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)測模型，對地面沉降進(jìn)行預(yù)測，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)，針對土體變形與地下水動(dòng)力學(xué)機(jī)制對地面沉降的發(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)的測定方法尚不成熟或無法實(shí)驗(yàn)測定，在模型的實(shí)驗(yàn)過程中，需要對部分參數(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)建對沉降進(jìn)行模擬預(yù)測，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)場布井進(jìn)行水文地質(zhì)勘測及抽水實(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“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，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)沉降測量的時(shí)間序列即可預(yù)測下一時(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)測量點(diǎn)上的形變預(yù)測，預(yù)測結(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。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（一）要解決的技術(shù)問題

灰色-馬爾可夫模型不需要對水文地質(zhì)、工程地質(zhì)參數(shù)的詳細(xì)描述，僅根據(jù)沉降測量的時(shí)間序列即可預(yù)測下一時(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)測量點(diǎn)上的形變預(yù)測，預(yù)測結(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。

（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)測方法，包括以下步驟：

S1、通過雷達(dá)測量進(jìn)行大尺度地面沉降預(yù)測得到雷達(dá)測量數(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)測數(shù)據(jù)對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、針對每一個(gè)PS點(diǎn)，采用時(shí)間插值算法對形變數(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，基于此模型分別對每一個(gè)X⁰進(jìn)行模擬，模擬值為Y⁰，并預(yù)測下一時(shí)刻n+1的地面沉降值x^（0）（n+1），計(jì)算監(jiān)測值與模擬值的誤差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），

ρ=x^（0）（n）/y^（0）（n）；

S4、結(jié)合馬爾科夫模型，對灰色模型的預(yù)測值進(jìn)行改進(jìn)，通過自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類算法對每一個(gè)PS點(diǎn)的誤差ε與比值ρ組成的矩陣進(jìn)行聚類，其中每一類分別表示為一個(gè)馬爾科夫區(qū)間，基于馬爾科夫區(qū)間建立馬爾科夫矩陣，并求取時(shí)間序列中n+1時(shí)刻灰色模型預(yù)測值的馬爾科夫區(qū)間；

S5、基于S2-S4中n+1時(shí)刻灰色模型預(yù)測值的馬爾科夫區(qū)間，對S3中n時(shí)刻灰色模型預(yù)測值進(jìn)行矯正，獲取n+1時(shí)刻改進(jìn)的灰色-馬爾科夫預(yù)測值，利用此方法對所有的PS點(diǎn)n+1時(shí)刻的地面沉降值進(jìn)行灰色模型預(yù)測與馬爾科夫模型矯正，獲取集成雷達(dá)干涉測量與改進(jìn)灰色-馬爾科夫預(yù)測模型的區(qū)域地面沉降預(yù)測值；

S6、基于S5中改進(jìn)灰色-馬爾科夫預(yù)測模型動(dòng)態(tài)預(yù)測未來時(shí)間段的地面沉降值，去掉時(shí)間序列中第一個(gè)值x^（0）（1），并將n+1時(shí)刻的改進(jìn)灰色-馬爾科夫預(yù)測值x^（0）（n+1）添加到時(shí)間序列中，即通過

X⁰=｛x^（0）（2），x^（0）（3），…，x^（0）（n+1）（n=1,2,…）｝，

建立灰色-馬爾科夫模型預(yù)測n+2時(shí)刻的地面沉降值；如此循環(huán)動(dòng)態(tài)預(yù)測未來時(shí)刻地面沉降值。

優(yōu)選地，所述StaMPS雷達(dá)影像的處理軟件為開源軟件。

優(yōu)選地，S3中傳統(tǒng)的灰色模型參數(shù)僅包括發(fā)展系數(shù)與灰色作用量，可以通過最小二乘法簡單的獲取。

（三）有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過改進(jìn)灰色-馬爾科夫預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)與InSAR數(shù)據(jù)的結(jié)合，進(jìn)行了大尺度地面沉降預(yù)測，減少了常規(guī)通過GPS，水準(zhǔn)點(diǎn)等單點(diǎn)預(yù)測的局限；簡單的數(shù)值模型減少了對水文地質(zhì)資料的依賴，通過對InSAR進(jìn)行大尺度的預(yù)測減少對人工的依賴，節(jié)約工程成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖；

圖2為本發(fā)明雷達(dá)影像數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖3為改進(jìn)灰色-馬爾科夫模型圖；

圖4為A點(diǎn)傳統(tǒng)灰色模型預(yù)測值、改進(jìn)灰色馬爾科夫模型預(yù)測值與監(jiān)測值的比較；

圖5為B點(diǎn)傳統(tǒng)灰色模型預(yù)測值、改進(jìn)灰色馬爾科夫模型預(yù)測值與監(jiān)測值的比較。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請參閱圖1-5，本發(fā)明提供的一種實(shí)施例：一種區(qū)域地面沉降時(shí)空預(yù)測方法，

S1、通過雷達(dá)測量進(jìn)行大尺度地面沉降預(yù)測得到雷達(dá)測量數(shù)據(jù)，InSAR即為干涉雷達(dá)測量，首先通過Doris軟件，結(jié)合雷達(dá)測量數(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)測量（MTI DInSAR）技術(shù)，利用StaMPS（Stanford Method for Persistent Scatterers）方法、IPTA（IPTA Interferometric Point Target Analysis）方法及PS-InSAR方法獲取地表面穩(wěn)定散射體（即PS點(diǎn)）的形變信息，通過單點(diǎn)GPS、水準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)對InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，獲取2003-2014年地面沉降信息。

S2、結(jié)合2003-2010年覆蓋北京市平原區(qū)的39景ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)，2010-2014年27景RadarSat-2數(shù)據(jù)，通過Doris數(shù)據(jù)處理軟件對雷達(dá)影像進(jìn)行處理，獲取覆蓋北京市平原區(qū)2003-2014年地面沉降信息，結(jié)合2003-2005年與2008-2013年的試驗(yàn)區(qū)實(shí)測GPS數(shù)據(jù)，對地面沉降信息進(jìn)行精度驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合2003-2010年試驗(yàn)區(qū)水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)對地面沉降速率進(jìn)行精度驗(yàn)證，如果精度不符合要求，則重新進(jìn)行地面沉降信息的獲取，獲取高精度地面沉降信息庫數(shù)據(jù)。

S3、根據(jù)S1中高精度地面沉降數(shù)據(jù)建立傳統(tǒng)灰色模型，首先通過灰色模型對2003-2014年地面沉降進(jìn)行模擬，并預(yù)測2015年地面沉降信息，然后通過馬爾科夫模型對2015年灰色預(yù)測模型值進(jìn)行矯正，獲取高精度地面沉降信息。

S4、通過SOM聚類算法，并結(jié)合2003-2014年地面沉降監(jiān)測值與模擬值的誤差、比值對馬爾科夫模型進(jìn)行改進(jìn)，獲取高精度馬爾科夫區(qū)間并求取馬爾科夫矩陣。

S5、建立改進(jìn)的灰色-馬爾科夫預(yù)測模型，并預(yù)測2015-2017年地面沉降。結(jié)合2003-2014年高精度地面沉降信息，利用改進(jìn)的灰色-馬爾科夫模型預(yù)測2015-2017年地面沉降信息。

S6、通過動(dòng)態(tài)方法預(yù)測，去掉2003年地面沉降信息，并加上2015年地面沉降預(yù)測值，即通過2004-2015年地面沉降信息預(yù)測2016年地面沉降信息，如此循環(huán)利用動(dòng)態(tài)模型預(yù)測2016-2017年地面沉降；

選取2個(gè)ps點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)進(jìn)行分析，對比傳統(tǒng)灰色模型預(yù)測值、改進(jìn)灰色-馬爾科夫模型預(yù)測值與真實(shí)監(jiān)測值的差異，由圖4點(diǎn)A處的沉降毫無規(guī)律，表現(xiàn)為非線性形變，由圖5點(diǎn)B處的沉降總體上表現(xiàn)一定的線性規(guī)律，由圖2可知，較傳統(tǒng)灰色預(yù)測模型，改進(jìn)的灰色-馬爾科夫模型的模擬精度較高，傳統(tǒng)的灰色模型模擬值呈完全線性趨勢，而改進(jìn)的灰色馬爾科夫預(yù)測模型模擬值更接近于真實(shí)值，表明本發(fā)明中一種集成InSAR與改進(jìn)灰色-馬爾科夫模型的地面沉降預(yù)測方法較可靠。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，分析試驗(yàn)區(qū)未來3年的地面沉降量，判斷試驗(yàn)區(qū)地面沉降范圍與沉降量的發(fā)展，提示相關(guān)工程管理人員提前采取防范與保護(hù)措施，達(dá)到有效預(yù)防與控制地面沉降的目的，降低由于地面沉降導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。