礦區(qū)地面沉降預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

焦明連，吳清海，黃大寧

(淮海工學(xué)院測繪工程學(xué)院，江蘇連云港222005)

一、引 言

隨著世界范圍內(nèi)礦產(chǎn)資源消耗量的急劇增長，因地下礦產(chǎn)資源開采引起的地面沉降成為世界上各礦產(chǎn)資源大國共同面臨的一種嚴(yán)重環(huán)境問題，我國也不例外。為了盡可能減輕地下礦產(chǎn)開采引起的地面沉降對地面基礎(chǔ)設(shè)施的損害與自然環(huán)境的破壞，對地面沉降進(jìn)行精確預(yù)計(jì)顯得尤為重要[1]。目前已有的沉降預(yù)警系統(tǒng)雖然功能強(qiáng)大，但存在不夠?qū)嵱谩?nèi)存較大、操作不夠快捷簡便、難于掌握等問題，本文運(yùn)用現(xiàn)代預(yù)測理論，以Visual Basic程序語言為編程手段，開發(fā)地面沉降預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。使用邏輯斯蒂(Logistic)、泊松曲線、龔伯次(Gompertz)等模型實(shí)現(xiàn)對地面沉降曲線的擬合，再利用擬合的曲線方便有效地預(yù)測將來一定時(shí)期內(nèi)所監(jiān)測區(qū)域地面的沉降值，為礦區(qū)地面沉降管理提供決策依據(jù)。

二、礦區(qū)地面沉降預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的特色

1．多模型預(yù)測帶來高精度預(yù)測值

礦區(qū)地面沉降是關(guān)系到建筑物(構(gòu)筑物)安全性的一個(gè)重要指標(biāo)，礦區(qū)地面沉降隨著時(shí)間呈有界增長，研究發(fā)現(xiàn)沉降-時(shí)間理論曲線呈“S”形，與Logistic曲線和 Gompertz曲線的變化規(guī)律極為相似[2]。這為運(yùn)用Logistic曲線和Gompertz曲線建立建筑物沉降預(yù)測模型提供了理論基礎(chǔ)，采用的擬合模型分別是 Gompertz模型、Logistic模型和 Boltzmann模型。

本文提出的泊松曲線模型參數(shù)的擬合方法，對實(shí)測沉降數(shù)據(jù)沒有相等時(shí)間間距的要求，因而在工程實(shí)際中應(yīng)用較為方便。

各種曲線擬合法的運(yùn)算公式[3]參見表1。

表1 3種擬合模型及其形式

由于礦區(qū)地面沉降的不規(guī)律性，以及受地質(zhì)、水文等自然因素的干擾，對于不同的地面情況，僅僅用一種沉降曲線擬合的方法，不能達(dá)到最為精確地沉降預(yù)測值，所以研究了3種擬合模型。利用這3種模型可以同時(shí)對同一組實(shí)測沉降值擬合成曲線，同過對比平均絕對百分誤差(MAPE)值，獲得精度更高、效果更好的擬合曲線。

2．軟件小巧實(shí)用

本軟件的主要目的是進(jìn)行沉降值預(yù)測，運(yùn)算量大部分在于模型參數(shù)的計(jì)算和曲線的擬合，總體來說該軟件運(yùn)算量較小，并且軟件的操作過程清晰、簡單;另外通過3種模型的比較取舍，又能夠很好地達(dá)到預(yù)測目的，所以不僅節(jié)省了時(shí)間，同時(shí)獲得了高精度的預(yù)測值，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)。并且在進(jìn)行實(shí)測值擬合時(shí)，將使用的模型參數(shù)顯示給用戶，以備不時(shí)之需。

3．預(yù)測、預(yù)警、精度評定和繪圖的一體化

該軟件利用曲線擬合模型將實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合成一條沉降曲線圖并繪制。同時(shí)，提供了對擬合精度的評定(采用平均絕對百分誤差MAPE)。通過擬合的沉降曲線，對將來一定時(shí)期內(nèi)建筑物的沉降值進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。

三、系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)手段

1．軟件結(jié)構(gòu)和使用流程

本系統(tǒng)主要由主界面，模型運(yùn)算界面以及數(shù)據(jù)調(diào)入和輸出構(gòu)成。模型運(yùn)算界面可進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、預(yù)測值計(jì)算，精度評定、繪制曲線圖、數(shù)據(jù)查詢等操作。沉降預(yù)測預(yù)警軟件基本構(gòu)成和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程分別如圖1、圖2所示。

圖1 沉降預(yù)測預(yù)警軟件基本構(gòu)成圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

2．?dāng)?shù)據(jù)輸入

地面沉降預(yù)測預(yù)警軟件支持．txt文檔數(shù)據(jù)(文本文檔)，數(shù)據(jù)以*，*格式(第1個(gè)*代表觀測期數(shù)，第2個(gè)表該期示沉降實(shí)測數(shù)據(jù))進(jìn)行輸入。比如要輸入第2期沉降值，并且該期沉降實(shí)測數(shù)據(jù)為2．134，則相應(yīng)的格式為 2，2．134。具體如圖 3所示：

圖3 實(shí)測沉降數(shù)據(jù)格式實(shí)例圖

3．?dāng)?shù)據(jù)處理與曲線擬合

利用相應(yīng)選擇的預(yù)測模型，對實(shí)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)，從而得到預(yù)測模型的表達(dá)式，以此達(dá)到預(yù)測一定時(shí)期內(nèi)建筑物沉降值的目的。然后對預(yù)測的沉降值進(jìn)行相應(yīng)的精度評定，輸入沉降容許值和欲知某期沉降值的期數(shù)進(jìn)行預(yù)警。

4．結(jié)果輸出

利用相應(yīng)的模型曲線預(yù)測出沉降值后，即可點(diǎn)擊“文件”菜單下的“保存計(jì)算結(jié)果”把結(jié)果保存為“*．txt”文件。若需要預(yù)測兩期或者兩期以上的數(shù)據(jù)，可以利用當(dāng)前界面中的“保存該期預(yù)測值”按鈕來實(shí)現(xiàn)，預(yù)測結(jié)果自動保存到同樣的文件中。

四、精度評定

擬合精度取決于歷史數(shù)據(jù)與估計(jì)水平的精確性，其中估計(jì)水平涉及模型函數(shù)形式的設(shè)定、正確變量選擇及參數(shù)估計(jì)。廣泛應(yīng)用的精度指標(biāo)有：平均絕對百分誤差(MAPE)、絕對誤差平方和(SSE)、相對誤差平方和(SSPE)、標(biāo)準(zhǔn)差(SE)和相對標(biāo)準(zhǔn)差(SPE)等。

為了驗(yàn)證所使用的模型在精度方面是可行的，本系統(tǒng)在使用模型對沉降值預(yù)測后，對模型進(jìn)行精度分析，采用平均絕對百分誤差來計(jì)算衡量模型精度

根據(jù)表2中對模型擬合精度的劃分標(biāo)準(zhǔn)[4]，作為本系統(tǒng)評定模型擬合精度的一個(gè)重要依據(jù)。

表2 擬合精度劃分表

進(jìn)行預(yù)測時(shí)，選用不同的預(yù)測模型會得到不同的預(yù)測精度，通過對預(yù)測精度的比較，選取精度較高的預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，作為本次預(yù)測的最終結(jié)果。

五、典型界面

以Logistic預(yù)測模型的相應(yīng)操作，演示相應(yīng)界面的操作。

1．主界面

登入軟件以后出現(xiàn)如下歡迎主界面(如圖4所示)。

該頁面有3個(gè)主菜單，分別是預(yù)測模型、幫助及退出程序部分。點(diǎn)擊預(yù)測模型下的Logistic模型，彈出該模型的運(yùn)輸界面。

圖4 主界面圖

2．模型運(yùn)算界面

加載數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 運(yùn)算結(jié)果圖

3．精度評定界面

點(diǎn)擊“沉降預(yù)測”菜單下的“精度評定”即可得出曲線的擬合精度，如圖6所示。

圖6 精度評定界面圖

4．沉降曲線繪制界面

點(diǎn)擊菜單“沉降預(yù)測”中的“繪制沉降曲線圖”出現(xiàn)如下窗口，點(diǎn)擊繪圖即可完成操作，如圖7所示。

5．查詢界面

點(diǎn)擊子界面的菜單欄中“查詢”，進(jìn)行相應(yīng)操作后，則出現(xiàn)圖8窗口。

圖7 沉降曲線繪制界面

圖8 查詢界面

六、結(jié)束語

礦區(qū)地面沉降預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，軟件操作方便，并可利用不同模型對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比對，取用較好的預(yù)測模型。該系統(tǒng)的建立，可大量節(jié)省對觀測數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，提高工作效率，為地面沉降運(yùn)營管理提供依據(jù)，達(dá)到土地資源的合理利用與地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，減少危害的發(fā)生，以提高礦區(qū)綜合管理水平，增強(qiáng)礦區(qū)整體防護(hù)能力。本系統(tǒng)雖立足于解決礦區(qū)地面沉降監(jiān)測與預(yù)報(bào)問題，對一般的變形體的預(yù)測也具有重要的參考價(jià)值。

[1]焦明連，蔣廷臣．合成孔徑雷達(dá)干涉測量理論與應(yīng)用[M]．北京：測繪出版社，2008．

[2]于濤，趙仲榮．建筑物沉降規(guī)律的曲線擬合模型研究[J]．測繪通報(bào)，2008(11)：50-52，63．

[3]吳清海，李惠芳．變權(quán)組合模型在沉降預(yù)測中的應(yīng)用[J]．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(2)：118-120，124．

[4]吳清海．地面沉降預(yù)測方法的探討[J]．測繪通報(bào)，2009(2)：46-47，65．

[5]王紅，蘇山舞，劉東琴．時(shí)間序列分析及其在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用初探[J]．測繪科學(xué)，2008，33(1)：155-158．