[發(fā)明專利]一種區(qū)域地面沉降時(shí)空預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710025455.2
• 申請(qǐng)日: 2017-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN106679620B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 柯櫻海;鄧曾;宮輝力;李小娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 首都師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C5/00
• 分類號(hào): G01C5/00
• 代理公司: 北京高航知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11530
• 代理人: 陳敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及城市地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，具體為一種區(qū)域地面沉降時(shí)空預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

地面沉降是在自然因素和人為因素的共同作用下，所產(chǎn)生的一種地表高程緩慢降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種難以補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失，并能夠誘發(fā)一系列其它的環(huán)境災(zāi)害。其形成過程緩慢，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)不易被察覺，且微量的沉降需要靠精密儀器才能被發(fā)現(xiàn)，易被人們忽視。地面沉降在很多情況下是發(fā)生在人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)的城市，其危害面廣，破壞嚴(yán)重，且沉降過程是不可逆的。為了預(yù)防地面沉降造成的地質(zhì)災(zāi)害與減小經(jīng)濟(jì)損失，我們發(fā)明了合理的地面沉降預(yù)測(cè)模型，對(duì)地面沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，在很大程度上提前發(fā)現(xiàn)異常地質(zhì)現(xiàn)象，防止災(zāi)害發(fā)生。

目前應(yīng)用較多的地面沉降預(yù)測(cè)模型包括確定性數(shù)值模型以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型。確定性數(shù)值模型依據(jù)地面沉降的成因，基于地下水、可壓縮土層厚度等水文地質(zhì)因素與詳細(xì)的工程勘察數(shù)據(jù)，針對(duì)土體變形與地下水動(dòng)力學(xué)機(jī)制對(duì)地面沉降的發(fā)生發(fā)展過程進(jìn)行數(shù)值模擬（比如基于太沙基原理和比奧固結(jié)理論的沉降模型）。此類模型所需的部分水文地質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法尚不成熟或無法實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在模型的實(shí)驗(yàn)過程中，需要對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)整，會(huì)加入許多主觀因素，影響模型的精度，且此類模型通常是在某種理想假設(shè)條件下對(duì)地面沉降進(jìn)行描述，與實(shí)際情況存在較大的差距，模型精度往往較低。數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型建立在地面沉降影響因素與沉降量之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過對(duì)地面沉降影響因子及沉降量的多元回歸分析或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建對(duì)沉降進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，同樣需要影響因子的詳細(xì)描述數(shù)據(jù)。另外，這兩種模型所需的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布井進(jìn)行水文地質(zhì)勘測(cè)及抽水實(shí)驗(yàn)獲得，再根據(jù)空間插值方法得到整個(gè)區(qū)域的參數(shù)分布，空間分辨率低。

區(qū)域地面沉降成因復(fù)雜，存在各種不確定性因素的影響，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型往往無法滿足其變化的要求?；疑到y(tǒng)理論作為一種針對(duì)“小樣本”、“貧信息”的不確定性系統(tǒng)研究方法，目前已成功應(yīng)用于地面沉降單點(diǎn)預(yù)測(cè)，其中灰色-馬爾可夫模型取得較好的效果，灰色-馬爾可夫模型不需要對(duì)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)參數(shù)的詳細(xì)描述，僅根據(jù)沉降測(cè)量的時(shí)間序列即可預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的沉降量。然而，由于該模型需要人為手動(dòng)調(diào)整模型參數(shù)劃分狀態(tài)區(qū)間，其應(yīng)用目前僅局限于基于某一個(gè)或者某幾個(gè)水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)上的形變預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果的空間分辨率低，不適于區(qū)域尺度地面沉降時(shí)空預(yù)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

（一）要解決的技術(shù)問題

灰色-馬爾可夫模型不需要對(duì)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)參數(shù)的詳細(xì)描述，僅根據(jù)沉降測(cè)量的時(shí)間序列即可預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的沉降量。然而，由于該模型需要人為手動(dòng)調(diào)整模型參數(shù)劃分狀態(tài)區(qū)間，其應(yīng)用目前僅局限于基于某一個(gè)或者某幾個(gè)水準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)上的形變預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果的空間分辨率低，不適于區(qū)域尺度地面沉降時(shí)空預(yù)測(cè)。

（二）技術(shù)方案

為解決上述問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種區(qū)域地面沉降時(shí)空預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

S1、通過雷達(dá)測(cè)量進(jìn)行大尺度地面沉降預(yù)測(cè)得到雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)影像數(shù)據(jù)與時(shí)序差分干涉雷達(dá)測(cè)量技術(shù)，利用StaMPS方法、IPTA方法及PS-InSAR方法獲取地表面PS點(diǎn)的形變信息，通過單點(diǎn)GPS、水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，獲取高精度穩(wěn)定PS點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)庫；

S2、針對(duì)每一個(gè)PS點(diǎn)，采用時(shí)間插值算法對(duì)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理獲取等時(shí)間間距地面沉降數(shù)據(jù)，設(shè)某一穩(wěn)定PS點(diǎn)的沉降時(shí)間序列為X⁰，

X⁰=｛x^（0）（1），x^（0）（2），…，x^（0）（n）,x^（0）（k）≥0（k=1,2,…，n）｝，

其中n表示時(shí)間序列，x^（0）（n）表示PS點(diǎn)在時(shí)刻n相對(duì)與n-1時(shí)刻的沉降量；

S3、基于S1中高精度穩(wěn)定PS點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)庫建立灰色模型，基于此模型分別對(duì)每一個(gè)X⁰進(jìn)行模擬，模擬值為Y⁰，并預(yù)測(cè)下一時(shí)刻n+1的地面沉降值x^（0）（n+1），計(jì)算監(jiān)測(cè)值與模擬值的誤差ε與比值ρ；其中

Y⁰=｛y^（0）（1），y^（0）（2），…，y^（0）（n）,y^（0）（n）≥0（n=1,2,…）｝，

ε=x^（0）（n）-y^（0）（n），