程成果表

按图上选择的矩形范围筛选数据库记录生成报表，用户通过此表可以方便地查看成果数据库中的内容。

(2)按时间输出点位坐标成果表

按照指定的时间段筛选数据库记录生成报表，用户通过此表可以方便地查看在某时间段成果数据库中的内容。

(3)点位沉降量统计表

利用已建立起来的数据库动态提取数据，将每一监测点的本期沉降量、累计沉降量和平均沉降量形成报表。

累计沉降量是指当前观测日期以前实测的沉降量的总和。

平均沉降量是指监测点在当前观测日期以前实测的沉降量的平均值。

(4)地面沉降点分类表

将由地面沉降引起的监测点进行分类统计，根据地面沉降规律将地面沉降点进行分类。

2.3.5 专题图

(1)沉降过程线图

反映监测点在某一周期相对于前一周期的沉降量，沉降过程线图是某一监测点以观测年份作为横坐标，本期沉降量为纵坐标的柱状图。

(2)沉降趋势线图

反映了监测点在某一周期相对于第一周期的沉降量，沉降趋势线图是某一监测点以观测年份作为横坐标，累计沉降量为纵坐标连成的曲线。

(3)沉降速率柱状专题图

从空间和时间上直观地反映了地面沉降的发展过程及现状，沉降速率的计算方法是沉降速率＝沉降量(mm)/沉降时间(年)。

(4)自动绘制沉降等值线图

根据离散的沉降监测点的沉降量通过插值或者曲线拟合的方法自动绘制等值线图。

2.3.6 沉降预测

沉降预测是根据各期的地面沉降监测数据结合综合复测的结果，应用数理统计理论，对监测数据进行分析、判断，找出地面的沉降规律，最后根据其规律预测以后的发展趋势。

3 系统实现

系统的实现主要包括连接数据库的操作和功能的实现。数据库操作用于提供基础地理信息与地面沉降信息的共享，而功能实现用于构造浏览器端的用户界面和交互活动，本文主要阐述功能的实现。

本系统的功能主要采用动态网页技术ASP.NET，并采用CSS，JAVASCRIPT等网页制作技术。

3.1 地面沉降点分类

地面沉降点根据沉降量分为5类:一类监测点是指沉降速度较快，并且有加快沉降现象的监测点；二类监测点是指沉降速度较快，并且有减缓沉降现象的监测点；三类监测点是指沉降速度较慢，并且有加快沉降现象的监测点；四类监测点是指沉降速度较慢，并且有减缓沉降现象的监测点；五类监测点是上升的沉降监测点。

地面沉降监测点分类流程如图2所示。

图2 地面沉降监测点分类流程图

其中，本期沉降量＝本期高程值－上期高程值；

所有监测点的平均值＝本期沉降量总和/本期沉降监测点总数；

本期沉降速率＝本期沉降量/(本期观测年份－上期观测年份)；

上期沉降速率＝上期沉降量/(上期观测年份－上期的前一期观测年份)。

3.2 自动绘制沉降等值线

沉降等值线是根据已知的离散的沉降监测点沉降量内插出未知点沉降量，将沉降量相等的点连成曲线。沉降等值线图能直观地显示全市各沉降点不同时段的沉降量的分布情况。

自动绘制等值线的方法从技术方向上看可以分为两大类，插值和曲线拟合。其中曲线拟合总的来说效果不如插值算法经典和应用广泛，效果也较逊色。本文着重介绍插值算法。

自动绘制等值线算法步骤:

(1)首先生成delaunay三角网。这部分算法在很多GIS书上都有详细的介绍，本文这里就不阐述了。

(2)三角形的边上插补等值点。要确定某个三角形的边上是否有等值点，需要进行判断和处理。如果某原始数据点和等值线值相同，将该点改变一个微量。如果一个三角形三顶点的值相同则各边无等值点。如果一个三角形的任意边两端点(A、B〕的Z值(Za、Zb)满足(Zd－Za)×(Zd－Zb)＜0，其中Zd代表等值线的值，则该边必有等值点，其平面位置是Xd＝Xa＋(Xb－Xa)× (Zd－Za)/(Zb－Za)，Yd＝Ya＋(Yb－Ya)×(Zd－Za)/(Zb－Za)。每个三角形上不可能三边都有同值的等值点，另一边上必定有同值的等值点。

(3)等值点的追踪

为了能将内插的等值点顺序追踪排列，绘出等值线，还必须找出相互重叠的环形网内所计算的等值点间的平面位置关系。因每个环形网都是由多个三角形组成的，我们先简单分析一下单个三角形中存在等值点的情况。由于不必考虑等值线穿过端点，如果一个三角形的边上存在等值点的话，只可能在某两条边上存在等值点，而不可能三条边上同时都有。也就是说，只要三角形一边上存在等值点，则其余的两条边中必有一边存在等值点。

根据上面的约定，我们再研究等值线穿过任一环形网中两条及两条以上相邻的径边时，可能出现的几种情形:

①等值线不通过环形网的界边。在这个环形网中，必然所有的径边上都存在等值点，如果这个环形网由非边界点联结而成，内插的等值点就可顺序连接为一条闭合曲线；若此环形网由边界点联成，那么这些等值点则连成一条开口曲线。

②等值线通过环形网的界边，且次数不超过两次。相邻径边上内插的等值点顺序排列，点数至少为两个，其起点为环形网的入口点，终点为环形网的出口点。

③等值线4次通过环形网的界边。环形网中内插的等值点分为两部分顺序排列，每个部分都包括一个入口点和一个出口点，这个网所在的位置应该是等值线的鞍部。

由于离散点环形联网是沿同一方向(逆时针)进行的，环形网中相邻径边上内插的等值点所排列的顺序，也相应围绕中心点位逆时针旋转。如果等值点不是位于边界上的话，那么一个环形网的入口点，必然是另一个环形网的入口点；一个环形网的出口点，也必然是另一个环形网的出口点；而内插入口点(或出口点)的径边的两个端点，就是联结这两个环形网的中心点。利用这个原理，我们就可以成功地设计出等值线的追踪方案，且在追踪等值线时，只需将各环形网中内插的等值点进行单向比较，即入口点对入口点比较，出口点对出口点比较。

联网结束后，凡是没能联成闭合环形网的离散点，即为绘图区域的边界点，而在两个边界点连接的边上内插的等值点，就是开曲线的线头。找到线头后，根据上述原理，就可顺序追踪出各条开曲线的全部等值点。对于闭曲线来说，任一环形网中内插等值点中的起点都可作为线头，按上述方法追踪，直至又回到该点为止。

(4)曲线的光滑输出。常用样条插值算法，这部分算法在计算机图形学书上有详细的介绍，本文这里就不阐述了。

自动绘制等值线效果如图3所示。

图3 宁波市地面沉降等值线图

3.3 沉降预测

沉降预测是根据各期的地面沉降监测数据结合综合复测的结果，应用数理统计理论，对监测数据进行分析、判断，找出地面的沉降规律，最后根据其规律预测以后的发展趋势。

沉降预测的基本思路:将地面沉降监测数据作为样本数据建立地面沉降预测模型，再根据模型预测以后的地面沉降量，也就是说预测值与实测值拟合度的高低取决于预测模型的选取是否合适。

目前地面沉降的预测模型主要有一元线性回归模型、等间距灰色系统模型和任意间距灰色系统模型等，限于篇幅，本文只阐述任意间距灰色系统模型。

(1)基本原理

任意间距灰色系统模型是利用较少的或不确切的表示系统行为特征的原始数据序列变换后建立微分方程，目的是求得随机性弱化、规律性强化的新序列。任意间距灰色系统模型GM(1，1)是最基础的一种只包含单变量的一阶微分方程模型。

由一阶累加生成序列X(1)构成的微分方程为:

写成离散形式为:

写成矩阵形式:

(2)模型检验

预测模型得到的预测值必须经过统计检验才能确定其预测精度等级。预测精度等级评价标准和准则有多种，下面以拟合度为例讨论灰色模型的预测精度等级。拟合度是预测残差方差与原始数据方差之比，即:

根据C值的大小，可将预测精度分为4个等级，见表1。

预测精度分级表 表1

(3)预测效果

任意间距灰色系统模型预测的效果如图4所示。

图4 任意间距灰色系统模型预测的效果图

4 总 结

宁波市地面沉降监测分析系统的建成运行提高沉降监测数据管理水平，增强对沉降监测数据的挖掘分析能力，实现对地面沉降趋势的预测，为宁波市的城市规划、建设提供科学的决策依据，避免和减少因地面沉降而造成的破坏和经济损失。

[1]郑小梅.宁波市地面沉降监测分析系统总结报告.2008

[2]蒋世辉，黄士国，高丰有.基于灰色系统理论的住宅需求预测及政策建议.河南财政税务高等专科学校学报，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

郑小梅(1976—)，女，工程师，主要从事GIS技术在城市规划领域的应用及研究。