王东波 黄 鹤

(北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 100044)

地表沉降变形监测技术研究与系统设计实现

王东波 黄 鹤

(北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 100044)

针对某煤矿充填开采地表岩移观测站的建设设计进行研究，以Visual Basic 6.0为开发平台，设计开发了煤矿地表沉降变形数据处理与预警系统，实现了地表沉降监测数据导入、动态管理、处理分析、查询、时间变化曲线图显示等功能，并通过了实例应用，更好地指导了信息化施工。

变形监测 数据处理 程序 可视化 VB开发

1 引言

传统监测数据的处理主要由人工完成，监测报表用Word或Excel手工制作，以简单的文档进行数据保存。监测数据处理效率低，数据成果反馈不及时，不利于监测数据的分析和监测预报，影响工程决策。同时，由于监测数据缺乏数据库支持，数据查询和分析速度慢，查询和分析成果的可视化效果较差，不直观。

本文研究了沉陷地表变形监测与数据处理的关键技术，并基于此设计与实现了沉陷地表变形监测信息管理与预警系统，从而充分发挥监测数据的作用，指导信息化施工；提升了充填开采的运行管理的技术水平和应急响应能力。

2 沉降监测关键技术

2.1 沉降监测流程

首先布设变形监测控制网，分控制网基准点、工作基点和变形观测点。控制网基准点选在变形影响区域外的稳固可靠位置，每个工程至少三个基准点，基准点采用强制归心装置[1]的观测墩。工作基点选在稳定方便的位置。变形监测点设在能反映监测体变形特征的位置或监测断面上。监测实施流程如表1。

2.2 数据处理

对监测的原始数据进行数据改正、严密平差计算[2]、再通过本期值减去上期值得出本次变化值，本次变化值再加上前面所有变化值之和(即累计变化值)得到本期的位移累计变化值。然后，将位移值除以相应的时间得到变形速率，根据结果生成时程变化曲线图和监测报表。每次量测后，对量测面内的每个监测点(线)分别进行回归分析[3]，求出各自精度最高的回归方程，并进行相关分析和预测，推算最终位移(应力)和掌握位移(应力)变化规律，并由此判断开采区域顶面的稳定性。

3 系统设计

3.1 数据库设计

由于Access数据库格式兼容性好，处理速度快，功能完善，易于推广。根据本系统需求，本文采用Access数据库管理系统，能够有效地满足本系统在数据库的建立、修改、浏览等工作上的操作。在数据库设计时，数据结构要满足第三范式[4]要求；使用存储过程和触发器来实现用户自定义的数据一致性和完整要求。根据监测项目和系统需要，共建立了9个表，分别是地下水位监测数据表、高程成果表、高程观测数据表、基准点平面数据表、基准点信息数据表、前方交会法水平位移数据表、小角法水平位移监测数据表、支撑轴力监测数据表、深层水平位移数据表。以高程成果表为例，表2为此表的表结构。

表2 高程成果表的表结构

3.2 系统功能模块设计

VB是一种被广泛使用的数据库管理系统开发软件，具有良好的用户体验界面、自动计算和比较强大的图形功能，可以轻松地和Access、SQL Server等数据库结合起来，完成大中型数据库管理系统的开发。本文选择Visual Basic 6.0作为本系统的开发语言。通过数据库引擎(ADO)技术访问数据库，使用SQL查询语句实现对数据库的检索，使用ActiveX控件实现时程变化曲线图的生成，通过ActiveX技术调用Excel软件实现各类报表的输出打印。

本系统主要分为监测数据导入与管理、数据处理、数据查询分析以及成果输出四个模块。

(1)数据导入与管理模块

在本模块中能进行监测基点数据、监测点初始数据和监测点观测数据的输入、修改、删除及更新处理完毕的变形数据，同时可以对数据库进行修改和更新。本系统主要包括以下五个基本模块，即沉降监测、水平位移监测、深层水平位移监测、地下水位监测和支撑轴力监测。

为解决沉降监测中海量数据的管理问题，系统采用数据库技术对数据进行管理。系统采用 MSSQL Server 数据库，以 GSQL作为数据库管理平台。数据库的建立包括 Excel表格的读取、数据管理、数据库查询、数据导出等模块。经过平差处理后的数据，检查合格后，可以将成果进行入库，为后期的变形分析提供正确的数据。成果入库后可以实现成果查询功能。成果查询功能主要是方便对数据库中已经存放的高程数据成果进行相关的查询和报表输出工作，可以按照点号查询该点多期的高程成果，也可以按期数查询本期各个沉降监测点的高程成果。

(2)数据处理模块

在本模块中主要进行外业观测数据的处理与计算，包括水准网平差，小角法水平位移计算，前方交会法计算坐标，测斜数据的计算处理等，以及各监测项目的本期变化值、累计变化值和变化速率。

(3)数据查询分析模块

在本模块中主要通过调用监测数据库文件，进行多种数据查询和比较，包括监测点观测数据查询、监测点累计变化量查询、同一监测项目监测点观测数据与累计变化量查询、报警数据查询等自定义查询；也可以根据数据生成位移、沉降、应力、水位时程变化曲线，能够直观地显示开采区域顶面变形体的变化状态。对同一监测项目，图形分析查询也可按点号逐一查看或总体查看。同时，还有预警分析功能，数据处理完成后系统判断数据各指标是否超限并做出预警。

(4)成果输出模块

本模块用于输出查询所得到的数据表和图形，用户可根据需求自定义报表内容，系统为查询结果提供了多种输出功能，可以打印，另存为 txt 文件或导出为Excel 文件。

4 系统应用实例

4.1 数据导入与处理

以沉降监测为例，点击菜单中的“数据导入与处理”的下拉菜单的第一项，打开数据导入与处理窗口，单击“导入数据”按钮后即可依次完成沉降外业观测数据的批量导入和基准信息数据的导入。再点击窗口中的“数据处理”按钮就可快速的完成对本期沉降监测点号各平差高程的计算。再点击“平差结果输出”按钮，将本期平差结果输出到高程成果表中。点击“保存”将本期外业数据保存到数据库中。

4.2 数据查询与图表分析

以小角法[5、6]水平位移为例，数据查询有多种方法，可以点击菜单栏中的“查询与分析”，在下拉菜单中有按点号查询分析和总体查询分析。先打开总体查询窗口，如图1，就可以浏览小角法监测项目的所有观测数据与成果；点击“生成图表分析”按钮，自动生成该项目所有监测点号的变形时程变化曲线图，查看各点变形走势，可以根据需要点击窗口中的“打印”按钮打印变形走势图表。还可以点击“按点号查询”，打开如图1的窗口，选择组合框中的点号或输入相应的点号，点击“查询分析”按钮即可生成。

对数据进行查询还可以根据需要完成自定义查询，点击“成果输出”菜单选项，选择相应项目，在窗口中选择相应选项，就可在datagrid控件中显示查询结果。

4.3 报表输出

完成监测数据处理后要完成报表输出，比如日报表，周报表和总结报表。以沉降监测为例，点击“成果输出”菜单选项，选择“沉降监测”选项，打开如图2的窗口，按照报表需求，选择相应的期数，点击“查询导入”按钮，再点击“报表输出”按钮，即可将所需要打印输出的报表输出到相应的路径下，然后在该路径中打开，进行相应的编辑和修改。

4.4 预警查询

数据完成处理后可根据沉降监测等级[7]所相应的超限值对监测当前数据及数据历史变化等参数进行红色预警显示，如图3，同样可以将报警的点号和数据按相应格式输出到Excel中供不同的决策者(监测方、业主方、施工方、监理方)参考，以指导基坑正常施工。

5 系统特点

本文设计的沉降监测及预警系统初步解决了长距离范围的沉降监测及变形预警问题。可按每百米分段或分区域监测。有以下特点:

(1)监测方法简单，监测范围可以完全覆盖全部开采区域，观测成果直观。

(2)系统基础设施建设成本低，主要就是传统测量所需的埋设材料及测量仪器。除自动化数据处理系统及软件报警系统外(根据市场决定，对于任何测量方法，自动化成本为固定成本)，在主体建筑物施工前期做好基准线固定桩的施工， 那么后期的实施成本是很低的。

(3)根据测线式自动化测量系统[8]，监测监测区域的各条全线堤坝或边坡的沉降分布情况，

及

时发现薄弱区段。

(4)根据异常报警信息，获得险情地点、事发地点距离，以及发生险情的范围或决口大概宽度。

(5)分析历史数据获得建筑物运行情况，以及发展趋势，为决策人员提供相关参考意见。

(6)为年度修缮工作提供日程安排参考意见。

(7)测线式沉降监测系统施工简单，便于推广，设备外置，易于维护

6 结论

在地下空间日益被开发利用及沉降监测工程中越来越多，而信息化高效化监测程度不高的大背景下，本文研究和介绍了地表沉陷变形监测技术及数据处理的关键内容和方法。在了解熟悉地表沉降变形监测技术及数据处理流程的基础上，开发了沉降监测数据处理与预警系统，实现了从数据导入、数据处理、查询及变形分析以及成果输出整个流程功能，替代了目前的文件管理方法。

沉降监测数据管理与分析系统是以数据库为核心进行监测数据各项处理的系统，系统的使用大大缩短了监测数据处理的过程，实现了内外业数据处理一体化。利用该程序处理数据，既节省了大量时间，又减少了内业工作量和错误出现几率， 大大提高了效率。系统通过测试，运行良好，通过及时准确的监测信息，给地表沉降监测工程提供了强有力的数据支持，提高了监测工作效率和监测数据管理分析水平，减少了灾害损失。

[1] 岳建平.变形监测技术与应用[M].北京：国防工业出版社, 2010.

[2] 武汉大学测绘院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].湖北武汉：武汉大学出版社 ,2003.

[3] 栾元重，李静涛，马德鹏等.矿山测量[J].2011,15(5):23-25.

[4] 张正禄等.工程测量学[M].湖北武汉：武汉大学出版社,2005.

[5] 黄声享，尹晖，蒋征等.变形监测数据处理[M] .湖北武汉：武汉大学出版社,2007.

[6] 中国冶金矿山企业协会. 冶金矿山地质技术管理手册[M].北京：冶金工业出版社, 2003.

[7] 李青岳，张正禄等.工程测量学[M].北京：测绘出版社,1993.

[8] 张军荣,周 丹. 测线式沉降监测及预警系统设计[J].山西建筑，2014(35):223-224.

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