沉降觀測數(shù)分析及可視化方法探討

1、沉降觀測數(shù)據(jù)分析及可視化方法探討（文獻(xiàn)綜述）1 前言在測繪工程的實(shí)踐和科學(xué)研究活動(dòng)中， 變形監(jiān)測占有重要的地位。 工程建筑物的興建，從施工開始到竣工，以及建成后整個(gè)運(yùn)營期間都要不斷地監(jiān)測，以便掌握變形的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證工程建筑的安全。如人類開發(fā)自然資源的活動(dòng)會(huì)破壞地殼上部的平衡，造成地面變形，這種變形需要長期監(jiān)測，以便采取措施控制其發(fā)展，保證人類正常的生產(chǎn)和生活。沉降監(jiān)測是預(yù)防和控制沉降有力的手段，為了保證建筑物的正常使用壽命和建筑物的安全性，并為以后的勘察設(shè)計(jì)施工提供可靠的資料及相應(yīng)的沉降參數(shù)，地面沉降監(jiān)測和建筑物沉降觀測的必要性和重要性愈加明顯。沉降觀測是基礎(chǔ)，沉降分析是手段，沉降

2、預(yù)報(bào)是目的，沉降觀測數(shù)據(jù)處理的過程就是進(jìn)行沉降分析和預(yù)報(bào)的過程。科學(xué)、準(zhǔn)確、及時(shí)的分析和預(yù)報(bào)變形情況對工程建筑物的施工運(yùn)營管理極為重要。GIS軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形編輯功能，利用 GIS軟件處理 沉降傳測數(shù)據(jù)為沉降變形數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確高效的處理、預(yù)測分析和可視化提供有效使用的方法和途徑，為決策提供有效支持。2研究現(xiàn)狀目前，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預(yù)報(bào)已越來越受到社會(huì)的普遍關(guān)注，各級政府部門及主管部門對此問題十分重視，諸多學(xué)術(shù)組織，如國際大地測量協(xié)會(huì)（ IAG）,國際測量師聯(lián)合 會(huì)（FIG）,國際巖石力學(xué)協(xié)會(huì)（ISRM、國際礦山測量協(xié)會(huì)（ISM）等等，經(jīng)常定期召開 專業(yè)會(huì)議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和研究對策。

3、經(jīng)過廣大測量科技工作者和工程技術(shù)人員近30 年的共同努力， 在變形監(jiān)測領(lǐng)域取得了豐碩的理論研究成果。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， GIS 軟件的功能也日益強(qiáng)大，將其卓越的數(shù)據(jù)處理和圖像編輯能力應(yīng)用到沉降數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn) 可視化已得到充分重視。2.1 國內(nèi)外現(xiàn)有變形分析模型綜述變形的分析、建模以及科學(xué)的預(yù)測是變形監(jiān)測的重要內(nèi)容。變形分析通常包括變形的幾何分析和物理解釋兩部分。變形的幾何分析是對變形體的形狀和大小作幾何描述，它是通過一定的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析研究處理，最后估計(jì)出變形模型的參數(shù)，其任務(wù)在于描述變形體變形的空間狀態(tài)和時(shí)間特征; 而變形的物理解釋則是由幾何分析得到確定的變形模型，其任

4、務(wù)是確定變形體的變形和變形原因之間的關(guān)系，從而解釋變形的原因。目前，國內(nèi)外進(jìn)行變形分析的方法很多，主要有多元回歸分析方法、時(shí)間序列法、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析法等。（ 1）多元回歸分析方法作為一種傳統(tǒng)的變形分析方法，一直是人們建立變形體變形量與相關(guān)因素之間數(shù)學(xué)關(guān)系的常用方法。在工程建筑物的變形分析中可用于建立位移量與某些相關(guān)因素間的數(shù)學(xué)相關(guān)關(guān)系，建立回歸方程。它是一種靜態(tài)的變形分析方法，它所應(yīng)用的變形觀測數(shù)據(jù)處理是一種靜態(tài)的數(shù)據(jù)處理方法，所建立的模型是一種靜態(tài)模型。多元回歸分析有利于建立變形量與各個(gè)不同影響因子之間的關(guān)系，所建立的荷載一變形之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型能直接的反映出變形體的變

5、形量與影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，是目前比較廣泛的變形成因分析方法。（ 2）時(shí)間序列的變形分析模型。時(shí)間序列分析是20 世紀(jì) 20 年代后期開始出現(xiàn)的一種現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理方法，是系統(tǒng)辨識(shí)與系統(tǒng)分析的重要方法之一，是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)處理方法。時(shí)序分析法作為一種動(dòng)態(tài)分析方法，顧及了變形在時(shí)間上的相互依賴性以及變形的繼續(xù)性，建立的數(shù)學(xué)模型能客觀的反映變形體的變形特征，也有利于作出變形的物理解釋。時(shí)序模型要求時(shí)間序列必須是零均值和平穩(wěn)的，因此其應(yīng)用范圍受到限制。當(dāng)應(yīng)用到非平穩(wěn)時(shí)序時(shí)， 則須進(jìn)行預(yù)處理，而所研究的系統(tǒng)與預(yù)處理有很大關(guān)系，這時(shí)模型不能較好地揭示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)前一般認(rèn)為采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)法或趨勢函數(shù)

6、模型加上時(shí)間序列分析模型的組合建模法較好，前者是把建模作為尋求隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)表達(dá)式的過程來處理，而后者則是將非平穩(wěn)相關(guān)時(shí)序轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時(shí)序，兩者的模型參數(shù)都聚集了系統(tǒng)輸出的特征和狀態(tài)，因此可以對變形進(jìn)行解釋和預(yù)報(bào)。（ 3）灰色系統(tǒng)理論是由我國的鄧聚龍教授在20 世紀(jì) 80 年代提出來的，它是用來解決信息不完備系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法?；疑到y(tǒng)理論是一種非線性時(shí)間序列預(yù)測方法，它研究的是貧信息建模，提供了貧信息情況下解決系統(tǒng)問題的新途徑。它把一切隨機(jī)過程看作是在一定范圍內(nèi)變化的、與時(shí)間有關(guān)的灰色過程，用數(shù)據(jù)生成的方法，將雜亂無章的數(shù)據(jù)整理成規(guī)律性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)后再作研究。隨著灰色理論與其他軟計(jì)算方法的結(jié)合，應(yīng)用的

7、范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。 1995 年黃育平提出用 Fuzzy 規(guī)則進(jìn)一步提高灰色預(yù)測控制的精度， 1997 年，蘇葉慶提出一種灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將GM（1， 1）和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。同時(shí)，翁慶昌提出用基因算法辨識(shí)模糊灰色系統(tǒng)。由于變形體的變形受多種因素的影響，其發(fā)展變化具有模糊性和不確定性，利用灰色系統(tǒng)理論有利于在觀測數(shù)據(jù)樣本不大的情況下，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律生成，建立變形量之間以及變形量與影響因素之間的變形模型，從而反映出變形體的變形規(guī)律。組合預(yù)測模型成為變形分析研究的重要領(lǐng)域，章傳銀、張正祿教授將灰色理論與時(shí)序分析相結(jié)合，建立變形體的動(dòng)態(tài)模型ARM A實(shí)現(xiàn)了分析理論和時(shí)序分析理論的互補(bǔ)，能更好地進(jìn)行變形

8、體的預(yù)測分析。4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種非線性理論發(fā)展迅速。它可以模擬人腦自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)，能適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)特性; 有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，它可以從不完善的數(shù)據(jù)和圖形中通過學(xué)習(xí)做出判斷; 在處理信息復(fù)雜、推理不明確的問題時(shí)，能有獨(dú)特的優(yōu)越性，因此在變形數(shù)據(jù)處理以及分析預(yù)報(bào)方面應(yīng)用很廣泛。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在變形體變形原因復(fù)雜的情況下，通過對變形體的變形量以及影響因素樣本的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，發(fā)掘出變形體的變形量之間，以及各影響因素之間的高度非線性映射關(guān)系，從而反映復(fù)雜變形體變形的內(nèi)在特性。將小波分析與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報(bào)方法，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)相結(jié)合建立工程的變形分析與

9、預(yù)報(bào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)也極具前景。（ 5)小波理論作為多學(xué)科交叉的結(jié)晶在科研和忠誠中被廣為研究與應(yīng)用。小波變換被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”他能從時(shí)頻域的局部信號(hào)中有效地提取信息。利用離散小波變換對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和重構(gòu)，可有效的分離誤差，能更好地反映局部變形特征和整體變形趨勢。與傅立葉變換相似，小波變換能探測周期性的變形。小波的多分辨分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)逼近能力相結(jié)合，建立小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)報(bào)模型，可用于線性和非線性系統(tǒng)的 變形預(yù)報(bào)。2.2 沉降數(shù)據(jù)可視化研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， GIS 逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的建模和決策支持，如城市管理、區(qū)域整治等領(lǐng)域。利用 GIS 可以通過地形的測量數(shù)據(jù)

10、建立數(shù)字高程模型，進(jìn)行地形分 析，從而實(shí)現(xiàn)沉降數(shù)據(jù)的可視化，輔助決策。目前，國內(nèi)外進(jìn)行變形分析可視化的方法很多，主要有基于ArcGIS 平臺(tái)的可視化，基于ArcGIS與ERDAS IMAGINE勺可視化,基于 ArcView平臺(tái)的可視化，應(yīng)用 ActiveX 與 Surfer 的可視化，基于Mapinfo 平臺(tái)的可視化等。(1)基于ArcGIS平臺(tái)的可視化。采用ArcGIS對地面沉降進(jìn)行模擬與三維顯示，能夠 得出更加直觀的三維圖形。將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理之后使其在ArcMa計(jì)加載，并創(chuàng)建TIN,再利用ArcGIS中的ArcScene模塊管理GIS數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維分析、創(chuàng)建三維要素以及建立具有三 維場景屬

11、性的圖層，進(jìn)而進(jìn)行沉降分析。(2)基于ArcGIS與ERDASMAGINE的可視化。ArcGIS作為世界上應(yīng)用最廣泛的 GIS軟件之一，可完成大量矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的管理，并對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、轉(zhuǎn)換和建立拓?fù)潢P(guān)系等。ERDAS IMA GINE不但精于處理柵格數(shù)據(jù)，而且處理矢量數(shù)據(jù)的功能也十分 強(qiáng)大， 特別是與 ArcGIS 數(shù)據(jù)格式的無縫兼容， 可以不經(jīng)轉(zhuǎn)換地讀取、 查詢、 檢索 ArcGIS 生 成的Coverage , Grid , Shapefile , SDE矢量數(shù)據(jù)，非常方便地進(jìn)行跨平臺(tái)數(shù)據(jù)處理 和數(shù)據(jù)交換，并提供了多種動(dòng)態(tài)觀察功能，從而高效快捷地創(chuàng)造一個(gè)虛擬三維真實(shí)世界。在Arc

12、GIS中建立高精度DEM ,采用陸地衛(wèi)星ETMM象制作的正射影像作為三維表面的紋理信息，結(jié)ERDAS IMAGINE好的三維顯示功能，在自定義的投影坐標(biāo)系統(tǒng)下，通過DEM口遙感正射影像的疊加，實(shí)現(xiàn)三維地形可視化。(3)基于ArcView平臺(tái)的可視化。ArcView是美國ESR公司開發(fā)研制白桌面制圖和 GIS次 件，支持多種數(shù)據(jù)格式，除具有操作和管理空間數(shù)據(jù)的一般功能外，還提供強(qiáng)大的核心功能擴(kuò)展。將沉降數(shù)據(jù)引入和創(chuàng)建后，繪制沉降過程線圖和沉降展開線，進(jìn)而生成等沉降線 和立體模型，還可進(jìn)行沉降分析和預(yù)測。(4)應(yīng)用ActiveX與Sufer的可視化。Sufer軟件是Golden公司開發(fā)的，可用來繪

13、制 各類等值線圖，該軟件提供了可嵌入編程的Automation接口 ,通過V獻(xiàn)VB.NE改入式編程實(shí)現(xiàn)在客戶程序界面中快速實(shí)現(xiàn)等值線圖的繪制功能，并結(jié)合AutoCAD Voloview Express顯示圖形的功能，對圖形進(jìn)行實(shí)時(shí)平移和縮放、保存、打印等功能。(5)基于Mapinfo平臺(tái)的可視化。Vertical Mapper提供了等高線、剖面線和立體模 型生成等功能，結(jié)合MapBasic!行模塊化開發(fā)實(shí)現(xiàn)地圖分析和圖形處理功能。其他可視化方法諸如利用 IDL 語言能夠?qū)?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與圖形顯示完美結(jié)合起來的特點(diǎn)進(jìn)行編程，方便快捷地將原始的地面沉降數(shù)據(jù)用二維或三維的圖形顯示出來，并結(jié)合 相關(guān)的

14、計(jì)算分析，得到預(yù)測分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了地面沉降的可視化研究。3結(jié)語隨著變形理論的深入研究與發(fā)展，沉降觀測數(shù)據(jù)的分析方法不只是傳統(tǒng)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法就是對各期的觀測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平差，并在此基礎(chǔ)上采用多元回歸分析法或時(shí)間序列分析法等。而是綜合運(yùn)用多種模型，并對模型之間的結(jié)果進(jìn)行比較，得出最佳分析模型。建筑物的設(shè)計(jì)的復(fù)雜和施工難度的增加對變形監(jiān)測提出了更高的要求，預(yù)報(bào)分析也顯得尤為重要，因此在進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)綜合考慮多種信息，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。GIS具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析能力和圖形編輯功能，為沉降數(shù)據(jù)管理可視化提供了途徑。通過軟件自身功能或嵌入式功能開發(fā)可實(shí)現(xiàn)沉降可視化，直觀展現(xiàn)變形特性，并輔助決策。總之

15、，沉降數(shù)據(jù)分析是工程過程中的重要工作，只有準(zhǔn)確分析沉降數(shù)據(jù)，并借助 GIS 軟件實(shí)現(xiàn)可視化，才可為決策者提供直觀有效的決策依據(jù)，保證工程施工的安全進(jìn)行。參考文獻(xiàn)1 張正祿等 . 工程的變形監(jiān)測分析與預(yù)報(bào)M. 北京：測繪出版社 .2007.11.2尹暉.變形分析與預(yù)報(bào)方法綜述J.東北測繪，2000, 1(23),10-12.3 鄧聚龍 . 灰色系統(tǒng)理論教程 M . 武漢 : 華中理工大學(xué)出版社， 1991.4 文鴻雁等 . 基于小波變形分析模型J. 桂林工學(xué)院學(xué)報(bào). 1999,4(19)， 339-343.5 葉斌 . 變形模型的分析研究以及變形的預(yù)測 D . 上海：同濟(jì)大學(xué)6周衛(wèi).利用ArcV

16、iew實(shí)現(xiàn)地面沉降數(shù)據(jù)的處理和可視化J.南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,4:82-1007 李莉，周美玉. 基于 ArcView 實(shí)現(xiàn)地形可視化 J. 鐵路地理信息系統(tǒng)專集 ,2001,9(2)8 陳永奇，吳子安，吳中如 . 變形監(jiān)測分析與預(yù)報(bào)M . 北京：測繪出版社， 1998.9 周衛(wèi)，基于 MATLAB 的灰色系統(tǒng)沉降預(yù)測J. 測繪通報(bào)， 2002,6:56-5810 文鴻雁，張正祿. 小波分析與傅立葉變換相結(jié)合在探測周期性變形中的應(yīng)用 M . 北京：測繪通報(bào).2004(04):153-157.11成微，岳建平.V瞅入式編程在地面沉降信息處理中的應(yīng)用M.北京：測繪通報(bào)，2009(11):49-51.12徐占華，陳曉玲，李毓湘 .基于ArcGIS與ERDAS IMAGIN的三維地形可視化M.武漢：測繪信息與工 程,2005,30(1),3-4.13 LUO， Z.C., CHEN,Yong-qi, LIU,Y.X. Monitoring the