王漢西，韓紅梅，梁琴琴，韓飛

(1.濟寧市土地綜合整治中心，山東 濟寧 272017；2.山東正元冶達科技發(fā)展有限公司，山東 濟南 250100)

0 引言

濟寧市城區(qū)地面沉降首次發(fā)現(xiàn)于1988年①山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東省濟寧市城區(qū)地面沉降防治勘察報告，1998年。，15個月內(nèi)沉降量最大達到65mm，發(fā)生地面的沉降面積61.7km2,沉降量大于20mm的面積為22.6km2[1]；1992—1997年年沉降量為25.2～47.0mm,相對1992年最大沉降量為147mm，沉降量大于60mm的面積為80km2[2]。

以上兩次的地面沉降監(jiān)測，均是基于傳統(tǒng)的水準測量方法，其成果也是單一的文字報告和圖件，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)智能化對比和分析，從監(jiān)測數(shù)據(jù)轉化為監(jiān)測成果的時間長。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，利用自動化監(jiān)測手段實現(xiàn)地面沉降的遠程監(jiān)測已經(jīng)在上海、北京、天津等地實現(xiàn)。

為做好濟寧市城區(qū)地面沉降監(jiān)測，濟寧市建立了城市基巖標，布設了二等水準及GNSS監(jiān)測網(wǎng)，構成了城區(qū)地面沉降監(jiān)測基礎體系和年度監(jiān)測數(shù)據(jù)。以計算機技術、GIS技術、數(shù)據(jù)庫技術、測量技術、通訊技術等為支撐，對城市地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)進行了設計與開發(fā)，建立了濟寧市地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)自動化接收、數(shù)據(jù)處理與分析、報表生成、預警預報等功能，從而為城市規(guī)劃、工程建設、地下水合理開采、地面沉降預警與防治提供技術支持。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)的需求主要從數(shù)據(jù)展示、分析、預警功能和用戶權限管理等方便提出。

(1)數(shù)據(jù)展示方面。系統(tǒng)建設實現(xiàn)監(jiān)測站在天地圖·濟寧在線正射影像圖和行政區(qū)劃圖上的定位和屬性查詢；支持地下水水位監(jiān)測、空隙水壓力監(jiān)測和位移監(jiān)測的工程數(shù)據(jù)間快切換。

(2)數(shù)據(jù)分析方面。監(jiān)測數(shù)據(jù)支持數(shù)據(jù)的導入和導出，可以根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制數(shù)據(jù)變化曲線，用戶直觀觀測數(shù)據(jù)的變化情況，研究分析水位、孔隙水壓力與各個層位沉降量的關系。同時系統(tǒng)可以生成報表，支持快速生成、預覽和打印。

(3)數(shù)據(jù)預警方面。當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異?？梢詫崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)預警，并將異常信息通過短信平臺發(fā)送給指定的用戶，用戶到現(xiàn)場經(jīng)進一步排查、分析、評估、判斷，決定是否上報決策部門。

(4)用戶權限管理方面。系統(tǒng)實現(xiàn)分級用戶管理，不同權限用戶可以查看的功能和模塊不同，系統(tǒng)管理員可以查詢所有的功能，并可以進行預警閾值的設定，預警接收人員設定，查詢系統(tǒng)使用日志等。

1.2 系統(tǒng)設計原理

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個集GIS技術、計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、傳感器技術等高新技術于一體的綜合系統(tǒng)工程。利用布設在濟寧城區(qū)的主站和輔站的自動化監(jiān)測設備，包括靜力水準儀、孔隙水壓力計、水位觀測設備等獲取地面沉降相關的實時觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉換，并通過CDMA通信模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，經(jīng)計算機解算出不同采樣時間的數(shù)據(jù)。另外，在建成區(qū)范圍內(nèi)沿城市路網(wǎng)布設的32個二等水準點、分布均勻的8個B級GNSS點和布設在兩座基巖標上的A級GNSS點每年兩期的觀測數(shù)據(jù)，導入系統(tǒng)，并對數(shù)據(jù)進行處理與分析，自動生成等高線，結合自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，進而對地面沉降現(xiàn)狀、影響程度和范圍進行分析與評估。

1.3 系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)運行模式采取瀏覽器/服務器(B/S)模式。B/S模式是目前Web應用不斷發(fā)展的一種新的技術架構[3]，定義了客戶機如何與服務器相連以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和應用的共享，并利用臺式機的處理能力將數(shù)據(jù)和應用分布到多個處理機上，大大減輕了服務器的運行負荷。B/S結構的優(yōu)點在于客戶端無須安裝軟件，只要有瀏覽器即可和服務器端數(shù)據(jù)相連，實現(xiàn)共享，降低了成本，提高了系統(tǒng)的交互性、擴展性，保證了數(shù)據(jù)的集中管控和系統(tǒng)安全性。

1.4 系統(tǒng)總體架構

根據(jù)以上系統(tǒng)的需求分析，結合濟寧市城區(qū)地面沉降監(jiān)測現(xiàn)狀，系統(tǒng)采用四層總體架構方式[4](圖1)。

用多媒體展示3組資料： ①全球各國艾滋病人數(shù)比率排行資料；②關于近10年來中國國家衛(wèi)計委關于艾滋病的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(包括每年艾滋病的發(fā)病案例、發(fā)病率及死亡人數(shù))；③2017年最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)(2017年10月艾滋病發(fā)病4485例，死亡1350人)。根據(jù)這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，引導學生說說自己的看法以及如何看待防治艾滋病的緊迫性，自己能為這個社會做點什么？學生交流討論，教師總結并提醒學生日常與艾滋病人握手、擁抱、進餐、蚊蟲叮咬等不會感染艾滋病，艾滋病患者在社會上本來就屬于弱勢群體，在生活上應該拿出自己最大的努力關愛艾滋病病人；強調(diào)HIV的傳播途徑，鼓勵學生向他人宣傳如何預防艾滋病，同時自身要注意健康的生活方式。

圖1 系統(tǒng)總體架構

(1)基礎層?；A層支撐體系是指系統(tǒng)建設的主站和輔站監(jiān)測點以及系統(tǒng)運行所需的軟硬件、網(wǎng)絡以及通信環(huán)境。

(2)數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)提供地理信息空間數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)服務。分實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。以最新的0.05m分辨率正射影像圖作為地圖數(shù)據(jù)，用于各類監(jiān)測站、點的標注；以1988年、1998年的沉降監(jiān)測成果和上期的監(jiān)測數(shù)據(jù)為歷史數(shù)據(jù)。集成空間數(shù)據(jù)、資料圖件和監(jiān)測數(shù)據(jù)，依托數(shù)據(jù)庫管理和GIS技術，按照統(tǒng)一的標準，按照集中與分布建設模式，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，構建地面沉降風險預警預報系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫的組織、管理、維護和更新體系。

(3)服務層。服務層是系統(tǒng)架構中體現(xiàn)核心價值的部分，是對整個系統(tǒng)業(yè)務功能進行后臺實現(xiàn)的過程。服務層在整個系統(tǒng)架構中起著承上啟下的連接作用，對于數(shù)據(jù)層而言，它是調(diào)用者；對于應用層而言，它卻是被調(diào)用者。

服務層調(diào)用數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進行查詢、統(tǒng)計、分析等操作，服務層封裝邏輯層主要業(yè)務功能模塊，提供數(shù)據(jù)服務、地圖服務、組件服務和外部服務。

(4)應用層。應用層位于最外層，是離用戶最近的表現(xiàn)層。為用戶提供系統(tǒng)的應用接口，以及對系統(tǒng)邏輯服務層進行輸出展示的平臺。

2 數(shù)據(jù)庫設計

基于Oracle10.0環(huán)境建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)的形式分為原始監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、沉降量數(shù)據(jù)庫[5]、柵格數(shù)據(jù)庫、表格數(shù)據(jù)庫、文檔數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫[6]。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)包括地下水水位監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、位移監(jiān)測數(shù)據(jù)、水準測量成果數(shù)據(jù)、GNSS測量成果數(shù)據(jù)、監(jiān)測點坐標，以及以上觀測點的位置(坐標)數(shù)據(jù)等6個數(shù)據(jù)集；柵格數(shù)據(jù)有正射影像數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)；表格數(shù)據(jù)有觀測點名表、用戶信息表、儀器設備信息表(水位儀數(shù)據(jù)表、位移數(shù)據(jù)表、壓力儀數(shù)據(jù)表)、閾值設置表、預警報警表等5類；沉降量數(shù)據(jù)庫包括根據(jù)檢測結果自動生成的沉降等值線圖、沉降量柱狀圖、沉降量統(tǒng)計表等；文檔數(shù)據(jù)包括技術文檔、科普文檔、工程資料文檔。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結構見圖2。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結構

3 主要技術支撐

3.1 統(tǒng)一的基礎平臺和應用平臺

考慮到業(yè)務需要，保證數(shù)據(jù)的共享和功能互操作以及平臺需具備良好的可維護性和擴展性，該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的基礎平臺。避免了不必要的系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的轉換、功能的接口、以及系統(tǒng)升級擴展時大量的維護工作量，保證系統(tǒng)的一致性和穩(wěn)定性。

3.2 面向?qū)ο蟮能浖O計思想

面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)技術為當今主流技術。該信息平臺的建設與開發(fā)將采用面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒ā?/p>

3.3 基于關系數(shù)據(jù)庫的空間與非空間數(shù)據(jù)一體化管理

基于關系數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，有效地實現(xiàn)了空間與非空間數(shù)據(jù)關聯(lián)和集成?？臻g數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)都以數(shù)據(jù)表或視圖的形式存貯，采用數(shù)據(jù)庫逆向工程的方法自動提取元數(shù)據(jù)，因此，便于實現(xiàn)基于元數(shù)據(jù)信息資源管理。

3.4 面向服務的軟件架構(SOA)的應用

根據(jù)系統(tǒng)公用性和基礎性的特點，系統(tǒng)軟件架構采用了面向服務的軟件架構SOA(Service-Oriented Architecture)。系統(tǒng)設計與開發(fā)過程中盡可能將系統(tǒng)提供對外服務的應用程序功能封裝和發(fā)布為Web服務(Web Service)，通過服務注冊和服務目錄，向用戶提供Web服務，使系統(tǒng)的功能采用松耦合的方式實現(xiàn)集成，使得平臺提供功能服務具有了可擴展性。

4 系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)開發(fā)使用操作系統(tǒng)為Windows 7及以上版本，開發(fā)編譯環(huán)境為JDK 1.8，編程使用的語言為目前主流開發(fā)語言Java，以及Javascript、HTML、CSS、JSP等。使用的編程工具為Eclipse 3.4。

4.2 系統(tǒng)運行環(huán)境

(1)數(shù)據(jù)服務器硬件配置為CPU：Intel E30及以上型號，硬盤：1TB或更高，可選用磁盤矩陣。RAM存儲器：8GB或更高，以太網(wǎng)卡：100M/1000Mbps Base-T。顯示器：17寸平面直角彩色顯示器。

(2)客戶端硬件配置為CPU：P4/酷睿雙核，主頻2.0G以上，以太網(wǎng)卡：100MB；操作系統(tǒng)為Windows7及以上版本，支持主流瀏覽器查看。

4.3 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)實現(xiàn)了多種工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、儲存、統(tǒng)計分析，以及圖形、報表的生成和輸出、系統(tǒng)設置等功能[7]，包括濟寧城區(qū)地面監(jiān)測主監(jiān)測站和輔助監(jiān)測站的靜力水準儀、孔隙水壓力、水位觀測等自動化觀測設備，以及導入二等水準觀測測量成果、GNSS成果自動生成主城區(qū)等高線。

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測管理系統(tǒng)模塊化功能如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

(1)系統(tǒng)簡介。綜合展示監(jiān)測站、點分布信息，包括監(jiān)測點位置信息、狀態(tài)信息、設備信息及視頻監(jiān)控信息等，為日常管理提供直觀的信息展示窗口。

(2)科普知識。收集國內(nèi)外關于地面沉降的相關資料，按照地面沉降原因、歷史與現(xiàn)狀、影響與危害劃分為3個子模塊，為政府、居民、學生等群體，科普、宣傳地面沉降的誘因和預防的相關知識。

(3)視頻監(jiān)控。通過遠程調(diào)用部署在濟寧城區(qū)主、輔基巖標監(jiān)測站點的視頻監(jiān)控畫面，實時掌握設備的工作畫面，有效監(jiān)控設備運行狀態(tài)。

(4)數(shù)據(jù)傳輸。設有測量數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)2個子模塊。點擊測量數(shù)據(jù)對話框可將平差后的水準測量、GNSS成果數(shù)據(jù)導入；基巖標、分層標監(jiān)測數(shù)據(jù)通過移動無線實時將監(jiān)測的數(shù)值回傳到總控服務端，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，實時展現(xiàn)監(jiān)測站點數(shù)據(jù)傳輸情況。

(5)在線監(jiān)測。按照站點名稱，默認已列表的形式，對站點監(jiān)測的沉降值、孔隙水壓力、水位值進行實時展現(xiàn)。支持圖、表切換，可以查看歷史監(jiān)測曲線(圖4)，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況。

圖4 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

(6)數(shù)據(jù)處理及預警。設定每個監(jiān)測站點沉降值、孔隙水壓力、水位值閾值，當實時監(jiān)測指標超過閾值時，系統(tǒng)自動報警并將信息發(fā)送至管理人員手機。

(7)自動繪制沉降等值線。根據(jù)沿城市路網(wǎng)布設的水準點、GNSS點高程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了前臺上傳離散點高程數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)表格的形式存放到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過生成三角網(wǎng)內(nèi)插高程點等算法，將沉降量相等點自動連成閉合的沉降等值線[5]，生成沉降等值線圖(圖5)。

圖5 沉降等值線圖

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計柱狀圖

(8)統(tǒng)計報表。利用圖、表的形式直觀展示監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計、預警信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)周期變化情況[8]。監(jiān)測周期由專業(yè)技術人員根據(jù)地面沉降統(tǒng)計信息會商后，由系統(tǒng)管理權限者設置。系統(tǒng)可實現(xiàn)日、周、月、季、年監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況對比(圖6)，并且所有數(shù)據(jù)支持導出功能

(9)系統(tǒng)設置。單擊系統(tǒng)設置顯示二級菜單系統(tǒng)用戶、預警人員、預警閥值，并默認彈出系統(tǒng)用戶界面。該功能僅限于管理人員。

5 結語

濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測覆蓋了濟寧城區(qū)180km2,形成了主、輔站實時監(jiān)測、GNSS基準站、高精度水準“三位一體”的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡體系。目前，濟寧城區(qū)地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)已連續(xù)運行了一年多，運行情況良好。該系統(tǒng)為濟寧城區(qū)地面沉降永續(xù)監(jiān)測以及因地面沉降發(fā)生的次生災害防治不斷積累數(shù)據(jù)和提供可靠地技術支撐。需要注意的是，主、輔站GNSS觀測數(shù)據(jù)及各分層標的監(jiān)測數(shù)據(jù)是動態(tài)的，數(shù)據(jù)量大，在正常狀態(tài)下，應科學、合理設置監(jiān)測數(shù)據(jù)有效上傳的周期或頻率，以避免冗余數(shù)據(jù)占用后臺存儲空間，影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總、統(tǒng)計和對比分析。后期應該增加監(jiān)測點的密度，特別是自動化監(jiān)測點需要補充，擴充監(jiān)測范圍。

可以將全市區(qū)范圍內(nèi)的其他水位監(jiān)測數(shù)據(jù)接入，尤其是水源地的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便于綜合分析沉降產(chǎn)生的原因等。