济宁城区地面沉降监测管理系统设计与开发

王汉西，韩红梅，梁琴琴，韩飞

(1.济宁市土地综合整治中心，山东 济宁 272017；2.山东正元冶达科技发展有限公司，山东 济南 250100)

0 引言

济宁市城区地面沉降首次发现于1988年①山东省鲁南地质工程勘察院,山东省济宁市城区地面沉降防治勘察报告，1998年。，15个月内沉降量最大达到65mm，发生地面的沉降面积61.7km2,沉降量大于20mm的面积为22.6km2[1]；1992—1997年年沉降量为25.2～47.0mm,相对1992年最大沉降量为147mm，沉降量大于60mm的面积为80km2[2]。

以上两次的地面沉降监测，均是基于传统的水准测量方法，其成果也是单一的文字报告和图件，监测数据不能实现智能化对比和分析，从监测数据转化为监测成果的时间长。随着物联网技术的发展，利用自动化监测手段实现地面沉降的远程监测已经在上海、北京、天津等地实现。

为做好济宁市城区地面沉降监测，济宁市建立了城市基岩标，布设了二等水准及GNSS监测网，构成了城区地面沉降监测基础体系和年度监测数据。以计算机技术、GIS技术、数据库技术、测量技术、通讯技术等为支撑，对城市地面沉降监测管理系统进行了设计与开发，建立了济宁市地面沉降监测管理系统，实现了监测数据自动化接收、数据处理与分析、报表生成、预警预报等功能，从而为城市规划、工程建设、地下水合理开采、地面沉降预警与防治提供技术支持。

1 系统设计

1.1 系统需求分析

系统的需求主要从数据展示、分析、预警功能和用户权限管理等方便提出。

(1)数据展示方面。系统建设实现监测站在天地图·济宁在线正射影像图和行政区划图上的定位和属性查询；支持地下水水位监测、空隙水压力监测和位移监测的工程数据间快切换。

(2)数据分析方面。监测数据支持数据的导入和导出，可以根据监测的数据绘制数据变化曲线，用户直观观测数据的变化情况，研究分析水位、孔隙水压力与各个层位沉降量的关系。同时系统可以生成报表，支持快速生成、预览和打印。

(3)数据预警方面。当发现数据异常可以实现系统内预警，并将异常信息通过短信平台发送给指定的用户，用户到现场经进一步排查、分析、评估、判断，决定是否上报决策部门。

(4)用户权限管理方面。系统实现分级用户管理，不同权限用户可以查看的功能和模块不同，系统管理员可以查询所有的功能，并可以进行预警阈值的设定，预警接收人员设定，查询系统使用日志等。

1.2 系统设计原理

济宁城区地面沉降监测管理系统是一个集GIS技术、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。利用布设在济宁城区的主站和辅站的自动化监测设备，包括静力水准仪、孔隙水压力计、水位观测设备等获取地面沉降相关的实时观测数据，经过A/D转换，并通过CDMA通信模块传输到数据中心，经计算机解算出不同采样时间的数据。另外，在建成区范围内沿城市路网布设的32个二等水准点、分布均匀的8个B级GNSS点和布设在两座基岩标上的A级GNSS点每年两期的观测数据，导入系统，并对数据进行处理与分析，自动生成等高线，结合自动化监测数据进行分析，进而对地面沉降现状、影响程度和范围进行分析与评估。

1.3 系统运行模式

系统运行模式采取浏览器/服务器(B/S)模式。B/S模式是目前Web应用不断发展的一种新的技术架构[3]，定义了客户机如何与服务器相连以实现数据和应用的共享，并利用台式机的处理能力将数据和应用分布到多个处理机上，大大减轻了服务器的运行负荷。B/S结构的优点在于客户端无须安装软件，只要有浏览器即可和服务器端数据相连，实现共享，降低了成本，提高了系统的交互性、扩展性，保证了数据的集中管控和系统安全性。

1.4 系统总体架构

根据以上系统的需求分析，结合济宁市城区地面沉降监测现状，系统采用四层总体架构方式[4](图1)。

用多媒体展示3组资料： ①全球各国艾滋病人数比率排行资料；②关于近10年来中国国家卫计委关于艾滋病的统计数据(包括每年艾滋病的发病案例、发病率及死亡人数)；③2017年最新统计数据(2017年10月艾滋病发病4485例，死亡1350人)。根据这些统计数据，引导学生说说自己的看法以及如何看待防治艾滋病的紧迫性，自己能为这个社会做点什么？学生交流讨论，教师总结并提醒学生日常与艾滋病人握手、拥抱、进餐、蚊虫叮咬等不会感染艾滋病，艾滋病患者在社会上本来就属于弱势群体，在生活上应该拿出自己最大的努力关爱艾滋病病人；强调HIV的传播途径，鼓励学生向他人宣传如何预防艾滋病，同时自身要注意健康的生活方式。

图1 系统总体架构

(1)基础层。基础层支撑体系是指系统建设的主站和辅站监测点以及系统运行所需的软硬件、网络以及通信环境。

(2)数据层。数据层为整个系统提供地理信息空间数据、监测数据等数据服务。分实时监测数据、地图数据和历史数据。以最新的0.05m分辨率正射影像图作为地图数据，用于各类监测站、点的标注；以1988年、1998年的沉降监测成果和上期的监测数据为历史数据。集成空间数据、资料图件和监测数据，依托数据库管理和GIS技术，按照统一的标准，按照集中与分布建设模式，建立系统数据库，构建地面沉降风险预警预报系统综合数据库的组织、管理、维护和更新体系。

(3)服务层。服务层是系统架构中体现核心价值的部分，是对整个系统业务功能进行后台实现的过程。服务层在整个系统架构中起着承上启下的连接作用，对于数据层而言，它是调用者；对于应用层而言，它却是被调用者。

服务层调用数据层的数据进行查询、统计、分析等操作，服务层封装逻辑层主要业务功能模块，提供数据服务、地图服务、组件服务和外部服务。

(4)应用层。应用层位于最外层，是离用户最近的表现层。为用户提供系统的应用接口，以及对系统逻辑服务层进行输出展示的平台。

2 数据库设计

基于Oracle10.0环境建立系统数据库。根据数据的形式分为原始监测数据库、沉降量数据库[5]、栅格数据库、表格数据库、文档数据库、历史数据库[6]。原始监测数据包括地下水水位监测、孔隙水压力监测、位移监测数据、水准测量成果数据、GNSS测量成果数据、监测点坐标，以及以上观测点的位置(坐标)数据等6个数据集；栅格数据有正射影像数据、电子地图数据；表格数据有观测点名表、用户信息表、仪器设备信息表(水位仪数据表、位移数据表、压力仪数据表)、阈值设置表、预警报警表等5类；沉降量数据库包括根据检测结果自动生成的沉降等值线图、沉降量柱状图、沉降量统计表等；文档数据包括技术文档、科普文档、工程资料文档。系统数据库逻辑结构见图2。

图2 系统数据库逻辑结构

3 主要技术支撑

3.1 统一的基础平台和应用平台

考虑到业务需要，保证数据的共享和功能互操作以及平台需具备良好的可维护性和扩展性，该系统采用统一的基础平台。避免了不必要的系统间数据的转换、功能的接口、以及系统升级扩展时大量的维护工作量，保证系统的一致性和稳定性。

3.2 面向对象的软件设计思想

面向对象的软件开发技术为当今主流技术。该信息平台的建设与开发将采用面向对象的软件工程方法。

3.3 基于关系数据库的空间与非空间数据一体化管理

基于关系数据库统一管理空间数据与非空间数据，有效地实现了空间与非空间数据关联和集成。空间数据与非空间数据都以数据表或视图的形式存贮，采用数据库逆向工程的方法自动提取元数据，因此，便于实现基于元数据信息资源管理。

3.4 面向服务的软件架构(SOA)的应用

根据系统公用性和基础性的特点，系统软件架构采用了面向服务的软件架构SOA(Service-Oriented Architecture)。系统设计与开发过程中尽可能将系统提供对外服务的应用程序功能封装和发布为Web服务(Web Service)，通过服务注册和服务目录，向用户提供Web服务，使系统的功能采用松耦合的方式实现集成，使得平台提供功能服务具有了可扩展性。

4 系统功能设计与实现

4.1 系统开发环境

济宁城区地面沉降监测管理系统开发使用操作系统为Windows 7及以上版本，开发编译环境为JDK 1.8，编程使用的语言为目前主流开发语言Java，以及Javascript、HTML、CSS、JSP等。使用的编程工具为Eclipse 3.4。

4.2 系统运行环境

(1)数据服务器硬件配置为CPU：Intel E30及以上型号，硬盘：1TB或更高，可选用磁盘矩阵。RAM存储器：8GB或更高，以太网卡：100M/1000Mbps Base-T。显示器：17寸平面直角彩色显示器。

(2)客户端硬件配置为CPU：P4/酷睿双核，主频2.0G以上，以太网卡：100MB；操作系统为Windows7及以上版本，支持主流浏览器查看。

4.3 系统主要功能

系统实现了多种工程监测数据的采集、储存、统计分析，以及图形、报表的生成和输出、系统设置等功能[7]，包括济宁城区地面监测主监测站和辅助监测站的静力水准仪、孔隙水压力、水位观测等自动化观测设备，以及导入二等水准观测测量成果、GNSS成果自动生成主城区等高线。

济宁城区地面沉降监测管理系统模块化功能如图3所示：

图3 系统功能模块图

(1)系统简介。综合展示监测站、点分布信息，包括监测点位置信息、状态信息、设备信息及视频监控信息等，为日常管理提供直观的信息展示窗口。

(2)科普知识。收集国内外关于地面沉降的相关资料，按照地面沉降原因、历史与现状、影响与危害划分为3个子模块，为政府、居民、学生等群体，科普、宣传地面沉降的诱因和预防的相关知识。

(3)视频监控。通过远程调用部署在济宁城区主、辅基岩标监测站点的视频监控画面，实时掌握设备的工作画面，有效监控设备运行状态。

(4)数据传输。设有测量数据、其他数据2个子模块。点击测量数据对话框可将平差后的水准测量、GNSS成果数据导入；基岩标、分层标监测数据通过移动无线实时将监测的数值回传到总控服务端，通过系统数据集成，实时展现监测站点数据传输情况。

(5)在线监测。按照站点名称，默认已列表的形式，对站点监测的沉降值、孔隙水压力、水位值进行实时展现。支持图、表切换，可以查看历史监测曲线(图4)，分析监测数据变化情况。

图4 沉降监测数据曲线图

(6)数据处理及预警。设定每个监测站点沉降值、孔隙水压力、水位值阈值，当实时监测指标超过阈值时，系统自动报警并将信息发送至管理人员手机。

(7)自动绘制沉降等值线。根据沿城市路网布设的水准点、GNSS点高程数据，系统实现了前台上传离散点高程数据，以数据表格的形式存放到数据库，系统根据监测数据通过生成三角网内插高程点等算法，将沉降量相等点自动连成闭合的沉降等值线[5]，生成沉降等值线图(图5)。

图5 沉降等值线图

图6 监测数据统计柱状图

(8)统计报表。利用图、表的形式直观展示监测数据统计、预警信息和监测数据周期变化情况[8]。监测周期由专业技术人员根据地面沉降统计信息会商后，由系统管理权限者设置。系统可实现日、周、月、季、年监测数据变化情况对比(图6)，并且所有数据支持导出功能

(9)系统设置。单击系统设置显示二级菜单系统用户、预警人员、预警阀值，并默认弹出系统用户界面。该功能仅限于管理人员。

5 结语

济宁城区地面沉降监测覆盖了济宁城区180km2,形成了主、辅站实时监测、GNSS基准站、高精度水准“三位一体”的地面沉降监测网络体系。目前，济宁城区地面沉降监测系统已连续运行了一年多，运行情况良好。该系统为济宁城区地面沉降永续监测以及因地面沉降发生的次生灾害防治不断积累数据和提供可靠地技术支撑。需要注意的是，主、辅站GNSS观测数据及各分层标的监测数据是动态的，数据量大，在正常状态下，应科学、合理设置监测数据有效上传的周期或频率，以避免冗余数据占用后台存储空间，影响系统数据汇总、统计和对比分析。后期应该增加监测点的密度，特别是自动化监测点需要补充，扩充监测范围。

可以将全市区范围内的其他水位监测数据接入，尤其是水源地的监测数据，以便于综合分析沉降产生的原因等。