矿区地面沉降预测预警系统开发

焦明连，吴清海，黄大宁

(淮海工学院测绘工程学院，江苏连云港222005)

一、引 言

随着世界范围内矿产资源消耗量的急剧增长，因地下矿产资源开采引起的地面沉降成为世界上各矿产资源大国共同面临的一种严重环境问题，我国也不例外。为了尽可能减轻地下矿产开采引起的地面沉降对地面基础设施的损害与自然环境的破坏，对地面沉降进行精确预计显得尤为重要[1]。目前已有的沉降预警系统虽然功能强大，但存在不够实用、内存较大、操作不够快捷简便、难于掌握等问题，本文运用现代预测理论，以Visual Basic程序语言为编程手段，开发地面沉降预测预警系统。使用逻辑斯蒂(Logistic)、泊松曲线、龚伯次(Gompertz)等模型实现对地面沉降曲线的拟合，再利用拟合的曲线方便有效地预测将来一定时期内所监测区域地面的沉降值，为矿区地面沉降管理提供决策依据。

二、矿区地面沉降预测预警系统的特色

1．多模型预测带来高精度预测值

矿区地面沉降是关系到建筑物(构筑物)安全性的一个重要指标，矿区地面沉降随着时间呈有界增长，研究发现沉降-时间理论曲线呈“S”形，与Logistic曲线和 Gompertz曲线的变化规律极为相似[2]。这为运用Logistic曲线和Gompertz曲线建立建筑物沉降预测模型提供了理论基础，采用的拟合模型分别是 Gompertz模型、Logistic模型和 Boltzmann模型。

本文提出的泊松曲线模型参数的拟合方法，对实测沉降数据没有相等时间间距的要求，因而在工程实际中应用较为方便。

各种曲线拟合法的运算公式[3]参见表1。

表1 3种拟合模型及其形式

由于矿区地面沉降的不规律性，以及受地质、水文等自然因素的干扰，对于不同的地面情况，仅仅用一种沉降曲线拟合的方法，不能达到最为精确地沉降预测值，所以研究了3种拟合模型。利用这3种模型可以同时对同一组实测沉降值拟合成曲线，同过对比平均绝对百分误差(MAPE)值，获得精度更高、效果更好的拟合曲线。

2．软件小巧实用

本软件的主要目的是进行沉降值预测，运算量大部分在于模型参数的计算和曲线的拟合，总体来说该软件运算量较小，并且软件的操作过程清晰、简单;另外通过3种模型的比较取舍，又能够很好地达到预测目的，所以不仅节省了时间，同时获得了高精度的预测值，能够在短时间内处理大量的数据。并且在进行实测值拟合时，将使用的模型参数显示给用户，以备不时之需。

3．预测、预警、精度评定和绘图的一体化

该软件利用曲线拟合模型将实测沉降数据进行数据处理，拟合成一条沉降曲线图并绘制。同时，提供了对拟合精度的评定(采用平均绝对百分误差MAPE)。通过拟合的沉降曲线，对将来一定时期内建筑物的沉降值进行预测预警。

三、系统开发技术手段

1．软件结构和使用流程

本系统主要由主界面，模型运算界面以及数据调入和输出构成。模型运算界面可进行参数计算、预测值计算，精度评定、绘制曲线图、数据查询等操作。沉降预测预警软件基本构成和系统结构流程分别如图1、图2所示。

图1 沉降预测预警软件基本构成图

图2 系统结构流程图

2．数据输入

地面沉降预测预警软件支持．txt文档数据(文本文档)，数据以*，*格式(第1个*代表观测期数，第2个表该期示沉降实测数据)进行输入。比如要输入第2期沉降值，并且该期沉降实测数据为2．134，则相应的格式为 2，2．134。具体如图 3所示：

图3 实测沉降数据格式实例图

3．数据处理与曲线拟合

利用相应选择的预测模型，对实测沉降数据进行拟合，计算出相应的参数，从而得到预测模型的表达式，以此达到预测一定时期内建筑物沉降值的目的。然后对预测的沉降值进行相应的精度评定，输入沉降容许值和欲知某期沉降值的期数进行预警。

4．结果输出

利用相应的模型曲线预测出沉降值后，即可点击“文件”菜单下的“保存计算结果”把结果保存为“*．txt”文件。若需要预测两期或者两期以上的数据，可以利用当前界面中的“保存该期预测值”按钮来实现，预测结果自动保存到同样的文件中。

四、精度评定

拟合精度取决于历史数据与估计水平的精确性，其中估计水平涉及模型函数形式的设定、正确变量选择及参数估计。广泛应用的精度指标有：平均绝对百分误差(MAPE)、绝对误差平方和(SSE)、相对误差平方和(SSPE)、标准差(SE)和相对标准差(SPE)等。

为了验证所使用的模型在精度方面是可行的，本系统在使用模型对沉降值预测后，对模型进行精度分析，采用平均绝对百分误差来计算衡量模型精度

根据表2中对模型拟合精度的划分标准[4]，作为本系统评定模型拟合精度的一个重要依据。

表2 拟合精度划分表

进行预测时，选用不同的预测模型会得到不同的预测精度，通过对预测精度的比较，选取精度较高的预测模型的预测结果，作为本次预测的最终结果。

五、典型界面

以Logistic预测模型的相应操作，演示相应界面的操作。

1．主界面

登入软件以后出现如下欢迎主界面(如图4所示)。

该页面有3个主菜单，分别是预测模型、帮助及退出程序部分。点击预测模型下的Logistic模型，弹出该模型的运输界面。

图4 主界面图

2．模型运算界面

加载数据并进行相关运算后的结果如图5所示。

图5 运算结果图

3．精度评定界面

点击“沉降预测”菜单下的“精度评定”即可得出曲线的拟合精度，如图6所示。

图6 精度评定界面图

4．沉降曲线绘制界面

点击菜单“沉降预测”中的“绘制沉降曲线图”出现如下窗口，点击绘图即可完成操作，如图7所示。

5．查询界面

点击子界面的菜单栏中“查询”，进行相应操作后，则出现图8窗口。

图7 沉降曲线绘制界面

图8 查询界面

六、结束语

矿区地面沉降预测预警系统具有良好的人机界面，软件操作方便，并可利用不同模型对预测结果进行比对，取用较好的预测模型。该系统的建立，可大量节省对观测数据处理的时间，提高工作效率，为地面沉降运营管理提供依据，达到土地资源的合理利用与地质生态环境保护的协调统一，减少危害的发生，以提高矿区综合管理水平，增强矿区整体防护能力。本系统虽立足于解决矿区地面沉降监测与预报问题，对一般的变形体的预测也具有重要的参考价值。

[1]焦明连，蒋廷臣．合成孔径雷达干涉测量理论与应用[M]．北京：测绘出版社，2008．

[2]于涛，赵仲荣．建筑物沉降规律的曲线拟合模型研究[J]．测绘通报，2008(11)：50-52，63．

[3]吴清海，李惠芳．变权组合模型在沉降预测中的应用[J]．测绘科学技术学报，2009(2)：118-120，124．

[4]吴清海．地面沉降预测方法的探讨[J]．测绘通报，2009(2)：46-47，65．

[5]王红，苏山舞，刘东琴．时间序列分析及其在测绘领域的应用初探[J]．测绘科学，2008，33(1)：155-158．