蘇超威,丁克良,2,周命端,2,劉 淼
(1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院,北京100044;2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100044)
地表沉降監(jiān)測是地鐵變形監(jiān)測中一項(xiàng)重要的監(jiān)測內(nèi)容,其目的是為了保障地鐵施工及運(yùn)營管理的安全,通過沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)沉降異常和安全隱患[1]。鑒于地鐵地表沉降監(jiān)測干擾因素多,安全隱患大,應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范測量。沉降監(jiān)測過程中,單次測量一般不超限,符合測量規(guī)范,然而隨著時(shí)間的增加,變形速率的不確定性導(dǎo)致累計(jì)沉降量可能變化很大,容易出現(xiàn)突發(fā)事故,因此,必須要做好地表沉降監(jiān)測工作,對沉降趨勢進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)報(bào),為安全施工提供數(shù)據(jù)支撐。
本文針對某地鐵工程在施工期間進(jìn)行地表沉降監(jiān)測,采用拓普康DL-501電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行二等水準(zhǔn)測量,經(jīng)內(nèi)業(yè)平差處理獲得了多天的實(shí)測數(shù)據(jù)資料,運(yùn)用Matlab語言編寫三次樣條插值函數(shù)擬合外推預(yù)測程序,并針對觀測數(shù)據(jù)量和時(shí)間間隔兩種因素建立了兩種不同的預(yù)測模型,對比分析插值擬合和外推預(yù)測的精度。
三次樣條插值函數(shù)是最常用的插值曲線擬合函數(shù),其良好的收斂性、可靠的穩(wěn)定性以及具有二階光滑度等優(yōu)點(diǎn)使其在函數(shù)逼近、微積分和微分方程等科學(xué)計(jì)算中應(yīng)用廣泛,在工程數(shù)據(jù)處理中也起到非常重要的作用。
若函數(shù)S(x)∈C2[ a,b],且在每個(gè)小區(qū) 間[ xj,xj+1]上是三次多項(xiàng)式,其中a=x0<x1<x2<…<xn=b是給定節(jié)點(diǎn),則稱S(x)是節(jié)點(diǎn)x0,x1,x2,…,xn上的三次樣條函數(shù)。若在節(jié)點(diǎn)xj上給定函數(shù)值yj=f(xi)(j=0,1,…,n),并成立S(xj)=yj(j=0,1,2,…,n),則稱S(x)為三次樣條插值函數(shù)[3-6]。
常見的三次樣條插值函數(shù)邊界條件有3種情況[3-6]
為分析三次樣條插值函數(shù)應(yīng)用于地鐵地表沉降監(jiān)測的預(yù)報(bào)精度情況,利用某地鐵沿線地表沉降監(jiān)測某M點(diǎn)的部分實(shí)測觀測資料為例,運(yùn)用Matlab編程,分別從相同時(shí)間間隔且不同觀測數(shù)據(jù)量和相同觀測數(shù)據(jù)量且不同時(shí)間間隔兩種情況建立3種不同的沉降監(jiān)測預(yù)測預(yù)報(bào)模型[7-9],并進(jìn)行對比分析。某M點(diǎn)的部分實(shí)測沉降觀測數(shù)據(jù)見表1。
表1 某M點(diǎn)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)資料
為分析相同時(shí)間間隔、不同觀測數(shù)據(jù)量構(gòu)建的預(yù)測預(yù)報(bào)模型在地表沉降監(jiān)測預(yù)報(bào)中內(nèi)插與外推的預(yù)測精度及效果,本文采用時(shí)間間隔為5天、觀測數(shù)據(jù)量分別為30天和60天的沉降觀測資料建立兩種不同的預(yù)報(bào)模型(依次簡記為預(yù)測預(yù)報(bào)模型一和預(yù)測預(yù)報(bào)模型二),利用三次樣條插值函數(shù)方法對沉降量進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。
預(yù)測預(yù)報(bào)模型一:當(dāng)采用時(shí)間間隔為5天,且觀測數(shù)據(jù)量具有30天的沉降觀測數(shù)據(jù)建立預(yù)測預(yù)報(bào)模型時(shí),內(nèi)插第23天M點(diǎn)的地表沉降量以及外推第2天和第4天(即第32天和第34天)M點(diǎn)的地表沉降量,將獲得的第23天及第32天和第34天的地表預(yù)測沉降量分別與其對應(yīng)的實(shí)測觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
建立的Matlab預(yù)測預(yù)報(bào)模型一代碼如下:
t=[0,5,10,15,20,25,30];
H=[0,2.200,7.016,6.963,1.237,-4.721,-10.415];
New_t=0:5:35;
New_H=spline(t,H,New_t);
plot(t,H,'--o',New_t,New_H);
應(yīng)用Matlab編程建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型一運(yùn)行結(jié)果如圖1所示,其中,內(nèi)插第85天和外推第5天(即第155天)M點(diǎn)地表預(yù)測沉降量與實(shí)測觀測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果見表2所示。
表2 間隔10天、累計(jì)觀測30天的預(yù)測值與實(shí)測值對比
圖1 間隔5天、累計(jì)觀測30天的預(yù)測預(yù)報(bào)模型一運(yùn)行結(jié)果
預(yù)測預(yù)報(bào)模型二:當(dāng)采用時(shí)間間隔為5天,且觀測數(shù)據(jù)量具有60天的沉降觀測數(shù)據(jù)建立預(yù)測預(yù)報(bào)模型時(shí),內(nèi)插第23天M點(diǎn)的地表沉降量以及外推第2天和第4天(即第62天和第64天)M點(diǎn)的地表沉降量,將獲得的第23天及第62天和第64天的地表預(yù)測沉降量分別與其對應(yīng)的實(shí)測觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
建立的Matlab預(yù)測預(yù)報(bào)模型二代碼如下:
t=[0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60];
H=[0,2.200,7.016,6.963,1.237,-4.721,-10.415,-14.463,-17.691,-19.544,-21.383,-23.372,-24.819];
New_t=0:5:65;
New_H=spline(t,H,New_t);
plot(t,H,'--o',New_t,New_H);
應(yīng)用Matlab語言編程建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型二運(yùn)行結(jié)果如圖2所示,其中,內(nèi)插第23天和外推第2天和第4天(即第62天和第64天)M點(diǎn)地表預(yù)測沉降量與實(shí)測觀測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果見表3。
表3 間隔5天、累計(jì)觀測60天的預(yù)測值與實(shí)測值對比
圖2 間隔5天、累計(jì)觀測60天的預(yù)測預(yù)報(bào)模型二運(yùn)行結(jié)果
對比表2和表3中的殘差量可以看出,當(dāng)采用相同時(shí)間間隔(d=5天)、不同觀測數(shù)據(jù)量(dd=30天和60天)所建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型一和預(yù)測預(yù)報(bào)模型二分別進(jìn)行內(nèi)插擬合及外推預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí),不論是針對第23天的內(nèi)插擬合精度測還是針對外推第2天和第4天的預(yù)報(bào)效果,預(yù)報(bào)預(yù)測模型二略優(yōu)于預(yù)測預(yù)報(bào)模型一。
在對比分析預(yù)測預(yù)報(bào)模型一與預(yù)測預(yù)報(bào)模型二的內(nèi)插擬合精度和外推預(yù)報(bào)效果的基礎(chǔ)上,為分析不同時(shí)間間隔、相同觀測數(shù)據(jù)量構(gòu)建的預(yù)測預(yù)報(bào)模型在地表沉降監(jiān)測預(yù)報(bào)中內(nèi)插與外推的預(yù)測精度及效果,本文采用時(shí)間間隔為10天、觀測數(shù)據(jù)量為60天的沉降觀測資料建立預(yù)測預(yù)報(bào)模型,利用三次樣條插值函數(shù)方法對沉降量進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào),便于與預(yù)測預(yù)報(bào)模型二進(jìn)行比對分析。
預(yù)測預(yù)報(bào)模型三:當(dāng)采用時(shí)間間隔為10天且觀測數(shù)據(jù)量具有60天的沉降觀測數(shù)據(jù)建立預(yù)測預(yù)報(bào)模型時(shí),內(nèi)插第23天M點(diǎn)的地表沉降量以及外推第2天和第4天(即第62天和第64天)M點(diǎn)的地表沉降量,將獲得的第23天、第62天和第64天的地表預(yù)測沉降量分別與其對應(yīng)的實(shí)測觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
建立的Matlab預(yù)測預(yù)報(bào)模型三代碼如下:
t=[0,10,20,30,40,50,60];
H=[0,7.016,1.237,-10.415,-17.691,-21.383,-24.819];
New_t=0:10:65;
New_H=spline(t,H,New_t);
plot(t,H,'--o',New_t,New_H);
應(yīng)用Matlab語言編程建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型三運(yùn)行結(jié)果如圖3所示,其中,內(nèi)插第23天和外推第2天和第4天(即第62天和64天)M點(diǎn)地表預(yù)測沉降量與實(shí)測觀測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果見表4。
對比表3和表4中的殘差量可以看出,當(dāng)采用相同觀測數(shù)據(jù)量(dd=60天)、不同時(shí)間間隔(d=5天和10天)所建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型進(jìn)行內(nèi)插擬合及外推預(yù)測預(yù)報(bào)時(shí),不論是針對第23天的內(nèi)插擬合精度測還是針對外推第2天和第4天的預(yù)報(bào)效果,預(yù)報(bào)預(yù)測模型二略優(yōu)于預(yù)測預(yù)報(bào)模型三。
表4 間隔10天、累計(jì)觀測60天的預(yù)測值與實(shí)測值對比
圖3 間隔10天、累計(jì)觀測60天的預(yù)測預(yù)報(bào)模型運(yùn)行結(jié)果
為綜合比對分析顧及觀測數(shù)據(jù)量和時(shí)間間隔兩種因素所構(gòu)建的3種不同的預(yù)測預(yù)報(bào)模型的內(nèi)插擬合精度和外推預(yù)報(bào)效果,將3種模型的內(nèi)插擬合和外推預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測值之比較的殘差量分析如圖4所示。
從圖4可以看出,3種模型在內(nèi)插擬合精度上均優(yōu)于外推預(yù)報(bào)精度;3種模型無論是從內(nèi)插擬合精度上還是外推預(yù)報(bào)效果上可以看出,模型二為略優(yōu);另外,從外推預(yù)報(bào)殘差量的比較分析可發(fā)現(xiàn),外推2天的預(yù)報(bào)精度效果略高于外推第4天的。
圖4 3種模型預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)測值之殘差量比較分析
本文利用三次樣條插值函數(shù),基于Matlab編程建立了3種不同的預(yù)測預(yù)報(bào)模型,以某地鐵地表沉降監(jiān)測特征點(diǎn)M為例進(jìn)行累計(jì)沉降數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)報(bào)分析,分別從相同時(shí)間間隔且不同觀測數(shù)據(jù)量的內(nèi)插擬合與外推預(yù)測、相同觀測數(shù)據(jù)量且不同時(shí)間間隔的內(nèi)插擬合與外推預(yù)測兩種情況建立了3種不同的預(yù)測預(yù)報(bào)模型并作了對比分析。應(yīng)用實(shí)例表明:3種不同的預(yù)測預(yù)報(bào)模型在內(nèi)插擬合精度上均優(yōu)于外推預(yù)報(bào)精度;3種模型無論是從內(nèi)插擬合精度上還是外推預(yù)報(bào)效果上可以看出,具有短時(shí)間間隔且長時(shí)間累積觀測數(shù)據(jù)所建立的預(yù)測預(yù)報(bào)模型(如模型二)為略優(yōu);另外,從外推預(yù)報(bào)殘差量的比較分析可表明,外推天數(shù)短的預(yù)報(bào)精度效果略高于外推天數(shù)長的。
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