沿海县市级地面沉降信息管理系统的研究
摘要：杭嘉湖地区沿海县市积累了大量丰富的地面沉降观测数据，开发并建立一套地面沉降信息管理系统，有效地管理这些数据，并进一步总结沿海县市的地面沉降变化规律，分析地面沉降机理，对防震减灾、城市规划建设等都具有十分重要的意义。本文首先对系统需求进行了分析，并对系统框架、关键技术进行了研究，在此基础上开发出一套地面沉降信息管理系统，并在杭嘉湖地区多个城市得到了应用和推广。
关键词：地面沉降；信息化管理；数据预测；空间插值；天地图
目前，中国19个省份中超过50个城市发生了不同程度的地面沉降，重灾区主要为长江三角洲地区、华北平原和汾渭盆地这3个区域[1]。地面沉降作为一种累进性的地质灾害，影响范围广，防治难度大，已成为困扰城市建设、影响居民安全生活的一种重要地质灾害，并且严重影响着城市地区的经济增长和可持续发展[2]。为了有效地控制城市地面沉降，杭嘉湖地区沿海县市政府城市规划、地质等管理部门每年都投入大量人力和财力对地面沉降及地下水位进行不间断的动态监测，并积累了大量丰富的观测数据，为城市规划和建设发展提供了重要的科学依据。然而由于历史条件或技术原因的限制，这些大量的宝贵资料都是通过手工整理，工作效率低，查阅资料也极为不便，大批的数据没有得到科学的管理、分析和有效的利用。如何有效管理这些数据，并进行合理分析，进而掌握沿海县市的地面沉降变化规律，分析地面沉降机理，对防震减灾、城市规划建设等都具有十分重要的意义。
1需求分析
为科学地管理多年历史沉降监测资料，建立一套合理科学的基于GIS的沉降信息管理和共享服务平台，实现不同时期、不同观测点的多源多时相沉降观测数据的自动入库、数值分析、可视化显示、趋势分析与预测、各类报表、图形的自动生成与输出，及时快速地掌握地面沉降变化规律，提供处理措施，为城市规划、城市建设与管理及社会公众信息需求提供服务，提高城市规划和城市空间的管理开发与利用水平，笔者所在单位组织相关技术力量进行了沿海县市级城区地面沉降信息管理系统的研究与开发，并推广至杭嘉湖多个县市，取得了很好的用户评价。
2系统设计
2.1系统总体框架
本系统采用B/S三层架构，PLSQLDeveloper进行Oracle11g数据库管理，IIS发布网站，实现对地面沉降数据的管理、统计查询分析和预测分析等。系统的技术框架如图1所示。
2.2关键技术
2.2.1数据库设计
基于B/S框架的沉降信息的管理与可视化系统设计中，数据库设计是整个设计中较为重要的部分之一，其设计的好坏对系统性能有很大影响。本系统运用Oracle实现与沉降相关数据交换与存储。与沉降相关的数据主要有站点的基本数据及站点的多期时间序列沉降数据，在该系统的数据库设计中主要分沉降站点基本数据表和多期历史沉降数据表，相关E-R如图2所示。系统根据该E-R图进行了沉降数据相关表(沉降观测点表、历年高程记录表)、底图配置表、用户表、图片或文件与观测点对应表等详细的数据表设计。
2.2.2沉降数据预测方法研究
利用数学模型将多期观测的地面沉降量数据拟合成曲线，进而计算后期沉降的方法在国内外得到了广泛的应用。这类方法包括双曲线法、三点法、Asaoka法、泊松曲线法、灰色理论和人工神经网络法等。各种预测模型的适用性不同，如双曲线法适合长期预测，时间越长，准确度越高[3]；而Asaoka法的优点在于它可利用较短时间内的观测资料，就能得到较为可靠的预测结果[4]；灰色模型要求原始数据变化较为平缓[5]。城市范围内地面观测点较多，分布范围广，地质条件不尽相同；任何一种地面沉降模型都是在一定地质条件下推导出来的，在城市沉降预测分析中，不可能预先为观测点选择适用的模型，也不可能设计一种通用的地面沉降模型[6]。因此，沉降预测模型计算出结果后，还需对结果进行精度验证，可以选用平均绝对百分误差(MAPE)进行模型精度评价[1]。通过这种精度评价可以得出的结论是：越多的原始序列期数越能反映观测点的沉降趋势；在实际应用中，应优先信任短期预测结果；可在观测期数5、6期以上时优先采用灰度模型；在缺少数据样本的支持下，应当优先采用Asaoka法该法进行预测；三点法在当前样本下比较适合长期预测；双曲线法适应性较强，其预测精度不高；观测点在不同预测模型的预测精度也不相同，可以对模型进行改进。
2.2.3天地图与沉降数据融合
地面沉降信息管理系统包括多期沉降观测数据的整理与和建库、沉降观测数据的空间可视化与查询，以及沉降观测数据时空分析，为城市地面沉降的预测、防控、减灾提供支持。沉降观测数据通常为单一离散观测点，因此，对沉降观测信息的管理、分析和预测需要城市级基础地理信息数据支撑。本系统提出以采用智慧城市地理信息共享平台架构如县市天地图作为城市离散沉降信息管理的空间展示基础。
2.2.4基于交叉验证的空间插值方法
在城市沉降监测中，常用的单点测量手段获取的单站观测数据是离散的、单一的。由于观测站点个数受到限制，获取的观测资料只能反映局部沉降监测信息，无法从整体上对观测区进行监测。为了弥补这一不足，近年来，多个专家学者利用空间插值的方法进行了地面沉降由点到面的监测研究，并在城市地面沉降观测中得到了较多应用。常见的空间插值方法有：IDW法、Kriging和样条函数方法[7]。对于不同的观测点分布、不同的地形环境和观测数据量，其插值计算结果在一定范围内存在差异。IDW插值把估算值和实测点间的距离作为权重因子，权重值为距离反比[8-9]；Kriging插值是通过一组具有z值的分散点生成估计表面的高级地统计过程[10-11]；样条函数插值是通过控制估计方差，利用一些特征节点，用多项式拟合的方法来产生平滑的插值曲线[12-14]。在城市地面沉降插值计算时，3种空间插值模型表现出各自的特点[15]：IDW法简单易行，效率高，但是易受极值影响；Kriging法考虑区域空间特性，但是算法复杂度高并且耗时；样条函数法保凸性、逼真性和平滑性好，但是误差估计困难要求点数量足够且分布均匀。
进行空间插值后需要对插值结果进行精度验证。首先假定某些观测点高程值未知，通过周围站点实测值插值来估算，然后计算验证站点的实测值与估算值之间的误差值。被估算高程值的站点称为验证站点，用于插值的站点称为采样站点。常用的评估方法有平均绝对误差(MAE)和平均误差平方的平方根(RMSIE)。采用这两种评估标准能很好地反映不同插值方法的相对精度，以此选择最适宜的空间插值方法进行城市沉降计算。
2.2.5沉降数据导出工具设计
导出工具用于将沉降趋势预测结果转换为天地图支持的格式。它是基于VisualStudio2015集成开发环境，采用C#语言，利用二次开发平台ArcGISEngine10.1进行开发的。导出工具的地图浏览功能基于桐乡地图的MXD格式的地图文档；数据库使用沉降信息管理系统的数据库，通过服务器发布的数据库服务进行通信。导出工具根据用户选择的条件对观测点进行沉降趋势预测并将结果以专题图的形式展现在地图中，且可以生成相应的图例。最后可以将生成的展示结果以MXD的格式保存至本地硬盘。其工作流程如图3所示。
2.3功能模块
本系统具体的功能模块包括：
(1)观测点与高程信息管理。存放观测点的位置信息和高程信息，是本系统进行沉降统计与分析的基础数据。
(2)文档管理。存放与观测点相关的信息，如观测点的照片信息和点之记等。文档管理可以按照文档内容的性质对文档进行分门别类，提高检索的便捷度。支持上传、编辑、下载、标注、条件查询等文件管理操作。
(3)底图管理。用户可以增加、删除、修改底图信息，切换使用不同的底图。
(4)数据导入与导出。数据导入可以随时更新系统基础数据，使得系统能够存储更多观测点的历年高程信息，导入沉降数据时还可以验证其有效性、正确性；数据导出可以选择一段数据，得到观测点的位置信息、高程信息及沉降统计信息等。
(5)用户管理。系统采用的用户分为一般用户、数据管理员及超级管理员等3种角色。不同类型的用户分别有不同的权限：一般用户只有查看预览与检索查询沉降信息的功能；数据管理员不但有预览沉降信息的功能，而且还有增加、编辑、底图配置、统计分析、预测分析、InSAR数据分析等权限；超级管理员具有系统的最高权限，除了有数据管理员的权限之外，还有对用户管理的权限。
(6)报告导出。用户可以根据需要，选择任一时间段的控制点信息，生成包含有趋势预测信息、沉降等值线信息、DEM变化信息、淹没信息、沉降量统计信息的报告并可以打印。
(7)空间查询和模糊查询。空间查询指用户可以在地图上框选观测点，查询其高程信息和属性信息。模糊查询主要是指用户可以根据观测点中名字的关键字查询到观测点，并在底图上高亮显示。
(8)图层管理。用户可以根据自己的需要选择哪些观测点可以出现在底图上，哪些工具需要被隐藏。
(9)趋势预测。将双曲线法、三点法、Asaoka法及灰度模型等4种方法分别应用于已知观测年份的沉降数据预测未知年份的沉降数据，并将预测结果以折线图或沉降图的形式展示出来。
(10)沉降统计。根据数据库中已经存在的观测点数据，对某一时间段或所有观测点的沉降量进行统计，最后以折线图和柱状图的形式展现出来。
(11)沉降等值线。根据已知高程信息，得到沉降等值线，并在地图上展现出来。
(12)影像分析。影像分析主要是根据InSAR数据进行分析，分为沉降分析和淹没分析。将分析的结果进行渲染，并在地图上显示出来。
(13)决策分析。已知某地区内一些点的高程信息和沉降信息，提供一组预备建设的规划图进行检测(可以是点、线、面)，不同的建设物对其所占区域的高程信息和沉降信息等有不同的要求，要求对其中不适合进行建设的地方进行标注提示，以辅助最终决策的制定。
3系统实现与推广应用
本系统开发完成后在杭嘉湖沿海地区产生了积极的响应，如在桐乡、海宁和海盐、嘉善地区都得到了很好的应用。系统中沉降等值线功能、沉降点预测、沉降面预测分别如图4和图5所示。
4结语
本文利用现代的数据库技术、GIS技术及网络技术等，在网络化的计算机硬件基础上，紧密结合沿海县市级城区地面沉降监测的业务流程，通过对现有的多期地面沉降动态监测数据分析和时空处理，构建地面沉降监测数据库，并设计了沉降监测数据管理及更新维护、数据后处理、数据查询统计、沉降趋势分析、沉降模拟预测和可视化表达与分析等功能模块，开发建立了比较完善的地面沉降信息管理系统，并加以推广应用，对沿海县市级城市轻量级地面沉降信息管理、预警、防震减灾、城市规划建设等工作都具有积极的意义。