崔芳姿，吳 斌，史學(xué)磊，范振林，任 濤

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051）

對于地質(zhì)災(zāi)害防治來說,監(jiān)測并不是目的,通過大量監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測災(zāi)害變形趨勢乃至預(yù)報災(zāi)害發(fā)生的時間,提前做出決策,做到防患于未然才是監(jiān)測的最終目標(biāo)。換句話說,即使是建立了先進有效的監(jiān)測系統(tǒng),取得了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù),而不具備對數(shù)據(jù)的綜合分析和對災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報能力,災(zāi)難同樣可能發(fā)生[1-3]。因此,如何結(jié)合災(zāi)體分析監(jiān)測數(shù)據(jù),預(yù)測災(zāi)害變形趨勢,預(yù)報其失穩(wěn)時間并提出合理的對策措施,是監(jiān)測預(yù)警的核心內(nèi)容[4-6]。

由于地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性,其預(yù)測預(yù)報技術(shù)是一項世界性的技術(shù)難題。盡管各種各樣的預(yù)報理論、模型不斷涌現(xiàn),但應(yīng)用成功的實例極為少見。預(yù)報成功的例證基本上是在連續(xù)監(jiān)測,并對各種地質(zhì)現(xiàn)象進行綜合分析的基礎(chǔ)上做出的,其成功率取決于技術(shù)人員對地質(zhì)災(zāi)害的認識水平、經(jīng)驗和態(tài)度,具有很大的不確定性。另外,地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)存在誤差以及由數(shù)據(jù)傳輸或設(shè)備問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失,而國內(nèi)外大多地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)沒有對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理[7-9]。因此,研究和提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析（特別是與致災(zāi)地質(zhì)作用的結(jié)合分析）和預(yù)測預(yù)報能力是十分必要的,也是極為緊迫的[10-11]。

本文提出了一套地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理與分析技術(shù),并設(shè)計了地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng)?；跀?shù)據(jù)庫提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)服務(wù),結(jié)合巫山縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范站地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)信息和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù),本文建立了一套統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,實現(xiàn)了災(zāi)害點、監(jiān)測點、監(jiān)測設(shè)備管理的數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù),并通過該服務(wù)建立和完善了監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析方法和預(yù)警預(yù)報方法,進一步提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息的綜合處理能力,為地質(zhì)監(jiān)測管理決策人員提供輔助支持,保障地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作順利進行。

1 數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)綜述

數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)構(gòu)建于統(tǒng)一的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)之上,基于統(tǒng)一的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù),首先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫,并對數(shù)據(jù)和統(tǒng)計量進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、相關(guān)性分析、異常值剔除、數(shù)據(jù)等距化、數(shù)據(jù)平滑等一系列處理；再繪制位移矢量圖、位移/速率-時間曲線,并利用切線角法進行預(yù)警預(yù)報,如圖1所示。數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)能進一步提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息的綜合處理能力,為地質(zhì)監(jiān)測管理決策人員提供輔助支持。

圖1 數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)流程圖

基于數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù),本文設(shè)計了一套地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng),如圖2所示,采用B/S技術(shù)架構(gòu),支持IE、360、Google Chrome等瀏覽器,總體包括數(shù)據(jù)采集層、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)管理、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)以及數(shù)據(jù)交換等部分,還包括安全保障體系、維護支撐體系、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等外圍支持。系統(tǒng)基于巫山縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范站的地質(zhì)災(zāi)害信息,通過采集巫山縣地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警示范站地質(zhì)災(zāi)害業(yè)務(wù)信息和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建統(tǒng)一的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫；利用數(shù)據(jù)庫提供的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)服務(wù),構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng),為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)提供應(yīng)用服務(wù)；通過數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交換,為其他政務(wù)系統(tǒng)提供各類信息服務(wù)。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理包括異常數(shù)據(jù)剔除、差補與平滑等內(nèi)容。

2.1.1 異常數(shù)據(jù)剔除

在科學(xué)研究實驗中,經(jīng)常會出現(xiàn)因儀器故障或讀數(shù)錯誤而出現(xiàn)的誤差。對于大量數(shù)據(jù)可疑值的判別,常用的統(tǒng)計判別方法為拉依達檢驗（3σ準(zhǔn)則）。該準(zhǔn)則是以99.73%的置信度,根據(jù)隨機誤差正態(tài)分布理論判斷是否存在可疑值。若|xi-x|＞3σ,則應(yīng)舍去xi,否則應(yīng)保留xi；可用max(abs(xi-mean(xi)))≥3std(xi)條件是否滿足來實現(xiàn),其中abs()是絕對值函數(shù),max()是最大值函數(shù),std()是標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)等距化（差補）

由于儀器數(shù)據(jù)有時存在缺失或兩端數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)間隔不同,不方便進行數(shù)據(jù)分析,需對數(shù)據(jù)進行等距化,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為間隔相等的數(shù)據(jù)。

本文采用三次樣條插值法進行等距化處理,即對數(shù)據(jù)進行樣條函數(shù)曲線擬合得到一條曲線,再由擬合后的曲線計算得出其他任意時刻的值。設(shè)有兩個傳感器A和B,分別以不同的頻率對目標(biāo)進行采樣測量,各傳感器可均勻采樣,也可非均勻采樣。每個傳感器在采樣時刻ti的測量值記為(ti,yi),其中yi為向量,這樣每個傳感器均可得到一組測量值。由于傳感器的采樣周期不同,各傳感器獲得數(shù)據(jù)的時間值不盡相同,若直接進行融合,則可能會因時間差而使融合結(jié)果失去意義,反而不如單個傳感器的融合精度高,因此在進行數(shù)據(jù)融合前,必須將不同時刻的測量數(shù)據(jù)對準(zhǔn)到同一時間點上。

設(shè)傳感器A在某一時間段[a,b]內(nèi)對目標(biāo)進行了n+1次測量,將整個時間區(qū)間按采樣時刻劃分為a=t0＜t1＜…＜tn=b,給定的時刻點ti對應(yīng)的觀測值為f(ti)=yi,i=0,1,…,n,構(gòu)造一個三次樣條插值函數(shù)s(x),使其滿足下列條件:①s(ti)=yi,i=0,1,…,n；②s(x)在每個小區(qū)間[ti,ti+1]上是一個三次多項式,i=0,1,…,n-1；③s(x)在[a,b]上具有二階連續(xù)導(dǎo)數(shù)。

基于最小二乘法的樣條函數(shù)擬合是在樣條函數(shù)空間內(nèi)找出f(t)關(guān)于范數(shù)的最佳逼近,即找到s*(t),使

三次樣條插值函數(shù)的構(gòu)造過程為:記mi=s'(ti),i=0,1,2,…,n在每個小區(qū)間[ti,ti+1],i=0,1,2,…,n-1上,利用Hermite插值公式寫出三次樣條插值函數(shù)的計算公式,即

利用s"(ti-)=s"(ti+),i=0,1,2,…,n-1,并附加邊界條件s"(t0)=s"(tn)=0,可得方程組:

式中,a0=1；

方程組系數(shù)矩陣為三角矩陣,其行列式不為0,所有方程組的解存在且唯一, 對方程組求解,即可得到遞推公式:

利用公式求出ai、bi,i=1,2,…,n,令mn+1=0,求出mn、mn-1、…、m0,將參數(shù)ti、yi、mi,i=1,2,…,n代入s(x)中即可求得三次樣條插值函數(shù)。

經(jīng)過樣條插值擬合,可以得到一條平滑曲線,從而由其求得傳感器在任意時刻的值；再與其他傳感器進行時間對準(zhǔn),根據(jù)采樣時刻,從該條曲線中取出相應(yīng)時刻的測量值。

2.1.3 數(shù)據(jù)平滑

儀器觀測數(shù)據(jù)存在隨機誤差（波動）,數(shù)據(jù)趨勢分析時需摒棄誤差,找到數(shù)據(jù)真正的變化趨勢,因此需進行數(shù)據(jù)平滑處理。對于數(shù)據(jù)長度較小的數(shù)據(jù),采用整體平滑處理,即三階一般多項式擬合平滑方法；對于長期監(jiān)測數(shù)據(jù),則采用窗口的移動方法,分時段進行平滑處理。

對于給定的一組數(shù)據(jù)(xi,yi),i=0,1,…,m要求在函數(shù)類ψ={ψ0,ψ1,…,ψn}中找一個函數(shù)y=S*(x),使誤差平方和最小,即

式中,S(x)=a0ψ0+a1ψ1+…+anψn,n＜m。

這就是一般的最小二乘逼近,即曲線擬合的最小二乘法。為了使問題的提法更有一般性,通常把最小二乘中的考慮為加權(quán)平方和,即

這里w(x)≥0為[a,b]上的權(quán)函數(shù),表示不同點(xi,f(xi))處的數(shù)據(jù)比重。利用最小二乘法求擬合曲線的問題,就是在S(x)中求函數(shù)y=S*(xi),使式（6）取得最小。將其轉(zhuǎn)化為求多元函數(shù)I(a0,a1,…,an)=問題。根據(jù)多元函數(shù)極值的必要條件,則有:

若記

則可改寫為:

將其寫成矩陣Ga=d,其中a=(a0,a1,…,an)T,d=(d0,d1,…,dn)T,則有:

由于ψ0,ψ1,…,ψn線性無關(guān),因此|G|≠0,式（6）存在唯一解,ak=ak*,k=0,1,…,n,從而得到函數(shù)f(x)的最小二乘解為:

可以證明這樣得到的S*(x),對任何形如式（1）的S(x),均有:

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析

2.2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析可用來驗證兩個變量間的線性關(guān)系,通過相關(guān)系數(shù)可反映兩個變量是否呈線性關(guān)系、線性關(guān)系強弱以及是正相關(guān)還是負相關(guān)。最簡單最常用的相關(guān)系數(shù)計算方法為積差法,即利用兩個變量的協(xié)方差與二者標(biāo)準(zhǔn)差的乘積之比來表示,計算公式為:

相關(guān)性系數(shù)介于-l～1之間,若r接近0,則兩個變量沒有線性關(guān)系；若r接近-l或1,則說明兩個變量線性相關(guān)性很強；r為正,表示正相關(guān),r為負,表示負相關(guān)。

2.2.2 變形趨勢分析

數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)不僅針對原始監(jiān)測數(shù)據(jù),還針對原始數(shù)據(jù)的統(tǒng)計量。各個統(tǒng)計量的計算規(guī)則為:累計變形量,即當(dāng)前值-初始值；平均變形速率,即（當(dāng)前值-初始值）/月；上半年變形增量,即當(dāng)前值-上半年初始值；上半年變形速率,即上半年變形增量/6；上半年數(shù)據(jù)中誤差,即sqrt(((dx12+dx22…)-(dx1+dx2)2/n)/(n-1))；變形方向,即dx累計變形量和dy累計變形量計算。

2.3 預(yù)警預(yù)報方法

2.3.1 變形趨勢預(yù)測方法

位移矢量圖（平面圖）反映了變形監(jiān)測點隨時間在空間上的變化情況,主要表示變形量和變形方向,即二維空間上的x方向累計變形和y方向累計變形,能直觀顯示滑坡整體的變形態(tài)勢。

2.3.2 切線角法

對于某個滑坡來說,等速變形階段的位移速率v為一個恒定值,則可通過累計位移S/v的辦法將S-t曲線的縱坐標(biāo)變換為與橫坐標(biāo)相同的時間量綱。定義S(i)為某一單位時間段（一般采用一個監(jiān)測周期,如1 天、1 周等）內(nèi)的斜坡累計位移量,v為等速變形階段的位移速率,T(i)為變換后與時間相同量綱的縱坐標(biāo)值。

由T-t曲線（圖3）可得到改進的切線角的表達式為:

圖3 滑坡位移/速率—時間曲線

3 實例開發(fā)應(yīng)用

本文基于數(shù)據(jù)綜合處理與分析技術(shù)設(shè)計了一套地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng),主要包括基礎(chǔ)地理信息模塊、地災(zāi)監(jiān)測信息“一張圖”模塊、災(zāi)害信息管理模塊、地災(zāi)專業(yè)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)綜合處理與分析模塊和系統(tǒng)維護管理模塊,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

通過綜合處理與分析服務(wù)可以判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)是否可靠,調(diào)整監(jiān)測重心,預(yù)測邊坡的失穩(wěn)時間,掌握宏觀變形特征,判斷所處變形階段和穩(wěn)定性現(xiàn)狀,進而研判未來一段時間的地質(zhì)災(zāi)害變形發(fā)展趨勢。

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法應(yīng)用。將斜坡變形演化階段應(yīng)變（位移）—時間曲線的三階段過程視為滑坡預(yù)測預(yù)報的基本標(biāo)準(zhǔn):第I階段為初始變形階段,又稱減速變形階段,巖土體變形以減速發(fā)展,變形曲線斜率逐漸減??；第Ⅱ階段為等速變形階段,又稱穩(wěn)定變形階段,巖土體變形大致以等速發(fā)展,變形曲線近似一條傾斜直線,應(yīng)變速率大體不變；第Ⅲ階段為加速變形階段,巖土體變形速率迅速增加,至巖土體破壞。

通過異常數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)等距化與數(shù)據(jù)平滑等預(yù)處理,提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性,形成了多參數(shù)歷史曲線圖。當(dāng)坡體已進入加速蠕變階段和臨滑階段時,可根據(jù)多參數(shù)歷史曲線圖上位移隨時間增長速率的變化來預(yù)測邊坡的失穩(wěn)時間。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析方法應(yīng)用。通過變形趨勢分析可統(tǒng)計監(jiān)測運行以來各監(jiān)測點的累計水平位移量、累計垂直位移量、累計水平變形速率、累計垂直變形速率、上半年度水平位移增量、上半年度垂直位移增量、上半年度水平變形速率、上半年度垂直變形速率、上半年度水平位移中誤差、上半年度垂直位移中誤差和變形方向。

利用滑坡變形量和變形速度能調(diào)整滑坡監(jiān)測頻次。對于多年監(jiān)測緩慢變形或基本不變形的災(zāi)害點應(yīng)降低專業(yè)監(jiān)測頻次甚至改為群測群防監(jiān)測,以減少監(jiān)測工作投入和數(shù)據(jù)處理與分析的工作量。通過變形方向可以判斷各監(jiān)測點的變形方向與主滑方向是否一致。將中誤差與技術(shù)規(guī)范中要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差進行對比分析,實測誤差是否在容許范圍之內(nèi),以判斷數(shù)據(jù)的可靠性。

3）預(yù)警預(yù)報方法應(yīng)用。位移矢量圖可反映各監(jiān)測點的變形量、變形方向、變形發(fā)生部位,各監(jiān)測點上變形差異,屬于整體變形還是局部變形以及宏觀變形特征等。通過曲線可判斷各監(jiān)測點變形的主要發(fā)生時間；綜合變形特征與宏觀巡查分析,可判斷所處變形階段和穩(wěn)定性現(xiàn)狀,從而研判未來一段時間的地質(zhì)災(zāi)害變形發(fā)展趨勢。

當(dāng)切線角α≤45°時,斜坡變形處于等速變形階段,進行藍色預(yù)警；當(dāng)切線角45°＜α＜80°時,斜坡變形進入初加速變形階段,進行黃色預(yù)警；當(dāng)切線角80°≤α＜85°時,斜坡變形進入中加速變形階段,進行橙色預(yù)警；當(dāng)切線角α≥85°時,斜坡變形進入加加速變形（臨滑）階段,進行紅色預(yù)警；當(dāng)切線角α≈89°時,滑坡進入臨滑狀態(tài),應(yīng)發(fā)布臨滑警報,如表1所示。

表1 滑坡變形預(yù)警級別劃分

4 結(jié) 語

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù)是地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵,通過異常值剔除、數(shù)據(jù)等距化、平滑、繪制位移—時間曲線等處理,能大大提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的可用性,提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息的綜合處理能力。通過數(shù)據(jù)綜合處理與分析服務(wù),建立和完善監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析方法以及預(yù)警預(yù)報方法,結(jié)合變形特征判斷所處的變形階段和穩(wěn)定性現(xiàn)狀,進而研判未來一段時間的地質(zhì)災(zāi)害變形發(fā)展趨勢。利用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法、綜合分析方法和預(yù)警模型解決了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作中的數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)質(zhì)量差、預(yù)警模型缺失等問題,為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作和防災(zāi)減災(zāi)工作提供了技術(shù)支撐,對于防治決策服務(wù)成功實施和地質(zhì)調(diào)查工作順利進行具有重要意義。