地表沉降變形監(jiān)測技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

王東波 黃 鶴

(北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044)

地表沉降變形監(jiān)測技術(shù)研究與系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

王東波 黃 鶴

(北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044)

針對某煤礦充填開采地表巖移觀測站的建設(shè)設(shè)計進(jìn)行研究，以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺，設(shè)計開發(fā)了煤礦地表沉降變形數(shù)據(jù)處理與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入、動態(tài)管理、處理分析、查詢、時間變化曲線圖顯示等功能，并通過了實例應(yīng)用，更好地指導(dǎo)了信息化施工。

變形監(jiān)測 數(shù)據(jù)處理 程序 可視化 VB開發(fā)

1 引言

傳統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理主要由人工完成，監(jiān)測報表用Word或Excel手工制作，以簡單的文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。監(jiān)測數(shù)據(jù)處理效率低，數(shù)據(jù)成果反饋不及時，不利于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和監(jiān)測預(yù)報，影響工程決策。同時，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏數(shù)據(jù)庫支持，數(shù)據(jù)查詢和分析速度慢，查詢和分析成果的可視化效果較差，不直觀。

本文研究了沉陷地表變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，并基于此設(shè)計與實現(xiàn)了沉陷地表變形監(jiān)測信息管理與預(yù)警系統(tǒng)，從而充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的作用，指導(dǎo)信息化施工；提升了充填開采的運行管理的技術(shù)水平和應(yīng)急響應(yīng)能力。

2 沉降監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 沉降監(jiān)測流程

首先布設(shè)變形監(jiān)測控制網(wǎng)，分控制網(wǎng)基準(zhǔn)點、工作基點和變形觀測點。控制網(wǎng)基準(zhǔn)點選在變形影響區(qū)域外的穩(wěn)固可靠位置，每個工程至少三個基準(zhǔn)點，基準(zhǔn)點采用強(qiáng)制歸心裝置[1]的觀測墩。工作基點選在穩(wěn)定方便的位置。變形監(jiān)測點設(shè)在能反映監(jiān)測體變形特征的位置或監(jiān)測斷面上。監(jiān)測實施流程如表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)改正、嚴(yán)密平差計算[2]、再通過本期值減去上期值得出本次變化值，本次變化值再加上前面所有變化值之和(即累計變化值)得到本期的位移累計變化值。然后，將位移值除以相應(yīng)的時間得到變形速率，根據(jù)結(jié)果生成時程變化曲線圖和監(jiān)測報表。每次量測后，對量測面內(nèi)的每個監(jiān)測點(線)分別進(jìn)行回歸分析[3]，求出各自精度最高的回歸方程，并進(jìn)行相關(guān)分析和預(yù)測，推算最終位移(應(yīng)力)和掌握位移(應(yīng)力)變化規(guī)律，并由此判斷開采區(qū)域頂面的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

由于Access數(shù)據(jù)庫格式兼容性好，處理速度快，功能完善，易于推廣。根據(jù)本系統(tǒng)需求，本文采用Access數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，能夠有效地滿足本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫的建立、修改、瀏覽等工作上的操作。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要滿足第三范式[4]要求；使用存儲過程和觸發(fā)器來實現(xiàn)用戶自定義的數(shù)據(jù)一致性和完整要求。根據(jù)監(jiān)測項目和系統(tǒng)需要，共建立了9個表，分別是地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)表、高程成果表、高程觀測數(shù)據(jù)表、基準(zhǔn)點平面數(shù)據(jù)表、基準(zhǔn)點信息數(shù)據(jù)表、前方交會法水平位移數(shù)據(jù)表、小角法水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表、支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)表、深層水平位移數(shù)據(jù)表。以高程成果表為例，表2為此表的表結(jié)構(gòu)。

表2 高程成果表的表結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

VB是一種被廣泛使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)軟件，具有良好的用戶體驗界面、自動計算和比較強(qiáng)大的圖形功能，可以輕松地和Access、SQL Server等數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，完成大中型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的開發(fā)。本文選擇Visual Basic 6.0作為本系統(tǒng)的開發(fā)語言。通過數(shù)據(jù)庫引擎(ADO)技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫，使用SQL查詢語句實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的檢索，使用ActiveX控件實現(xiàn)時程變化曲線圖的生成，通過ActiveX技術(shù)調(diào)用Excel軟件實現(xiàn)各類報表的輸出打印。

本系統(tǒng)主要分為監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)入與管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢分析以及成果輸出四個模塊。

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入與管理模塊

在本模塊中能進(jìn)行監(jiān)測基點數(shù)據(jù)、監(jiān)測點初始數(shù)據(jù)和監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)的輸入、修改、刪除及更新處理完畢的變形數(shù)據(jù)，同時可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改和更新。本系統(tǒng)主要包括以下五個基本模塊，即沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測、地下水位監(jiān)測和支撐軸力監(jiān)測。

為解決沉降監(jiān)測中海量數(shù)據(jù)的管理問題，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)采用 MSSQL Server 數(shù)據(jù)庫，以 GSQL作為數(shù)據(jù)庫管理平臺。數(shù)據(jù)庫的建立包括 Excel表格的讀取、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等模塊。經(jīng)過平差處理后的數(shù)據(jù)，檢查合格后，可以將成果進(jìn)行入庫，為后期的變形分析提供正確的數(shù)據(jù)。成果入庫后可以實現(xiàn)成果查詢功能。成果查詢功能主要是方便對數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存放的高程數(shù)據(jù)成果進(jìn)行相關(guān)的查詢和報表輸出工作，可以按照點號查詢該點多期的高程成果，也可以按期數(shù)查詢本期各個沉降監(jiān)測點的高程成果。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊

在本模塊中主要進(jìn)行外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的處理與計算，包括水準(zhǔn)網(wǎng)平差，小角法水平位移計算，前方交會法計算坐標(biāo)，測斜數(shù)據(jù)的計算處理等，以及各監(jiān)測項目的本期變化值、累計變化值和變化速率。

(3)數(shù)據(jù)查詢分析模塊

在本模塊中主要通過調(diào)用監(jiān)測數(shù)據(jù)庫文件，進(jìn)行多種數(shù)據(jù)查詢和比較，包括監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測點累計變化量查詢、同一監(jiān)測項目監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)與累計變化量查詢、報警數(shù)據(jù)查詢等自定義查詢；也可以根據(jù)數(shù)據(jù)生成位移、沉降、應(yīng)力、水位時程變化曲線，能夠直觀地顯示開采區(qū)域頂面變形體的變化狀態(tài)。對同一監(jiān)測項目，圖形分析查詢也可按點號逐一查看或總體查看。同時，還有預(yù)警分析功能，數(shù)據(jù)處理完成后系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)各指標(biāo)是否超限并做出預(yù)警。

(4)成果輸出模塊

本模塊用于輸出查詢所得到的數(shù)據(jù)表和圖形，用戶可根據(jù)需求自定義報表內(nèi)容，系統(tǒng)為查詢結(jié)果提供了多種輸出功能，可以打印，另存為 txt 文件或?qū)С鰹镋xcel 文件。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

4.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理

以沉降監(jiān)測為例，點擊菜單中的“數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理”的下拉菜單的第一項，打開數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理窗口，單擊“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕后即可依次完成沉降外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入和基準(zhǔn)信息數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。再點擊窗口中的“數(shù)據(jù)處理”按鈕就可快速的完成對本期沉降監(jiān)測點號各平差高程的計算。再點擊“平差結(jié)果輸出”按鈕，將本期平差結(jié)果輸出到高程成果表中。點擊“保存”將本期外業(yè)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

4.2 數(shù)據(jù)查詢與圖表分析

以小角法[5、6]水平位移為例，數(shù)據(jù)查詢有多種方法，可以點擊菜單欄中的“查詢與分析”，在下拉菜單中有按點號查詢分析和總體查詢分析。先打開總體查詢窗口，如圖1，就可以瀏覽小角法監(jiān)測項目的所有觀測數(shù)據(jù)與成果；點擊“生成圖表分析”按鈕，自動生成該項目所有監(jiān)測點號的變形時程變化曲線圖，查看各點變形走勢，可以根據(jù)需要點擊窗口中的“打印”按鈕打印變形走勢圖表。還可以點擊“按點號查詢”，打開如圖1的窗口，選擇組合框中的點號或輸入相應(yīng)的點號，點擊“查詢分析”按鈕即可生成。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢還可以根據(jù)需要完成自定義查詢，點擊“成果輸出”菜單選項，選擇相應(yīng)項目，在窗口中選擇相應(yīng)選項，就可在datagrid控件中顯示查詢結(jié)果。

4.3 報表輸出

完成監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后要完成報表輸出，比如日報表，周報表和總結(jié)報表。以沉降監(jiān)測為例，點擊“成果輸出”菜單選項，選擇“沉降監(jiān)測”選項，打開如圖2的窗口，按照報表需求，選擇相應(yīng)的期數(shù)，點擊“查詢導(dǎo)入”按鈕，再點擊“報表輸出”按鈕，即可將所需要打印輸出的報表輸出到相應(yīng)的路徑下，然后在該路徑中打開，進(jìn)行相應(yīng)的編輯和修改。

4.4 預(yù)警查詢

數(shù)據(jù)完成處理后可根據(jù)沉降監(jiān)測等級[7]所相應(yīng)的超限值對監(jiān)測當(dāng)前數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)歷史變化等參數(shù)進(jìn)行紅色預(yù)警顯示，如圖3，同樣可以將報警的點號和數(shù)據(jù)按相應(yīng)格式輸出到Excel中供不同的決策者(監(jiān)測方、業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方)參考，以指導(dǎo)基坑正常施工。

5 系統(tǒng)特點

本文設(shè)計的沉降監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)初步解決了長距離范圍的沉降監(jiān)測及變形預(yù)警問題。可按每百米分段或分區(qū)域監(jiān)測。有以下特點:

(1)監(jiān)測方法簡單，監(jiān)測范圍可以完全覆蓋全部開采區(qū)域，觀測成果直觀。

(2)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本低，主要就是傳統(tǒng)測量所需的埋設(shè)材料及測量儀器。除自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及軟件報警系統(tǒng)外(根據(jù)市場決定，對于任何測量方法，自動化成本為固定成本)，在主體建筑物施工前期做好基準(zhǔn)線固定樁的施工， 那么后期的實施成本是很低的。

(3)根據(jù)測線式自動化測量系統(tǒng)[8]，監(jiān)測監(jiān)測區(qū)域的各條全線堤壩或邊坡的沉降分布情況，

及

時發(fā)現(xiàn)薄弱區(qū)段。

(4)根據(jù)異常報警信息，獲得險情地點、事發(fā)地點距離，以及發(fā)生險情的范圍或決口大概寬度。

(5)分析歷史數(shù)據(jù)獲得建筑物運行情況，以及發(fā)展趨勢，為決策人員提供相關(guān)參考意見。

(6)為年度修繕工作提供日程安排參考意見。

(7)測線式沉降監(jiān)測系統(tǒng)施工簡單，便于推廣，設(shè)備外置，易于維護(hù)

6 結(jié)論

在地下空間日益被開發(fā)利用及沉降監(jiān)測工程中越來越多，而信息化高效化監(jiān)測程度不高的大背景下，本文研究和介紹了地表沉陷變形監(jiān)測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵內(nèi)容和方法。在了解熟悉地表沉降變形監(jiān)測技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上，開發(fā)了沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、查詢及變形分析以及成果輸出整個流程功能，替代了目前的文件管理方法。

沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫為核心進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)各項處理的系統(tǒng)，系統(tǒng)的使用大大縮短了監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的過程，實現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理一體化。利用該程序處理數(shù)據(jù)，既節(jié)省了大量時間，又減少了內(nèi)業(yè)工作量和錯誤出現(xiàn)幾率， 大大提高了效率。系統(tǒng)通過測試，運行良好，通過及時準(zhǔn)確的監(jiān)測信息，給地表沉降監(jiān)測工程提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，提高了監(jiān)測工作效率和監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析水平，減少了災(zāi)害損失。

[1] 岳建平.變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2010.

[2] 武漢大學(xué)測繪院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].湖北武漢：武漢大學(xué)出版社 ,2003.

[3] 欒元重，李靜濤，馬德鵬等.礦山測量[J].2011,15(5):23-25.

[4] 張正祿等.工程測量學(xué)[M].湖北武漢：武漢大學(xué)出版社,2005.

[5] 黃聲享，尹暉，蔣征等.變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M] .湖北武漢：武漢大學(xué)出版社,2007.

[6] 中國冶金礦山企業(yè)協(xié)會. 冶金礦山地質(zhì)技術(shù)管理手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2003.

[7] 李青岳，張正祿等.工程測量學(xué)[M].北京：測繪出版社,1993.

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Research and System Design of Surface Subsidence Deformation Monitoring Technology

WANG Dong-bo,HUANG He

(School of Surveying and Urban Spatial Information, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044,China)

Aiming at a coal mine backfill mining Design and construction of surface rock movement observatory study to Visual Basic 6.0 development platform, design and development of coal mining subsidence ground deformation data processing and early warning systems, to achieve a surface subsidence monitoring data import, dynamic management, processing and analysis, query, time variation curve display functions, and through the example application, to better guide the informationization construction.

deformation monitoring; data processing; procedures; visualization VB development

2016-06-11

P258

B

1007-3000(2016)06-5