基于離散沉降觀測的城市地面沉降監(jiān)測

井 研，胡慶武，艾明耀，宋曉光

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430030）

基于離散沉降觀測的城市地面沉降監(jiān)測

井 研1，胡慶武1，艾明耀1，宋曉光1

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430030）

由于離散觀測點沉降數(shù)據(jù)無法全面反映城市沉降狀況，探討了利用大量離散觀測點沉降觀測數(shù)據(jù)進行城市地面沉降監(jiān)測的方法。設計了利用大量沉降觀測數(shù)據(jù)進行空間插值計算的城市地面沉降監(jiān)測技術(shù)流程；提出了基于交叉驗證的城市地面沉降空間內(nèi)插模型的選取方法；并以某縣級市為例，利用該方法對城市地面沉降進行了計算和可視化。結(jié)果表明，該方法有效可行，操作性高，具有廣泛的應用前景。

地面沉降；監(jiān)測；空間插值；交叉驗證；等值線

目前，在我國19個省份中有超過50個城市發(fā)生了不同程度的地面沉降，累計沉降量超過200 mm的總面積超過7.9萬km2。地面沉降的重災區(qū)主要是長江三角洲地區(qū)、華北平原和汾渭盆地，其中長江三角洲地區(qū)近30 a累計沉降超過200 mm的面積近1萬km2，占區(qū)域總面積的1/3。地面沉降不但會使水患加劇，引起其他地質(zhì)災害，而且對社會的穩(wěn)定發(fā)展與國民財產(chǎn)安全存在巨大威脅[1-2]。為了有效控制城市地面沉降和減少沉降造成的影響，城市規(guī)劃、地質(zhì)等管理部門需要了解和掌握城市地面沉降情況，同時為城市規(guī)劃和建設發(fā)展提供重要的科學依據(jù)。

現(xiàn)今國內(nèi)的監(jiān)測手段主要有水準測量、三角高程測量、數(shù)字攝影測量、InSAR、GPS、監(jiān)測標、地下水動態(tài)監(jiān)測等，但數(shù)字攝影測量、InSAR等大面積區(qū)域監(jiān)測手段觀測技術(shù)相對不夠成熟，成本也高，因此很多部門在城市監(jiān)測中還是以使用水準測量、GPS等單點測量為主，獲取離散觀測點沉降數(shù)據(jù)。由于觀測站點個數(shù)受到限制，獲取的觀測資料只能反映局部沉降監(jiān)測信息，無法從整體上對觀測區(qū)進行監(jiān)測。為了彌補這一不足，近年來，Kriging法等空間插值方法在城市地面沉降觀測中得到較多應用，但由于不同的空間插值方法具有各自的特點，且沉降情況的時空變異較大，導致不同空間插值方法在不同實驗區(qū)中表現(xiàn)出不同的適用性，故選擇適當?shù)目臻g插值方法進行格網(wǎng)化是離散沉降觀測地面監(jiān)測的關(guān)鍵。本文設計了利用大量離散沉降觀測數(shù)據(jù)進行城市地面沉降空間內(nèi)插計算的流程，并提出了基于交叉驗證的城市地面沉降空間內(nèi)插模型的選擇方法。最后，以某縣級市為例，采用該方法對城市地面沉降進行計算和可視化。

1 基于空間插值的城市沉降監(jiān)測方法

在城市沉降監(jiān)測中，常用的單點測量手段獲取的單站觀測數(shù)據(jù)是離散的、單一的、不能反映整個城市的沉降情況，為此，針對獲取的離散觀測數(shù)據(jù)，本文基于空間插值方法實現(xiàn)覆蓋整個城市的沉降計算，并選擇沉降等值線作為反映整個城市沉降變化情況的可視化方式。目前存在多種空間插值方法，每一種方法都有各自的優(yōu)缺點，且不同實驗區(qū)沉降情況的時空變異較大，致使不同空間插值方法在不同的實驗區(qū)表現(xiàn)出不同的適用性，因此，本文提出的空間插值城市沉降計算和監(jiān)測方法的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 空間插值城市沉降監(jiān)測方法技術(shù)流程圖

首先采用不同空間插值方法，對某一年份離散的沉降點高程記錄數(shù)據(jù)進行插值網(wǎng)格化，并通過插值驗證方法獲得該實驗區(qū)的最宜插值方法；然后運用該插值方法對兩個不同年份的高程記錄數(shù)據(jù)進行插值網(wǎng)格化、差值運算，得到城市地面年度沉降圖；最后利用年度沉降圖生成沉降等值線專題圖，為城市地面沉降預測、預防和應急提供直觀的數(shù)據(jù)。

2 空間插值模型及交叉驗證

IDW法、Kriging和樣條函數(shù)為3種常見的空間插值方法[3]。對于不同的觀測點分布、不同的地形環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)量，它們插值計算的結(jié)果在一定范圍內(nèi)存在差異。本文將空間插值計算結(jié)果與實測點位沉降觀測數(shù)據(jù)進行對比交叉驗證，從而選取最適宜的空間插值方法。

2.1 3種空間插值模型及比較

IDW插值把估算值和實測點間的距離作為權(quán)重因子，權(quán)重值為距離反比[4-5]，公式為：

式中，zi為估算點的數(shù)值；Z0為插值要素在第i點的實測值；n為參與插值計算的實測點數(shù)量；λi為各采樣點權(quán)重，其計算公式為：

式中，di0-p是第i個預測點和各已知采樣點的距離；p為冪指數(shù)，一般取值在0.5～3。隨著冪值的增大，內(nèi)插值將逐漸接近最近采樣點的值。

Kriging插值是通過一組具有z值的分散點生成估計表面的高級地統(tǒng)計過程[6-7]。其假定采樣點之間的距離或方向可用于說明表面變化的空間相關(guān)性。ArcGIS提供的Kriging法工具可將數(shù)學函數(shù)與指定數(shù)量點或指定半徑內(nèi)的所有點進行擬合，以確定每個位置的輸出值。

樣條函數(shù)插值是通過控制估計方差，利用一些特征節(jié)點，用多項式擬合的方法來產(chǎn)生平滑的插值曲線[8-10]，公式為：

式中，Z為待估計高程柵格值；di為插值點到第i個觀測站點的距離；a+bx+cy為高程的局部趨勢函數(shù)，x、y為插值點的地理坐標；為一個基礎函數(shù)，通過它可以獲得最小化表面的曲率；Ai、a、b和c為方程系數(shù)；n為用于插值的觀測站點的數(shù)目。

在城市地面沉降插值計算時，3種空間插值模型的特點如表1所示。

表1 3種空間插值模型比較

2.2 空間插值交叉驗證

如圖2所示，首先假定某些觀測點高程值未知，通過周圍站點實測值插值來估算，然后計算驗證站點的實測值與估算值之間的誤差值。被估算高程值的站點稱為驗證站點，用于插值的站點稱為采樣站點。產(chǎn)生這種誤差有兩方面原因：插值算法的準確性和參與插值的站點的疏密程度[11-12]。雖然完全區(qū)分兩種原因造成的誤差十分困難，但對不同的插值方法，交叉驗證仍可準確驗證不同插值方法之間的相對精度。

圖2 交叉驗證流程圖

本文采用平均絕對誤差（MAE）和平均誤差平方的平方根（RMSIE）作為3種插值方法精度評估標準，公式為：

式中，Zi為第i個站點的實際觀測值；Zi'為第i個站點的插值預測值；n為參與驗證的站點數(shù)目。MAE可評估估算值可能的誤差范圍，更好地反映估算值誤差實際情況；RMSIE可反映利用樣點的估算靈敏度和極值效應，值越小，表明估算值與實測值越接近，精度越高。采用這兩種評估標準能很好反映不同插值方法的相對精度，以此選擇最適宜的空間插值方法進行城市沉降計算。

3 實驗分析

3.1 實驗區(qū)域及數(shù)據(jù)介紹

本文以我國東部某縣為研究區(qū)域，采用的數(shù)據(jù)源為：63個沉降站點的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，坐標用經(jīng)緯度表示的，屬性數(shù)據(jù)主要包括編碼、名稱等；沉降站點在2009年和2010年的高程記錄觀測數(shù)據(jù)，每條記錄包括沉降站點的編碼、名稱、高程值、觀測條件等，其分布如圖3所示。

圖3 沉降觀測點分布圖

3.2 空間插值交叉驗證結(jié)果分析

本文首先從63個沉降觀測站點中選擇8個觀測站點作為驗證站點，其他作為采樣站點；然后將IDW法、Kriging法、樣條函數(shù)法分別應用于采樣站點格網(wǎng)化，并通過誤差評估，最后獲取最適合實驗區(qū)的插值方法。3種空間插值結(jié)果如圖4所示。

由圖4中可知，使用IDW法、Kriging法和樣條函數(shù)法柵格化所得出的實驗區(qū)高程分別集中在1.052～5.165 m、1.052～5.155 m、0.650～5.626 m之間。通過數(shù)據(jù)可以看出，實驗區(qū)地勢大致平坦，和實際情況相符。表2為3種空間插值方法交叉驗證結(jié)果。

表2 空間插值交叉驗證結(jié)果/m

圖4 3種方法的插值結(jié)果

IDW法、Kriging法和樣條函數(shù)法對2009年高程觀測數(shù)據(jù)交叉驗證結(jié)果表明，樣條函數(shù)法最優(yōu)，Kriging法次之。在實驗區(qū)中使用樣條函數(shù)法進行高程記錄柵格化，空間柵格化精度要高于使用IDW法和Kriging法結(jié)果。

3.3 空間插值沉降監(jiān)測結(jié)果分析

針對實驗區(qū)的離散沉降數(shù)據(jù)，根據(jù)交叉驗證選擇樣條函數(shù)法進行空間插值計算，得到整個城市范圍內(nèi)沉降監(jiān)測結(jié)果，以等值線圖表示，如圖5。

圖5 沉降等值線圖（單位：mm，間隔10 mm）

圖5中，負值表示地面有沉降，0值表示地面不升不降，正值表示地面有抬高。實驗區(qū)在2009～2010年期間普遍具有地面下沉趨勢，且從西至東來看，地面下沉現(xiàn)象越來越明顯，尤其是該區(qū)域的東北部地面下降更為顯著，最大沉降可達1 m左右。城市區(qū)域的西南部有地面抬高趨勢，并呈漏斗狀，而北部普遍具有下沉趨勢。另外，從等值線的疏密可以看出，城市的西部沉降變化比較平緩，東部沉降變化坡度較大。從城市沉降等值線專題圖上可以很容易地獲取和掌握城市的沉降分布情況，從而為地質(zhì)、城市規(guī)劃等部門決策提供進一步支持。

4 結(jié) 語

本文將空間插值技術(shù)引入到城市沉降定量研究中，通過交叉驗證分析選擇樣條函數(shù)法進行實驗區(qū)沉降空間的插值計算，并在此基礎上制作了城市地面沉降等值線圖，實現(xiàn)了從點狀的沉降觀測值到覆蓋整個城市的地面沉降可視化，能夠直觀有效地表達地面沉降變化。它從空間上反映了地面沉降監(jiān)測結(jié)果，操作性強，具有很好的實用性；今后還需要進一步研究沉降插值異常分析方法，以獲取更為可靠的城市地面沉降監(jiān)測結(jié)果。

[1] 王偉.抽取地下水引起的地面沉降可視化研究[D].南京：河海大學,2006

[2] 侯衛(wèi)生,吳信才,劉修國.基于GIS的城市地面沉降信息管理與預測系統(tǒng)研究[J].巖土力學,2008,29(6)：1 685-1 690

[3] 吳文玉,馬曉群.基于GIS的安徽省氣溫數(shù)據(jù)柵格化方法研究[J].中國農(nóng)學通報,2009,25(2)：263-267

[4] 李新,程國棟,盧玲.空間內(nèi)插方法比較[J].地球科學進展,2000,15(3)：260-265

[5] 石朋,芮孝芳.降雨空間插值方法的比較與改進[J].河海大學學報(自然科學版),2005,33(4)：361-365

[6] 李軍,游松財, 黃敬峰.中國1961～2000年月平均氣溫空間插值方法與空間分布[J].生態(tài)環(huán)境,2006,15(1)：109-114

[7] 陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer 8.0等值線繪制中的十二種插值方法[J].工程地球物理學報,2007,4(1)：52-57

[8] 黃杏元,馬勁松,湯勤.地理信息系統(tǒng)概論[M].北京：高等教育出版社,2001

[9] 魯振宇,楊太保,郭萬欽.降水空間插值方法應用研究：以黃河源區(qū)為例[J].蘭州大學學報(自然科學版),2006,42(4)：11-14 [10] 李軍龍,張劍,張叢,等.氣象要素空間插值方法的比較分析[J].草業(yè)科學,2006,23(8)：6-11

[11] 許云,龍步菊,潘學標,等.河北地區(qū)氣溫內(nèi)插模型及檢驗方法[J].氣象與環(huán)境學報,2010,26(2)：27-30

[12] 潘耀忠,龔道溢,鄧磊,等.基于DEM的中國陸地多年平均溫度插值方法[J].地理學報,2004,59(3)：366-374

P258

：B

：1672-4623（2016）11-0084-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.030

井研，碩士研究生，研究方向為地圖學與地理信息系統(tǒng)。

2015-09-29。

項目來源：國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目（2010CB732106）。