1、沉降觀測數據分析及可視化方法探討（文獻綜述）1 前言在測繪工程的實踐和科學研究活動中， 變形監測占有重要的地位。 工程建筑物的興建，從施工開始到竣工，以及建成后整個運營期間都要不斷地監測，以便掌握變形的情況，及時發現問題，保證工程建筑的安全。如人類開發自然資源的活動會破壞地殼上部的平衡，造成地面變形，這種變形需要長期監測，以便采取措施控制其發展，保證人類正常的生產和生活。沉降監測是預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，并為以后的勘察設計施工提供可靠的資料及相應的沉降參數，地面沉降監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，沉降分析是手段，沉降

2、預報是目的，沉降觀測數據處理的過程就是進行沉降分析和預報的過程。科學、準確、及時的分析和預報變形情況對工程建筑物的施工運營管理極為重要。GIS軟件具有強大的數據處理和圖形編輯功能，利用 GIS軟件處理 沉降傳測數據為沉降變形數據快速、準確高效的處理、預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研究現狀目前，變形監測數據處理與預報已越來越受到社會的普遍關注，各級政府部門及主管部門對此問題十分重視，諸多學術組織，如國際大地測量協會（ IAG）,國際測量師聯合 會（FIG）,國際巖石力學協會（ISRM、國際礦山測量協會（ISM）等等，經常定期召開 專業會議進行學術交流和研究對策。

3、經過廣大測量科技工作者和工程技術人員近30 年的共同努力， 在變形監測領域取得了豐碩的理論研究成果。 隨著計算機技術的飛速發展， GIS 軟件的功能也日益強大，將其卓越的數據處理和圖像編輯能力應用到沉降數據分析來實現 可視化已得到充分重視。2.1 國內外現有變形分析模型綜述變形的分析、建模以及科學的預測是變形監測的重要內容。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，它是通過一定的數據處理方法進行數據的分析研究處理，最后估計出變形模型的參數，其任務在于描述變形體變形的空間狀態和時間特征; 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、務是確定變形體的變形和變形原因之間的關系，從而解釋變形的原因。目前，國內外進行變形分析的方法很多，主要有多元回歸分析方法、時間序列法、灰色系統理論、人工神經網絡、小波分析法等。（ 1）多元回歸分析方法作為一種傳統的變形分析方法，一直是人們建立變形體變形量與相關因素之間數學關系的常用方法。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因素間的數學相關關系，建立回歸方程。它是一種靜態的變形分析方法，它所應用的變形觀測數據處理是一種靜態的數據處理方法，所建立的模型是一種靜態模型。多元回歸分析有利于建立變形量與各個不同影響因子之間的關系，所建立的荷載一變形之間關系的數學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關系，是目前比較廣泛的變形成因分析方法。（ 2）時間序列的變形分析模型。時間序列分析是20 世紀 20 年代后期開始出現的一種現代數據處理方法，是系統辨識與系統分析的重要方法之一，是一種動態的數據處理方法。時序分析法作為一種動態分析方法，顧及了變形在時間上的相互依賴性以及變形的繼續性，建立的數學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。時序模型要求時間序列必須是零均值和平穩的，因此其應用范圍受到限制。當應用到非平穩時序時， 則須進行預處理，而所研究的系統與預處理有很大關系，這時模型不能較好地揭示系統的動態特性。當前一般認為采用動態數據系統法或趨勢函數

6、模型加上時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動態系統表達式的過程來處理，而后者則是將非平穩相關時序轉化為平穩時序，兩者的模型參數都聚集了系統輸出的特征和狀態，因此可以對變形進行解釋和預報。（ 3）灰色系統理論是由我國的鄧聚龍教授在20 世紀 80 年代提出來的，它是用來解決信息不完備系統的數學方法。灰色系統理論是一種非線性時間序列預測方法，它研究的是貧信息建模，提供了貧信息情況下解決系統問題的新途徑。它把一切隨機過程看作是在一定范圍內變化的、與時間有關的灰色過程，用數據生成的方法，將雜亂無章的數據整理成規律性較強的數據后再作研究。隨著灰色理論與其他軟計算方法的結合，應用的

7、范圍進一步擴展。 1995 年黃育平提出用 Fuzzy 規則進一步提高灰色預測控制的精度， 1997 年，蘇葉慶提出一種灰色神經網絡，將GM（1， 1）和神經元網絡結合。同時，翁慶昌提出用基因算法辨識模糊灰色系統。由于變形體的變形受多種因素的影響，其發展變化具有模糊性和不確定性，利用灰色系統理論有利于在觀測數據樣本不大的情況下，通過對數據進行規律生成，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律。組合預測模型成為變形分析研究的重要領域，章傳銀、張正祿教授將灰色理論與時序分析相結合，建立變形體的動態模型ARM A實現了分析理論和時序分析理論的互補，能更好地進行變形

8、體的預測分析。4)人工神經網絡作為一種非線性理論發展迅速。它可以模擬人腦自組織、自學習、自適應，能適應系統復雜多變的動態特性; 有很強的容錯能力，它可以從不完善的數據和圖形中通過學習做出判斷; 在處理信息復雜、推理不明確的問題時，能有獨特的優越性，因此在變形數據處理以及分析預報方面應用很廣泛。利用人工神經網絡可以在變形體變形原因復雜的情況下，通過對變形體的變形量以及影響因素樣本的網絡訓練，發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系，從而反映復雜變形體變形的內在特性。將小波分析與人工神經網絡相結合的小波神經網絡組合預報方法，將人工神經網絡與專家系統相結合建立工程的變形分析與

9、預報的神經網絡專家系統也極具前景。（ 5)小波理論作為多學科交叉的結晶在科研和忠誠中被廣為研究與應用。小波變換被譽為“數學顯微鏡”他能從時頻域的局部信號中有效地提取信息。利用離散小波變換對變形監測數據進行分解和重構，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網絡的學習逼近能力相結合，建立小波神經網絡組合預報模型，可用于線性和非線性系統的 變形預報。2.2 沉降數據可視化研究現狀隨著計算機技術的飛速發展， GIS 逐漸應用于多個領域的建模和決策支持，如城市管理、區域整治等領域。利用 GIS 可以通過地形的測量數據

10、建立數字高程模型，進行地形分 析，從而實現沉降數據的可視化，輔助決策。目前，國內外進行變形分析可視化的方法很多，主要有基于ArcGIS 平臺的可視化，基于ArcGIS與ERDAS IMAGINE勺可視化,基于 ArcView平臺的可視化，應用 ActiveX 與 Surfer 的可視化，基于Mapinfo 平臺的可視化等。(1)基于ArcGIS平臺的可視化。采用ArcGIS對地面沉降進行模擬與三維顯示，能夠 得出更加直觀的三維圖形。將數據進行整理之后使其在ArcMa計加載，并創建TIN,再利用ArcGIS中的ArcScene模塊管理GIS數據，進行三維分析、創建三維要素以及建立具有三 維場景屬

11、性的圖層，進而進行沉降分析。(2)基于ArcGIS與ERDASMAGINE的可視化。ArcGIS作為世界上應用最廣泛的 GIS軟件之一，可完成大量矢量數據、影像數據的管理，并對多種數據進行融合、轉換和建立拓撲關系等。ERDAS IMA GINE不但精于處理柵格數據，而且處理矢量數據的功能也十分 強大， 特別是與 ArcGIS 數據格式的無縫兼容， 可以不經轉換地讀取、 查詢、 檢索 ArcGIS 生 成的Coverage , Grid , Shapefile , SDE矢量數據，非常方便地進行跨平臺數據處理 和數據交換，并提供了多種動態觀察功能，從而高效快捷地創造一個虛擬三維真實世界。在Arc

12、GIS中建立高精度DEM ,采用陸地衛星ETMM象制作的正射影像作為三維表面的紋理信息，結ERDAS IMAGINE好的三維顯示功能，在自定義的投影坐標系統下，通過DEM口遙感正射影像的疊加，實現三維地形可視化。(3)基于ArcView平臺的可視化。ArcView是美國ESR公司開發研制白桌面制圖和 GIS次 件，支持多種數據格式，除具有操作和管理空間數據的一般功能外，還提供強大的核心功能擴展。將沉降數據引入和創建后，繪制沉降過程線圖和沉降展開線，進而生成等沉降線 和立體模型，還可進行沉降分析和預測。(4)應用ActiveX與Sufer的可視化。Sufer軟件是Golden公司開發的，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VB.NE改入式編程實現在客戶程序界面中快速實現等值線圖的繪制功能，并結合AutoCAD Voloview Express顯示圖形的功能，對圖形進行實時平移和縮放、保存、打印等功能。(5)基于Mapinfo平臺的可視化。Vertical Mapper提供了等高線、剖面線和立體模 型生成等功能，結合MapBasic!行模塊化開發實現地圖分析和圖形處理功能。其他可視化方法諸如利用 IDL 語言能夠將強大的數據處理與圖形顯示完美結合起來的特點進行編程，方便快捷地將原始的地面沉降數據用二維或三維的圖形顯示出來，并結合 相關的

14、計算分析，得到預測分析結果，從而實現了地面沉降的可視化研究。3結語隨著變形理論的深入研究與發展，沉降觀測數據的分析方法不只是傳統的變形監測數據處理方法就是對各期的觀測數據分別進行平差，并在此基礎上采用多元回歸分析法或時間序列分析法等。而是綜合運用多種模型，并對模型之間的結果進行比較，得出最佳分析模型。建筑物的設計的復雜和施工難度的增加對變形監測提出了更高的要求，預報分析也顯得尤為重要，因此在進行預報時應綜合考慮多種信息，提高預報的準確性。GIS具有強大數據分析能力和圖形編輯功能，為沉降數據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可實現沉降可視化，直觀展現變形特性，并輔助決策。總之

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

16、iew實現地面沉降數據的處理和可視化J.南京建筑工程學院學報，2001,4:82-1007 李莉，周美玉. 基于 ArcView 實現地形可視化 J. 鐵路地理信息系統專集 ,2001,9(2)8 陳永奇，吳子安，吳中如 . 變形監測分析與預報M . 北京：測繪出版社， 1998.9 周衛，基于 MATLAB 的灰色系統沉降預測J. 測繪通報， 2002,6:56-5810 文鴻雁，張正祿. 小波分析與傅立葉變換相結合在探測周期性變形中的應用 M . 北京：測繪通報.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用M.北京：測繪通報，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