CN108647443B - 融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地面沉陷程度测算技术领域，特别是涉及一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法,该方法包括将开采前、后地面高程数据导入ArcGIS软件，插值处理获得地面高程完整数据；选择开采前、后地面高程区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；计算开采后开采面某时段各测试点的熵权；利用ArcGIS软件生成熵权向量地面高程等高线图；利用ArcGIS软件中的面积查询工具对已生成等高线图中的相邻等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的区域面积，得到煤矿开采后某时段内开采面沉陷程度的空间变化特征。本发明从一定程度上减少了不确定性因素对地面沉陷测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性。

Description

融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法

技术领域

本发明属于地面沉陷程度测算技术领域，特别是涉及一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法。

背景技术

煤层开采前，煤层与周围岩体、上覆含水层处于三向应力条件下的平衡状态。煤层开采后，采动破坏了煤层与围岩的原始平衡关系，引起了原岩应力的重新分布，形成的新结构与构造形态使得自身趋于稳定，与周围地质体形成新的平衡。因而，煤层开采会造成地层变动，地面的表现形式为沉陷区。沉陷区原有的水平向径流转变为水平向、垂向径流过程，变动地层垂向渗透系数(K_z)的变化，影响了补给时间。地层的变动、地形的变化直接影响到水循环路径、时间及交换过程。

对地表沉陷区来说，煤层开采后，潜水位下降，包气带厚度增加，降雨下渗首先补充增加包气带厚度蓄水量，达到饱和后继续下渗，形成地下水径流，延缓地表水对地下水补给时间。如下降后潜水位高于沉陷区高程，形成积水盆地，陆面蒸发转换为水面蒸发，蒸发量增加，盆地积水下渗到地下含水层，汇入下游，补充河川径流，当沉陷盆地充满时，通过地表径流汇入下游，补充河川径流；如下降后潜水位低于沉陷区高程，转变为包气带潜水蒸发。整体来看，地表沉陷区的形成延缓了地表水、地下水对河川径流补给时间、补给量。

因此，通过以地面沉陷随时间的动态变化过程和沉陷程度的空间变化为特征的预测方法，从度量信息源的复杂性、不确定性、无序化角度量化地面沉陷的动态变化过程，一定程度上减少了不确定性因素对地面沉陷测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性。

国内外学者对地面沉陷预测方法做出了大量深入细致的研究，提出了许多实用有效的理论和方法。DM(n，h)模型预测方法预测精度高；指数平滑法在拟合方面精度较高，但预测精度一般；利用三次指数平滑法对开采沉陷参数进行预测的方法易掌握，可利用预测误差校正新的预测值，但没考虑影响地面变形的诸多因素；时间序列分析方法利用概率积分法预计参数，建立动态预计模型，对传统地面下沉的相对预计误差提高到4％；Knothe时间函数结合概率积分法可预计地表动态下沉、倾斜、曲率、水平移动和水平变形值，但该方法的一阶导数、二阶导数在开采的初始时空并不等于零，表明Knothe时间函数本身不完全与地表移动的实际工程吻合，具有应用的局限性。上述常用的计算方法集中于有限单元法、离散单元法、边界元法、拉格朗日法等，应用于开采沉陷动态过程研究中，促进了由于煤炭开采引发地表移动及变形机理有了更准确的认识。由于煤炭上覆含、隔水层结构本身的复杂性和特殊性，隔水层结构的控制作用及强度结构对岩体力学性质的影响，使得煤炭开采引发地面沉陷受到多因素影响，预测值与实际值难免会出现一定的误差，当开采面发生变化，引发不确定性因素影响结果更加难以确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，旨在对煤矿开采引发地面沉陷程度进行测算，判断地面沉陷随时间的动态变化过程和沉陷程度的空间变化。该测算方法从度量信息源的复杂性、不确定性、无序化角度量化地面沉陷的动态变化过程，从一定程度上减少了不确定性因素对地面沉陷测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，包含以下步骤：

步骤1，获取煤矿开采前、后开采区范围内的地面高程数据；

步骤2，将开采前、后地面高程数据导入ArcGIS软件，插值处理获得开采前、后地面高程完整数据；

步骤3，利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采前、后地面高程区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；

步骤4，构建开采后开采面某时段测试点与开采前的差值R矩阵，计算开采后开采面某时段各测试点的熵权；

步骤5，利用ArcGIS软件生成熵权向量地面高程等高线图；

步骤6，利用ArcGIS软件中的面积查询工具对步骤5中已生成等高线图中的相邻等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的区域面积，得到煤矿开采后某时段内开采面沉陷程度的空间变化特征。

进一步地，所述步骤1的具体实现过程为：开采前、后根据矿井开采规划对开采区范围各向延伸20％的区域进行地面高程测定，采用水准仪和TrimbleGS2000三维激光扫描系统对待分析的开采前、后开采面地面高程进行测定，两种测量方法相互印证，对偏差超过5％的局部点/面进行核准调整，得到开采前、后开采区范围内的地面高程数据。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程为：

在ArcGIS软件下导入地面高程数据文件，文件--添加数据--添加XY数据--选择数据文件--生成事件，生成事件图层后导出数据；

采用ArcGIS软件3D分析模块克里金插值工具，对盲点区地面高程进行插值处理，空间分析工具--插值--自然邻域法--克里金插值--生成插值后地面高程完整数据。

进一步地，所述步骤3的具体实现过程为：

利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采面区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出，绘制--面--选择开采面区域--生成面文件--将图形转换为要素。

进一步地，所述步骤4的具体实现过程为：

步骤401，假定开采后测定m个时段，每次测定有n个点，构建矩阵R

R＝(x_st)_m*n，(s＝1，2，…，m；t＝1，2，…，n)，

式中，x_st为第s次测定的第t个点的实测值与该点开采前的差值；

步骤402，将判断矩阵R归一化，得到归一化矩阵B，B的元素为：

式中，x_max，x_min为测试点的最大值、最小值；

步骤403，定义各评价测试点的熵为：

式中：

当f_st＝0时，ln(f_st)无意义，因此对f_st的计算加以修正，将其定义为：

计算各项指标的熵权

W＝(ω_t)_1*n，

且满足

熵权向量的大小实际上反映了各测试点在相应时间段内的相对影响程度，根据熵权向量的大小即可判定煤矿开采后某时段内开采面地面沉陷发育情况。

进一步地，所述步骤5中利用ArcGIS软件分析模块中的表面分析工具，将步骤4得到的开采区各测试点熵权向量的大小生成地面高程等高线图。

进一步地，所述步骤5中地面高程等高线图中相邻两条熵权向量等高线间的距离为0～1.0mm。

进一步地，所述步骤6中获得每一条等高线以上的区域面积的具体操作为：选择开采前地面高程区域面文件等高线图中的任意一条等高线，在编辑器中进行裁剪--拆分--面积查询。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、煤矿开采后，地面沉陷受到煤层上覆含、隔水层、开采方式等多因素的影响，本测算方法融合ArcGIS与熵权法的特点，一定程度上减少了随机因素对煤矿开采后对地面沉陷发育测算结果的影响，提高了测算结果的科学性和准确性；本发明一是利用ArcGIS软件，反映现有状态下煤炭开采前后一时段内引起地面沉陷实际值，二是运用熵权法体现各种影响因子综合反映某点影响程度，可判定煤矿开采后某时段内开采面地面沉陷发育情况。该方法在实际应用中有效结合理论与实际，进一步减小误差，为地面沉陷预测提供一种新的预测方法，可为当地做好保护防范措施提供支撑，有利于当地社会经济、生态环境的保护问题。

2、通过融合ArcGIS与熵权法的测算，能够反映地面沉陷随时间的动态变化过程和沉陷程度的空间变化，为研究煤矿开采过程中对地面沉陷的空间变异性问题提供了一种解决方法。

3、本发明的测算方法无需复杂的编程，利用ArcGIS软件已有的界面操作、分析模块即可，对人员技术要求低，容易实现，具有较好的社会效益和经济效益，适于在市场上应用与推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法的流程示意图；

图2是煤矿开采面开采前地面高程测试图；

图3是煤矿开采面开采后地面高程测试图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，包含以下步骤：

步骤S101，获取煤矿开采前、后开采区范围内的地面高程数据；

开采前、后根据矿井开采规划对开采区范围各向延伸20％的区域进行地面高程测定，采用水准仪和TrimbleGS2000三维激光扫描系统对待分析的开采前、后开采面地面高程进行测定，两种测量方法相互印证，对偏差超过5％的局部点/面进行核准调整，得到开采前、后开采区范围内的地面高程数据。

步骤S102，将开采前、后地面高程数据导入ArcGIS软件，为细化开采面各点高程，采用ArcGIS软件3D分析模块克里金插值工具，对盲点区地面高程进行插值处理，获得开采前、后地面高程完整数据；

如图2和图3所示，在ArcGIS软件下导入地面高程数据文件，文件--添加数据--添加XY数据--选择数据文件--生成事件，生成事件图层后导出数据，然后，空间分析工具--插值--自然邻域法--克里金插值--生成插值后地面高程完整数据。

步骤S103，利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采前、后地面高程区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；

利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采面区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出，绘制--面--选择开采面区域--生成面文件--将图形转换为要素。

步骤S104，构建开采后开采面某时段测试点与开采前的差值R矩阵，计算开采后开采面某时段各测试点的熵权；

假定开采后测定m个时段(如开采后第1个月、第2个月等)，每次测定有n个点，构建矩阵R

R＝(x_st)_m*n，(s＝1，2，…，m；t＝1，2，…，n)，

式中，x_st为第s次测定的第t个点的实测值与该点开采前的差值；

将判断矩阵R归一化，得到归一化矩阵B，B的元素为：

式中，x_max，x_min为测试点的最大值、最小值；

定义各评价测试点的熵为：

式中：

当f_st＝0时，ln(f_st)无意义，因此对f_st的计算加以修正，将其定义为：

计算各项指标的熵权

W＝(ω_t)_1*n，

且满足

熵权向量的大小实际上反映了各测试点在相应时间段内的相对影响程度，根据熵权向量的大小即可判定煤矿开采后某时段内开采面地面沉陷发育情况。

步骤S105，利用ArcGIS软件生成熵权向量地面高程等高线图；

利用ArcGIS软件分析模块中的表面分析工具，将步骤S104得到的开采区各测试点熵权向量的大小生成地面高程等高线图。地面高程等高线图中相邻两条熵权向量等高线间的距离为0～1.0mm，优选为0.2mm。

步骤S106，利用ArcGIS软件中的面积查询工具对步骤S105中已生成等高线图中的相邻等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的区域面积，得到煤矿开采后某时段内开采面沉陷程度的空间变化特征；

获得每一条等高线以上的区域面积的具体操作为：选择开采前地面高程区域面文件等高线图中的任意一条等高线，在编辑器中进行裁剪--拆分--面积查询。

为了便于理解，下面结合一个具体实施例对本发明进一步详细描述：

(1)选取陕西省锦界煤矿第一阶段31、34开采盘区为测试研究区。

(2)将两种测量方法核准的地面数据高程(开采前后地面高程差)导入ArcGIS软件，按照开采盘区上下16个等间距，左右12个等间距进行插值。

(3)计算16*12矩阵的熵权。

(4)将上述得到的开采区各测试点熵权向量的大小生成地面高程等高线图，得到煤矿开采后开采面沉陷程度的空间变化特征。

(5)采用ArcGIS软件中的面积查询工具对已生成等高线图中的相邻等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的区域面积，可统计不同区域地面沉陷程度值(沉陷严重区、沉陷一般区、不沉陷区)。

表1是锦界煤矿开采第一阶段后地面沉陷至熵权向量分布表

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (8)

1.一种融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，获取煤矿开采前、后开采区范围内的地面高程数据；

步骤2，将开采前、后地面高程数据导入ArcGIS软件，插值处理获得开采前、后地面高程完整数据；

步骤3，利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采前、后地面高程区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出；

步骤4，构建开采后开采面某时段测试点与开采前的差值R矩阵，计算开采后开采面某时段各测试点的熵权；

假定开采后测定m个时段，每次测定有n个点，构建矩阵R如下：

R＝(x_st)_m*n，

式中，s＝1，2，…，m；t＝1，2，…，n；x_st为第s次测定的第t个点的实测值与该点开采前的差值；

步骤5，利用ArcGIS软件生成熵权向量地面高程等高线图；

步骤6，利用ArcGIS软件中的面积查询工具对步骤5中已生成等高线图中的相邻等高线依次进行面积查询，获得每一条等高线以上的区域面积，得到煤矿开采后某时段内开采面沉陷程度的空间变化特征。

2.根据权利要求1所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现过程为：开采前、后根据矿井开采规划对开采区范围各向延伸20％的区域进行地面高程测定，采用水准仪和TrimbleGS2000三维激光扫描系统对待分析的开采前、后开采面地面高程进行测定，两种测量方法相互印证，对偏差超过5％的局部点/面进行核准调整，得到开采前、后开采区范围内的地面高程数据。

3.根据权利要求1所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程为：

在ArcGIS软件下导入地面高程数据文件，文件--添加数据--添加XY数据--选择数据文件--生成事件，生成事件图层后导出数据；

采用ArcGIS软件3D分析模块克里金插值工具，对盲点区地面高程进行插值处理，空间分析工具--插值--自然邻域法--克里金插值--生成插值后地面高程完整数据。

4.根据权利要求1所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤3的具体实现过程为：

利用ArcGIS软件中的绘图工具，选择开采面区域生成面文件，并将面文件转换为要素图层输出，绘制--面--选择开采面区域--生成面文件--将图形转换为要素。

5.根据权利要求1所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤4中计算开采后开采面某时段各测试点的熵权的具体实现过程为：

步骤401，将判断矩阵R归一化，得到归一化矩阵B，B的元素为：

式中，x_max，x_min为测试点的最大值、最小值；

步骤402，定义各评价测试点的熵为：

式中：

当f_st＝0时，ln(f_st)无意义，因此对f_st的计算加以修正，将其定义为：

计算各项指标的熵权：

W＝(ω_t)_1*n，

且满足

熵权向量的大小实际上反映了各测试点在相应时间段内的相对影响程度，根据熵权向量的大小即可判定煤矿开采后某时段内开采面地面沉陷发育情况。

6.根据权利要求1或者5所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤5中利用ArcGIS软件分析模块中的表面分析工具，将步骤4得到的开采区各测试点熵权向量的大小生成地面高程等高线图。

7.根据权利要求6所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤5中地面高程等高线图中相邻两条熵权向量等高线间的距离为0～1.0mm。

8.根据权利要求1所述的融合ArcGIS与熵权法的地面沉陷程度测算方法，其特征在于，所述步骤6中获得每一条等高线以上的区域面积的具体操作为：选择开采前地面高程区域面文件等高线图中的任意一条等高线，在编辑器中进行裁剪--拆分--面积查询。

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