基于GIS的黄河三角洲地区控制点沉降初步分析

第３０卷第５期　２０１０年９月　海洋测绘　

ＨＹＤＲ０ＧＲＡＰＨＩＣ　ＳＵＲＶＥＹＩＮＧ　ＡＮＤ　ＣＨＡＲＴＩＮＧ　Ｖｏ１．３０．Ｎｏ．５　

Ｓｅｐ．，２０１０　

基于（３ＩＳ的黄河三角洲地区控制点沉降初步分析　苏衍坤　，孙现申　，王历进。，李雪莉　（１．济南军区测绘信息中心，山东济南２５００１４；２．解放军信息工程大学测绘学院，河南郑州４５００５２；　３．山东省国土测绘院，山东济南２５００１３）　

摘要：黄河三角洲地区许多控制点存在着不同程度的沉降，个别点年沉降量高达８．０１ｃｍ。该三角洲地理环境　复杂，控制网复测成本畸高，部分控制点甚至因地形变化而无法复测。为此，在无法应用常规变形分析理论方法的　情况下，对该地区建国以来的测绘档案资料进行数据挖掘，利用ＧＩＳ的空间分析方法，发现了一些用常规方法难以　发现的规律，并进行了初步验证，进而对该类地区控制测量的一些现象重新分析，并总结了对建、管、用网的参考　意义。　关键词：控制网管理；测绘档案资料；数据挖掘；黄河三角洲湿地；软土地面沉降；数据可视化分析　中图分类号：Ｐ２２１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—３０４４（２０１０）０５—００３２—０４　

１　引　言　黄河三角洲地区存在强烈的地面沉降和海平面　相对上升现象，给当地安全、附近区域海洋工程和海　洋测绘造成很大影响。为保障海岸防护和海滩开　发，曾采用桩基标石的形式在该ｊ角洲海岸潮间带　及附近陆、海区域建立了统一的测量控制网并结合　海岸工程项目进行了部分控制点检测ｌ２　Ｊ。在该网　论证、建设、管理、应用过程中，查阅了多种测绘档案　资料，以ＧＩＳ空间分析的方法克服了该地区资料不　足、不同系统的矛盾，对部分控制点沉降情况进行了　初步探讨，获得了该（类）地区控制网建立、管理、应　用的一些经验，并结合测量实践进行了初步验证，现　整理以供参考。　２　现有控制网基本情况及主要观点　黄河三角洲位于山东省东营、滨州两地级市区　域内。从各种档案资料来看，该地区在１９５３、１９６５、　１９６６、１９７３、１９８３、１９８５、１９８７、１９８９年间进行过部分　区块的建网工作；１９９０年施测的三等水准网（以下　简称Ａ网）将该三角洲陆地的大部分区块网基本联　接成一个整体；１９９２年施测一等支线（以下简称Ｂ　网），目的在于使该三角洲水准网与国家高等级水　准网联接；此后，该地区曾于１９９７年实施三等水准　网改造项目（以下简称Ｃ网）。　该地区最近一次大规模建网是在２００１年，该网　（以下简称Ｄ网）点位标志采用桩基标石和普通标　石相结合布设　，水准观测采用了数字水准的多次　均值模式　，部分点采用ＧＰＳ高程拟合方式获取，　并注重ＧＰＳ高程精度的检验　，测量文档采用数字　文档形式以便于管理挖掘　。以Ｃ网成果作参照，　部分控制点沉降统计见表１。　

表１　黄河三角洲地区部分控制点沉降情况统计　控制网　Ａ网　Ｂ网　１９９７年前其他网　名称　（相对于Ｃ网）　

观测　１９９０　１９９２　１９９７年前　时问　

点数　６２　４１（南２Ｏ，北ｌ９）　２０（南９，北１１）　原测　三等水准网　一等水准支线　各等级点　等级　

平均　４．２ｃｍ　３．８ｃｍ（南１．９ｃｍ，　南１８．６ｃｍ，北　

沉降　北５．８ｃｍ）［注１］　２６．９ｃｍ［注２］　

最大　５．４ｃｍ　７．８ｃｍ［注１］　３８．６ｃｍ［注２］　沉降　

最小　１．０ｅｍ　０．４ｃｍ　４．８ｃｍ　沉降　

沉降　沉降约４ｃｍ，　变化不均，南北两　变化不均，南北　区差异较大，有特　两区差异大，特　特点　变化均匀　异点　异点多　

［注１］：海港２９降６７．８ｃｍ，海港３２降１６．８ｃｍ，未统计。　［注２］：北区平均沉降值中未考虑海港环４（降５８．８ｃｍ）　与Ｇ东环５（降８０．１ｃｍ）。若不考虑呈１、呈５，　则北区平均下降３Ｏ．Ｉｃｍ。　

在本文完成之前，尤其是Ｄ网完成之前，关于　该地区控制点沉降，存在以下几个主要观点：　（１）依据以往各期观测数据与Ｃ网成果比较，　

收稿日期：２０１０．０６—３０；修回１５１期：２０１０—０７—２４　作者简介：苏衍坤（１９６７一），男，山东郓城人，高级工程师，硕士，主要从事测量、专题信息系统研究与培训。　第５期　苏衍坤，等　基于ＧＩＳ的黄河三角洲地区控制点沉降初步分析　该地区的水准点高程整体上呈下降趋势。　（２）由于１９９７年实施的该地区三等水准网改　造项目采用的控制点基本上分布在测区范围内，如　果地面整体下沉，控制点亦必同时随之沉降，所以从　该项目的观测数据中无法得出地面下沉与否的　结论。　（３）由于三等水准网改造项目所用已知点基本　上分布在该地区内部，所以基本上可排除因地面整　体沉降导致该地区水准点与三角点高程有规律下降　的可能。　（４）当地工程某些水准点与Ｂ网（“海港线”）　均为当年埋石当年观ｉ贝４，经过几个雨季后标石肯定　有较大下沉，是导致两条水准线路水准点高程降低　主要原因。　（５）高程差值由起算点差错引起。理由：黄河　以北地区除河口地区外的三角点基本上是从“Ⅲ清　３Ｌ”起算，当时该点采用高程是×．７３９ｍ，有人认为：　该点高程应为×．５８６ｍ，若减掉其中的差数，则黄河　以北地区（含河口）　角点高程平均下降１５．０ｃｍ，　该值与黄河以南地区的１８．６ｃｍ基本相符。　（６）上述标石沉降的问题在三角点上也肯定存　在，但能否达到１５．０～１８．６ｃｍ，还有待讨论。　

３基于Ｇ　ＪＳ的沉降变形分析　３．１　变形分析方法　变形测量的任务是应用各种测量手段，测定变　形体之形状、位置在时空域中的变化特征，并解释其　发生的原因¨Ｊ。在对所研究问题的背景不十分了　解时，Ｍｏｎｔｅ　Ｃａｒｌｏ实验仿真方法是一种有效的方　法。该方法首先根据经验对数据误差的种类和分布　模型进行假设，然后利用计算机进行模拟试验，将所　得结果与实际结果比较，找出与实际结果最接近的　模型。对于某些无法用数学公式描述的过程，用这　种方法可以得到实用公式，也可检验理论研究的正　确性　］。　３．２　黄河三角洲地区控制点沉降分析　当现实条件无法满足理论分析时，可先用可视　化方法总结规律，提出基本判断，再用部分事例验　证，然后，针对判断进行理论探讨。按照这一总体思　路，对黄河三角洲地区控制点（地表沉降）进行可视　化分析探讨。　黄河三角洲地区由河水携沙淤积而成，海岸湿　地是中国最大的湿地，海岸线随黄河水量不同而存　在明显淤刷，根据文献［１２］等绘制该地区变迁基本　情况见图１（ａ）。该区内软土十分发育，根据文献　［１３］等各种工程资料绘制软土分布图见图１（ｂ）。　（ａ）　角洲的形成与变迁　（ｂ）软土分布　图１　黄河　角洲变迁和软土分布基本情况　相对于ｃ网，该地区控制网沉降情况见图２。　试用叠置分析方法对沉降与软土的关系进行分　析。叠置是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新　的多边形和新多边范围的属性。点与多边形的叠置　可以确定一幅图上的点落在另一幅图的哪个多边形　中，并给相应点赋予新的属性内容。如一幅图表示　控制点的位置和沉降量，另一幅图为软土分布区域，　两图叠置后可得出每个软土分布区内有多少控制点　及分布情况。图１（ｂ）与图２叠置后可发现，发生明　显下沉的点均位于软土区内，而非软土区各点则无　明显下沉。　阁２部分建于１９９７年之前的控制点沉降情况　据１９９７年和２００１年测量绘制的点位沉降图表　明：常规方法所建控制点在这四年问仍以相似规律　沉降。见图３。　五　翌　～　一　１卜一｜【　图３具有多期观测值控制点沉降显示（１９８３～２００１年）　点一“五号桩（Ｉ海港３９）”、“Ⅲ海港环４”、“Ｉ海　港４５”、“Ｉ海港４１”，同处几平方公里范同，均按常　规方法建立，具有三期观测值，从图３可看出，各点　沉降情况差别很大。“海港环４”快速匀速下沉，１２　年内沉降量超过１Ｉｌｌ（１９９０年前后曾发现其他沉降　１ｍ多的控制点），进一步分析可认为该点下沉速度　海洋测绘　第３Ｏ卷　有加快趋势；“五号桩”、“海港４５”显然比“Ⅲ海港　环４”下沉速度慢得多，且下沉速度在明显变慢，但　１３年内下沉量也在０．５ｍ左右。试分析原因：“Ⅲ海　港环４”位于大堤上，大堤兼作道路，随着大堤加高，　自重不断增加，大堤自重和车辆通行使该处软土固　结加速，因此点位下沉加快。“五号桩”、“海港４５”　仍处于湿地中，周围环境无大变化，随着软土固结，　虽仍下沉，但下沉速度在变慢。“孤东环”下沉量大　也应与环境（近河、近海，围海造地，产油区）有关。　根据上述分析，曾对该地区的部分点进行过预　测，并在Ｄ网完成后的几年内，结合海岸防护等工　程对部分控制点监测，监测结果表明桩基标石可有　效抵抗软土固结自沉降的同时，也初步提示了该地　区地表沉降的一些规律ｌ３　Ｊ。“海港４１”等三角点连　测分析结论也与上述分析相符。　３．３沉降分析初步结论　试针对前述的六种观点重新分析或补充。　（１）更大范围的相关资料也表明该地区水准点　高程整体呈下降趋势。下降可能与地壳运动有　关＿ｌ叫；但软土区的点下降应与软土固结自沉降　有关。　（２）普通水准点相对于桩基水准点的下沉，表　明了部分区域地面确实在下沉，下沉主要原因之一　应是地表软土固结自沉降或受压后下降造成。　（３）区内的相对沉降与软土地层的情况相关，　陆地形成越晚，软土层越厚，则沉降速度越快。　（４）不排除当年埋石会造成水准点下降，但下　降主要原因不应是当年埋石而应是软土固结自　沉降。　（５）正因为减掉差数后会出现南区、北区沉降　值基本相符，所以不应该减掉差数；事实上，针对黄　河北的起算点问题，经查证，该网为１９９８年初至　１９９９年底布点，其测算成果中已包含１９９７年之后　的沉降量，且沉降量也基本符合上述规律。　（６）某些三角点确实也在下沉，下沉原因和规　律也基本符合上述分析。　４对建、管、用网的启示　该地区控制网沉降变形规律对控制网分期建　网、控制网改造及评估网使用期等具有参考意义。　４．１　分期建网　分期建网是相对于控制网一期建成而言。对于　工程钡０图控制网来说，当测区范围较大时，经常使用　边长较长、测量精度较高的高级网，来控制边长较　短、精度较低的低级网，以期相对点位精度大致均　匀，点位误差的积累相对减弱。此时的分期建网通　常又称为“分级建网”。分期建网时，后期网的测量　精度可以按设计选择，当在前期网的局部范围内或　前期的扩展区建立后期网，目的是提高这一区域的　相对点位精度时，则后期网的测量精度应高于前期　网的测量精度　。　软土海岸的大型工程，应尽量统一建网，或先建　立一个统一的骨架网，应尽量避免分区建网；必须实　施分期（级）建网时，后期网应评估起算点沉降　变形。　４．２控制网改造（动态平差）　控制网改造，通常指坐标系统（高程基准）、投　影方式的变换；变换的假设前提是：控制网内部未发　生变化，或控制网的某些局部未发生变化，观测值或　部分观测值仍然可用。该前提实质上忽略了观测值　的时间属性。考虑到形变因素的影响，地震部门在　进行平差计算时，往往使用动态平差方法，把变形速　度考虑进去，把平差结果视为某个时间点的成果，进　而求得变形速度。这样做虽考虑了时间属性，但隐　含的前提是：控制点成果的变化是测量标志所在地　的地壳变形的反映。依照此思路处理水准网复测　时，对于一个复测水准网，无论是第一周期或第二周　期，各线路的施测年代是各不相同的，地面上两点问　的高差随着时问的变化也应该是不同的，但高差的　变化速率则被认为是同向均匀的，这是现在的复测　水准网动态平差的基础¨　，文献［１６］据此探讨了　全国地壳变形规律。　软土地区的控制网改造，需分析各点位环境、分　别处理。可先使用变形分析方法（如平均间隙法）　找出相对稳定点组，再联测相对稳定点组的部分点　到稳定区，求普降参数，然后再改造。联（检）测时，　联测方法尽量与原测方法一致，如：ＧＰＳ网应使用　ＧＰＳ联测；采用ＧＰＳ拟合方法时，水准与ＧＰＳ应尽　可能实现同期观０ｎ．４（正如ＧＰＳ＋测深仪实施无验潮　的水下地形测量），以减弱水准观测与ＧＰＳ观测期　间的变形影响。联测应用控制成果时要注意，软土　地区通行条件差，工程和环境变化相互影响，使用次　数多的点往往比其周围点的沉降量大。　４．３　网使用期　所谓网使用期，指控制网可有效使用的期限。　对该区部分常规标志控制点使用期初步估算：等级　水准测量选用起算点时，１９３５年前形成区域内可参　照一般地区；埕子口附近的点为３～５年；飞雁滩、桩　西、海港西附近约为３年；海港南附近约为２年；孤　东地区小于２年；新滩地区小于２年，个别滩涂处约