山區(qū)高填方機(jī)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法探討

李靈愛

【摘要】通過恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行山區(qū)機(jī)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理來提高內(nèi)業(yè)工作的效率，從而也能在某種程度上有著加快機(jī)場建設(shè)進(jìn)程的作用。本文針對常用的幾種變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行分析探討，其結(jié)果對山區(qū)高填方機(jī)場實(shí)際工程的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】高填方機(jī)場，沉降監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理

0 引言

山區(qū)高填方機(jī)場建設(shè)區(qū)域地形地勢條件、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，變形問題不可避免的存在。機(jī)場的變形輕則影響機(jī)場道面的功能性要求，嚴(yán)重的會導(dǎo)致機(jī)場道面結(jié)構(gòu)性損壞，威脅著乘客的人生安全。因此，對于山區(qū)高填方機(jī)場的建設(shè)不僅僅要求建設(shè)質(zhì)量可靠，由于其建設(shè)環(huán)境的特殊性，需要對建設(shè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測，通過對變形區(qū)域采集數(shù)據(jù)計(jì)算，及時(shí)分析變形體是否處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。本文通過對常用變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行總結(jié)，分析出適用于山區(qū)高填方機(jī)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的方法。

1 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基本方法

傳統(tǒng)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)基本采用人工或者半人工計(jì)算的方式來進(jìn)行處理。而在諸如機(jī)場建設(shè)等一些較大型的沉降監(jiān)測項(xiàng)目中，數(shù)據(jù)處理多為自動化方式，借助于一系列的大型數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行自動化處理計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果自動成圖，分析預(yù)測沉降趨勢，便于有效掌握變形體的沉降變形情況，及時(shí)解決變形問題。

以下對常用監(jiān)測網(wǎng)平差方法進(jìn)行總結(jié)和分析，選擇適于山區(qū)高填方機(jī)場變形監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的方法。

監(jiān)測網(wǎng)經(jīng)典平差

監(jiān)測網(wǎng)經(jīng)典平差是基于網(wǎng)中擁有足夠的穩(wěn)定點(diǎn)作為平差時(shí)的起算點(diǎn)，并以這些數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，確定網(wǎng)中其余未知點(diǎn)的坐標(biāo)。此類監(jiān)測網(wǎng)由于其圖形復(fù)雜，且含有較多的多余觀測，常用間接平差法。

作為經(jīng)典網(wǎng)平差有如下兩個(gè)問題：

1、網(wǎng)中可能存在多個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)，選擇不同的穩(wěn)定點(diǎn)作為起算點(diǎn)時(shí)，其平差結(jié)果肯定不同，選擇最優(yōu)平差解就成為了需要重新考慮的問題。

2、對于變形網(wǎng)中的網(wǎng)點(diǎn)，一般很難預(yù)先確定出哪些點(diǎn)是絕對不動的，也就是說基準(zhǔn)的選擇較困難[3]。

秩虧自由網(wǎng)平差

所謂秩虧是指沒有足夠的起算數(shù)據(jù)，沒有固定的起算點(diǎn)。秩虧自由網(wǎng)可以不預(yù)先假定固定點(diǎn)，所有網(wǎng)點(diǎn)等同看待，即是將所有網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)都視為帶定量，這時(shí)秩虧自由網(wǎng)平差可以結(jié)算出變形量，其核心是最終的平差結(jié)果和所選基準(zhǔn)（平差時(shí)的約束條件）無關(guān)。秩虧自由網(wǎng)平差與經(jīng)典平差一般情況下所求得的坐標(biāo)是不同的，但求得的單位權(quán)方差相同[1]。

采用秩虧自由網(wǎng)平差發(fā)現(xiàn)變形的能力比采用經(jīng)典平差強(qiáng)的多，因此其在目前變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中顯得非常重要，尤其是針對區(qū)域變形監(jiān)測，非線性大地網(wǎng)秩虧平差的應(yīng)用較為廣泛。

自由網(wǎng)擬穩(wěn)平差

自由網(wǎng)擬穩(wěn)平差是由我國周文江教授于1980年針對變形觀測網(wǎng)中存在相對穩(wěn)定點(diǎn)情況而提出的一種合適解法。此平差法是以網(wǎng)中的相對穩(wěn)定點(diǎn)組的重心參考系作為網(wǎng)配置的基準(zhǔn)。自由網(wǎng)擬穩(wěn)平差的結(jié)果滿足最小二乘原則，其所求改正數(shù)與經(jīng)典平差和秩虧平差結(jié)果相同，但由于參考系的不同，測量值的平差結(jié)果及測量值協(xié)方差陣亦不同。

根據(jù)以上幾種數(shù)據(jù)處理基本方法的總結(jié)，針對山區(qū)高填方機(jī)場建設(shè)沉降變形監(jiān)測網(wǎng)的特點(diǎn)，由于有些沉降變形監(jiān)測點(diǎn)可能處于地質(zhì)條件不好，受力變化比較大的地方，各網(wǎng)點(diǎn)移動的可能性不同。并且，在某些時(shí)候，對于沉降監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的穩(wěn)定性并不能預(yù)先得知，而經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以知道某些點(diǎn)的移動情況[2]。以上所述均常見于山區(qū)高填方機(jī)場沉降監(jiān)測變形網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中，如果采用經(jīng)典平差或秩虧自由網(wǎng)平差顯然都是不合理的，所以在機(jī)場沉降變形數(shù)據(jù)處理時(shí)優(yōu)先選擇自由網(wǎng)擬穩(wěn)平差方法較為適宜。

2 沉降變形預(yù)測基本方法

隨著技術(shù)的發(fā)展以及對工程質(zhì)量及建設(shè)安全的保證，不僅在對變形體進(jìn)行沉降監(jiān)測時(shí)所使用的儀器觀測精度要求提高，數(shù)據(jù)處理成果的準(zhǔn)確性及對后期變形情況預(yù)測的有效性要求也隨之提高。一般沉降變形預(yù)測的做法是根據(jù)已有相關(guān)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)模型來逼近、模擬和揭示變形體的變形規(guī)律和動態(tài)特征，為工程設(shè)計(jì)和災(zāi)害防治提供一定的科學(xué)依據(jù)，現(xiàn)將幾種常用沉降預(yù)測方法總結(jié)如下：

回歸分析法：

隨著對變形體沉降變形進(jìn)行多期觀測，獲得大量的觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由于其包含著變形體本身發(fā)生、發(fā)展的變形規(guī)律以及外界環(huán)境對變形的作用因素。我們需要從獲取的數(shù)據(jù)中，通過數(shù)據(jù)處理的方法得到變形體變形的定量規(guī)律或者與外界影響因素之間的定量關(guān)系。

采用回歸分析的方法可以將對數(shù)據(jù)的認(rèn)識提升到定量的層面，該方法屬于研究變量之間相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法，適合于變形體與其他因素相關(guān)的變形預(yù)測，以大量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，找出變量之間的內(nèi)部規(guī)律，即統(tǒng)計(jì)上的回歸關(guān)系[4]。

時(shí)間序列分析法：

相對于回歸分析法，時(shí)間序列分析法可以應(yīng)用于監(jiān)測數(shù)據(jù)是統(tǒng)計(jì)相關(guān)的情況，因?yàn)闊o論是按時(shí)間序列排列的觀測數(shù)據(jù)還是按空間位置順序排列的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間都或多或少的存在著統(tǒng)計(jì)自相關(guān)的現(xiàn)象。

時(shí)間序列分析法是一種動態(tài)的數(shù)據(jù)處理方法，分析觀測資料考慮到時(shí)間順序時(shí)，由于觀測值的非獨(dú)立性，未來觀測值可由已有的觀測數(shù)據(jù)預(yù)測得到，可利用觀測值之間的自相關(guān)性建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來描述變形體的動態(tài)變形特征[1]。

灰色系統(tǒng)預(yù)測法

針對短數(shù)據(jù)序列而言，由于其具有變形信息量少、規(guī)律性不強(qiáng)等特點(diǎn)，使得諸如回歸分析預(yù)測等方法存在較大的預(yù)測難度。

對此，由我國鄧聚龍教授提出的灰色系統(tǒng)理論衍生的預(yù)測方法，對變形監(jiān)測的短數(shù)據(jù)序列建模方面有一定的優(yōu)越性，使用數(shù)據(jù)生成的方法，將原本雜亂的原始數(shù)據(jù)整理成規(guī)律性強(qiáng)的生成數(shù)列，即從原始數(shù)據(jù)中去發(fā)現(xiàn)、尋找數(shù)據(jù)潛藏的內(nèi)在規(guī)律，然后對生成數(shù)列再做研究[5]。

模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法：

針對傳統(tǒng)方法中處理非線性問題時(shí)采用分段線性化的方法這一缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理非線性問題上，具有一定的優(yōu)越性，為非線性系統(tǒng)建模、識別和預(yù)測提供了一個(gè)有效的解決途徑。其基本思想是先用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立變形影響參數(shù)與變形之間的非線性關(guān)系，再將待測點(diǎn)的實(shí)測影響變形的參數(shù)輸入到已建好的網(wǎng)絡(luò)中，即可預(yù)測變形量。

根據(jù)以上對幾種預(yù)測方法的總結(jié)分析，結(jié)合山區(qū)高填方機(jī)場沉降監(jiān)測的特點(diǎn)，綜合考慮沉降變形所受內(nèi)部因素較多，而回歸分析法主要針對變形由外部因素引起的變形預(yù)測分析。時(shí)間序列常常受到長期趨勢、周期波動及不規(guī)則變動等影響，且其只注重監(jiān)測數(shù)據(jù)的擬合，不注重變形數(shù)據(jù)變化規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，所以對山區(qū)高填方機(jī)場沉降進(jìn)行預(yù)測選用這兩種方法都不是很適宜?；疑到y(tǒng)預(yù)測法與模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的結(jié)合使用比較適合于山區(qū)高填方機(jī)場沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，在沉降監(jiān)測初期，由于獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，使用灰色系統(tǒng)預(yù)測法進(jìn)行數(shù)據(jù)生成，一方面進(jìn)行初步沉降預(yù)測，另一方面后期監(jiān)測數(shù)據(jù)也能驗(yàn)證其正確性。在沉降監(jiān)測的中后期，考慮到變形是變形體受多種內(nèi)、外部因素共同作用的結(jié)果，其監(jiān)測數(shù)據(jù)往往具有復(fù)雜的非線性特征，因此選擇人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來對變形體直接建模具有較好的預(yù)測效果。

3 總結(jié)

本文針對沉降變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理基本方法及其預(yù)測方法的總結(jié)分析，提出適用于山區(qū)高填方機(jī)場數(shù)據(jù)處理和預(yù)測的方法，由于目前只在于理論層面的探討，后期還需要根據(jù)已有數(shù)據(jù)對所選擇處理方法進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，才能驗(yàn)證其可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯建國.王騰軍.變形監(jiān)測理論與應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2008.6

[2] 周虎鑫.容建堂. 高填方機(jī)場工程沉降變形監(jiān)測探討[J].機(jī)場工程.2011（4）

[3] 張建旭.沉降監(jiān)測網(wǎng)位移分析的理論與方法研究[D].北京交通大學(xué).2010

[4] 馮國建.高填方數(shù)值模擬及沉降變形預(yù)測研究[D].貴州大學(xué).2006.

[5] 李大軍.pGM（1，1）灰色預(yù)測模型及其應(yīng)用.華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào).2002.25（1）.P40-P43