CN116295539B - 基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下空间监测领域，具体涉及基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，采集各监测参数的监测数据，获取地下空间监测矩阵；获取各监测数据的第一噪点置信度以及第二噪点置信度；根据第一噪点置信度与第二噪点置信度的加权求和得到噪点置信度，根据噪点置信度提取各噪点，并计算各噪点的表征值，得到去噪后的地下空间监测矩阵；对重构地下空间监测矩阵中每个行向量初步监测指标进行计算，进而得到重构地下空间矩阵的综合监测指标；根据综合监测指标对重构地下空间监测矩阵进行异常判定；根据重构地下空间监测矩阵异常判定结果，对地下空间环境状况进行监测预警。从而实现地下空间的监测，避免噪点影响，提高监测速度及精度。

Description

基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法

技术领域

本申请涉及地下空间监测领域，具体涉及基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法。

背景技术

城市地下空间有着一定的特殊性，其在实施工程过程中极易出现地面塌陷以及沉降问题，相关工作人员应加强对其安全性的重视，重大工程和高层建筑施工中挖掘的基坑涵洞间杂分布，叠加本就复杂的水文地质条件，对城市运行的整体安全水平造成严重威胁。地下空间的环境等因素对于地下空间建筑结构具有较大的影响，地下空间如果没有必要的通风设备，那么空气根本无法流通，有害污染物就只能越积越多，对人体危害越大。为降低施工风险，保证城市地下空间的安全性，应对地下空间进行相应的监测。

现有地下空间探测方法的技术支撑不够扎实，在类似长三角区域的城市，地下水较为富集，而且在深基坑周边、地铁盾构区间、暗浜暗塘分布区等复杂地质区块，探测深度应达到20m-30m，目前地质雷达低频天线一般在3到5m左右，无法实现对复杂地质区块的。依赖单一技术手段实施勘测，或将造成部分路段地质安全隐患的误判、漏判。

综上所述，本发明提出基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，通过多维传感器对地下空间环境参数数据进行采集，获取地下空间监测矩阵，通过对地下空间监测矩阵的分析，提取噪点数据，并对地下空间监测数据中的异常数据进行提取，以便进行相应的预警提示。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，以解决现有的问题。

本发明的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，该方法包括以下步骤：

通过各种传感器采集各监测参数的监测数据，获取地下空间监测矩阵；

依次将地下空间监测矩阵中的每个监测数据记为待判定监测数据；

根据待判定监测数据与左右相邻监测数据间的差异得到第一噪点置信度； 根据同一时刻不同监测参数各监测数据的第一噪点置信度状况以及各监测数据之间的空间维度差异情况得到第二噪点置信度；根据第一噪点置信度与第二噪点置信度的加权求和得到噪点置信度；将噪点置信度高于噪点置信度阈值的待判定监测数据标记为噪点；

根据各噪点局部监测数据集合内包含的监测数据得到各噪点的表征值；将地下空间监测矩阵中各噪点替换为各噪点的表征值，得到去噪后的地下空间监测矩阵；

根据PCA主成分分析算法对去噪后的地下空间监测矩阵进行降维处理得到重构地下空间监测矩阵；根据重构地下空间监测矩阵中每个行向量中重构监测数据的方差、最大值以及最小值得到每个行向量的初步监测指标；将重构地下空间监测矩阵中所有行向量的初步监测指标均值作为重构地下空间矩阵的综合监测指标；

根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标对地下空间状况进行监测。

优选的，所述根据待判定监测数据与左右相邻监测数据间的差异得到第一噪点置信度，表达式为：

式中，为监测数据的第一噪点置信度，分别为监 测参数m在数据采集时刻n、n-1、n+1的监测数据，ln()为以自然常数e为底数的对数函数，为取最小值操作。

优选的，所述根据同一时刻不同监测参数各监测数据的第一噪点置信度状况以及各监测数据之间的空间维度差异情况得到第二噪点置信度，表达式为：

式中，监测数据的第二噪点置信度，为监测数据的第一噪点置 信度，M为监测参数总个数，为监测参数m、m+1、m-1在数据采集时刻n 的监测数据，为监测数据的空间维度差异，为监测数据的空间维度差 异，监测数据的空间维度差异，为相乘操作，∑为求和操作，为取最小 值操作。

优选的，所述根据各噪点局部监测数据集合中包含的监测数据得到各噪点的表征值，表达式为：

式中，为噪点的表征值，其中，将噪点左右两边各数个非噪点监测数据记为 噪点的局部监测数据集合，为噪点的局部监测数据集合，为噪点局部监测数 据集合中的监测数据，为监测参数i在数据采集时刻j的监测数据，为监测参数u在数 据采集时刻v的监测数据，e为自然常数，为相乘操作，∑为求和操作。

优选的，所述根据重构地下空间监测矩阵中每个行向量中重构监测数据的方差、最大值以及最小值得到每个行向量的初步监测指标，表达式为：

式中，为行向量a的初步监测指标，为行向量a内的重构监测数据方差，为行 向量内重构监测数据的个数，为相乘操作，为行向量a中数据采集时刻r对应的重构监 测数据，为取最大值操作，为取最小值操作。

优选的，所述根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标对地下空间状况进行监测，具体为：

当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标低于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为正常监测矩阵，地下空间环境正常，不做异常预警；

当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标高于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为异常监测矩阵，做出地下空间环境异常的蜂鸣预警。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明方法可实现对地下空间环境状况的实时监测，相比传统经过单一传感器进行环境监测以及对环境参数数据设置限值标定方法，本发明结合多维环境参数数据对地下空间环境状况进行综合表征，并考虑到数据采集过程中噪点数据的影响，通过对地下空间监测矩阵中噪点的自适应提取滤除，解决了噪点对地下空间监测精度的影响，提高监测精度；

同时，结合对重构地下空间监测矩阵中监测数据的类别划分，对异常监测数据集合进行提取，避免对检测数据进行固定限值标定导致误预警的情况，能够对地下空间监测数据中的异常数据进行准确提取，对地下空间环境状况的监测具有较高准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。

图1为本发明提供的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法的流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法的具体方案。

本发明一个实施例提供的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法。

具体的，提供了如下的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，请参阅图1，该方法包括以下步骤：

步骤S001，通过多种传感器对地下空间勘探数据进行采集，获取地下空间监测相关参数的数据，构建地下空间监测矩阵。

首先，本实施例主要通过地下空间多维监测参数数据的实时状况对地下空间进行监测，实现异常情况的预警。本实施例旨在对地下空间环境状况进行分析，地下空间环境监测相关的监测参数有很多，包括但不限于温度，湿度，气压，噪声，亮度，颗粒物，二氧化硫，二氧化氮等，地下空间监测参数数量记为M，通过相应的传感器对地下空间监测参数数据进行采集，以得到各监测参数的监测数据。需要说明的是，传感器类型以及位置部署实施者可自行选取设定。为避免传感器数据采集过程中的功耗，同时考虑到环境监测参数的变化具有一定的连续性，本实施将设置数据采集时间间隔t，也即每间隔t时刻采集一次各监测参数的监测数据，对每个监测参数均采集N次监测数据，本实施例设置为t=1，N=500，其他实施例中实施者可根据实际自行设置。

获取地下空间各监测参数的监测数据后，本实施例将根据各监测参数的监测数据构建地下空间监测矩阵，将每个监测参数的监测数据作为监测矩阵的每行，M个监测参数的监测数据构成一个M*N的地下空间监测矩阵，地下空间监测矩阵具体为：

式中，为监测参数M在数据采集时刻N时的监测数据，K为地下空间监测矩阵。

至此，即可通过各数据采集传感器对对应地下空间监测参数的监测数据进行采集，得到地下空间环境监测的监测矩阵。

步骤S002，对地下空间监测矩阵进行分析，提取地下空间监测矩阵中的噪点，并对重构地下空间监测矩阵的综合监测指标进行提取。

本实施例根据获取的地下空间监测矩阵，将对地下空间监测矩阵进行分析，对异常监测数据进行提取，获取地下空间特征参数，对地下空间环境状况进行监测，具体过程为：

考虑到传感器自身结构因素，在进行数据采集过程中，传感器自身半导体等器件 产生的不连续的散粒噪声以及低频噪声等，导致所采集的监测数据中存在大量的噪点，同 时，地下空间环境较为复杂，处于较为封闭的环境，传感器在进行数据采集时，极易受到外 界环境因素的影响，造成采集的监测数据中出现噪点数据，进而影响城市地下空间的监测 精度。而传统去噪过程大多对所有数据均进行滤波等处理，该过程计算量大且对于正常数 据将会出现过度平滑现象，导致数据精度不高。因此，对于地下空间监测矩阵，本实施例 将提取噪点数据，对地下空间监测矩阵中的噪点进行检测，以便自适应滤除地下空间监测 矩阵中的噪点，避免噪点对地下空间环境状况监测的影响。噪点提取具体过程为：

首先，对于地下空间监测矩阵中的各监测数据，依次记为待判定监测数据，考虑到噪点大多不具有连续特性，本实施例将根据待判定监测数据左右相邻监测数据之间的差异，分析待判定监测数据的时序特征，构建待判定监测数据第一噪点置信度，第一噪点置信度表达式为：

式中，为监测数据的第一噪点置信度，分别为监 测参数m在数据采集时刻n、n-1、n+1的监测数据，ln()为以自然常数e为底数的对数函数，为取最小值操作。第一噪点置信度主要分析待判定监测数据在时间维度上的变化情 况，根据第一噪点置信度可知，待判定监测数据与相邻监测参数数据之间的差异越大，则待 判定监测数据的第一噪点置信度越高，为噪点的可能性也越大；

重复上述方法，获取各待判定监测数据的第一噪点置信度；

进一步，考虑到地下空间环境较为复杂，当环境中存在噪声时将对各传感器数据采集过程均产生影响，因此，当某时刻存在环境噪声时，同一时刻不同传感器数据采集过程中大多都会受到影响，导致该时刻各监测参数的监测数据均发生变化，因此，为提高噪点数据的提取精度，本实施例将结合多维度地下空间各监测参数的监测数据变化情况，对待判定监测数据第二噪点置信度进行分析，根据同一时刻不同监测参数各监测数据的第一噪点置信度状况以及各监测数据之间的空间维度差异情况得到第二噪点置信度，表达式为：

式中，监测数据的第二噪点置信度，为监测数据的第一噪点置 信度，M为监测参数总个数，为监测参数m、m+1、m-1在数据采集时刻n 的监测数据，为监测数据的空间维度差异，为监测数据的空间维度差 异，监测数据的空间维度差异，为相乘操作，∑为求和操作，为取最小 值操作。第二噪点置信度用于表征待判定监测数据的在不同监测参数维度上的数据变化情 况，结合多维度监测参数对待判定监测数据的噪点可能性进行分析；

重复上述方法，获取各待判定监测数据的第二噪点置信度；

根据第一噪点置信度以及第二噪点置信度，构建噪点置信度模型，对各待判定监测数据进行噪点置信度分析，以对地下空间监测矩阵中的噪点进行检测提取，噪点置信度表达式具体为：

式中，监测数据的噪点置信度，分别为第一噪点置信度权值、第二 噪点置信度权值，实施者可自行设定取值，本实施例设置为；

重复上述方法，获取各待判定监测数据的噪点置信度；

最后，对待判定监测数据噪点置信度进行归一化处理，保证噪点置信度处（0,1），并设置噪点置信度阈值，对地下空间监测矩阵中的噪点进行检测，当待判定监测数据的噪点置信度高于预设噪点置信度阈值时，对该待判定监测数据进行噪点标记。需要说明的是，归一化处理现有技术方法有很多，不在本实施例中做详细阐述。噪点置信度阈值的选取实施者可自行设定，本实施例将噪点置信度阈值设定为0.5；

重复上述方法对地下空间监测矩阵中的所有噪点均进行检测标记，实现对地下空间监测矩阵中各噪点的提取。本实施例通过时间维度以及多维监测参数空间角度对地下空间监测矩阵中的各监测数据件噪点置信度的分析，不仅考虑了传感器自身噪声的影响，同时分析外界环境因素对于数据采集过程中的影响，对监测数据中的噪点进行提取，具有较高的噪点检测精度；

至此，可提取地下空间监测矩阵中的所有噪点。

对于地下空间监测矩阵中的各噪点，为保证数据的完整性以及监测数据的精度，本实施例将对各噪点数据进行滤除。首先，依次以噪点为中心，将噪点左右两边数个非噪点监测数据记为噪点的局部监测数据集合，根据各噪点局部监测数据集合中包含的监测数据及监测数据的权值得到各噪点的表征值，其中，噪点左右两边各数个非噪点监测数据的数量实施者可自行设置，本实施例中以噪点为中心，分别获取噪点左右两边各10个非噪点监测数据，将噪点左右两边各10个非噪点监测数据作为该噪点的局部监测数据集合，最后根据各噪点局部监测数据集合中包含的监测数据得到各噪点的表征值，表达式为：

式中，为噪点的表征值，为噪点的局部监测数据集合，为噪点 局部监测数据集合中的监测数据，为监测参数i在数据采集时刻j的监测数据，为监 测参数u在数据采集时刻v的监测数据，e为自然常数，为相乘操作，∑为求和操作。

重复上述方法，获取各噪点的表征值，将地下空间监测矩阵中各噪点替换为各噪点的表征值，以便对地下空间监测矩阵中的噪点进行去除，得到去噪后的地下空间监测矩阵。

为降低地下空间监测过程中的计算量，避免监测参数之间的影响，降低无关监测 参数对于地下空间监测的干扰，同时考虑到避免相关性较高的监测参数在地下空间监测时 的重复分析，本实施例将先对去噪后的地下空间监测矩阵中的各监测数据进行归一化处 理，并通过PCA（Principal Component Analysis，PCA）主成分分析算法对地下空间监测矩 阵进行主成分分析，通过降维操作降低地下空间监测矩阵的维度并得到能够综合表征地下 空间环境状况的监测数据，具体的归一化处理过程以及PCA主成分分析降维操作以及降维 维数的设定为现有公知技术，实施者可自行选取。对地下空间监测矩阵K归一化并降维操作 后得到一个R*N的重构地下空间监测矩阵，记为，其中。

对于重构地下空间监测矩阵，为提高地下空间环境状况的监测速度，本实施例将对重构地下空间监测矩阵进行综合分析，提取重构地下空间监测矩阵的综合监测指标，以实现对地下空间环境状况的综合监测。首先，根据重构地下空间监测矩阵中每个行向量中重构监测数据的方差、最大值以及最小值得到每个行向量的初步监测指标，行向量a的初步监测指标表达式为：

式中，为行向量a的初步监测指标，为行向量a内的重构监测数据方差，为行 向量内重构监测数据的个数，为相乘操作，为行向量a中数据采集时刻r对应的重构监 测数据，为取最大值操作，为取最小值操作。初步监测指标越高，则对应行向量 中的重构监测数据波动程度较大，存在异常监测数据的可能性越大。

重复上述方法，获取每个行向量的初步监测指标。

然后，将所有行向量的初步监测指标均值作为重构地下空间监测矩阵的综合监测指标。

至此，可对地下空间矩阵中的噪点进行检测提取，可有效防止噪点对地下空间智能监测精度的影响；同时，对去噪后的地下空间监测矩阵进行降维处理，提高监测速度，保证地下空间环境状况的监测精度；根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标，对重构地下空间监测矩阵的异常情况进行判定。

步骤S003，根据重构地下空间监测矩阵异常情况的判定结果，对地下空间环境状况进行预警。

根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标，可对重构地下空间监测矩阵的异常情况进行判定，进而实现对地下空间状况的监测。当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标低于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为正常监测矩阵，对应地下空间环境较为适宜，不做异常预警；

当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标高于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为异常监测矩阵，重构地下空间监测矩阵中出现异常监测数据，做出地下空间环境异常的蜂鸣预警。

至此，可根据本实施例的方法基于城市地下空间勘探数据的分析，对地下空间环境状况进行准确监测。

综上所述，本发明实施例通过对多维度城市地下空间勘探数据的分析，可实现对地下空间环境状况的实时监测，相比传统经过单一传感器进行环境监测以及对环境参数数据设置限值标定方法，本发明结合多维环境参数数据对地下空间环境状况进行综合表征，并考虑到数据采集过程中噪点数据的影响，通过对地下空间监测矩阵中噪点的自适应提取滤除，解决了噪点对地下空间监测精度的影响，提高监测精度；

同时，本发明实施例结合对重构地下空间监测矩阵中监测数据的类别划分，对异常监测数据集合进行提取，避免对检测数据进行固定限值标定导致误预警的情况，能够对地下空间监测数据中的异常数据进行准确提取，对地下空间环境状况的监测具有较高准确性。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过各种传感器采集各监测参数的监测数据，获取地下空间监测矩阵；

依次将地下空间监测矩阵中的每个监测数据记为待判定监测数据；

根据待判定监测数据与左右相邻监测数据间的差异得到第一噪点置信度；根据同一时刻不同监测参数各监测数据的第一噪点置信度状况以及各监测数据之间的空间维度差异情况得到第二噪点置信度；根据第一噪点置信度与第二噪点置信度的加权求和得到噪点置信度；将噪点置信度高于噪点置信度阈值的待判定监测数据标记为噪点；

根据各噪点局部监测数据集合内包含的监测数据得到各噪点的表征值；将地下空间监测矩阵中各噪点替换为各噪点的表征值，得到去噪后的地下空间监测矩阵；

根据PCA主成分分析算法对去噪后的地下空间监测矩阵进行降维处理得到重构地下空间监测矩阵；根据重构地下空间监测矩阵中每个行向量中重构监测数据的方差、最大值以及最小值得到每个行向量的初步监测指标；将重构地下空间监测矩阵中所有行向量的初步监测指标均值作为重构地下空间矩阵的综合监测指标；

根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标对地下空间状况进行监测；

所述根据待判定监测数据与左右相邻监测数据间的差异得到第一噪点置信度，表达式为：

式中，为监测数据/>的第一噪点置信度，/>分别为监测参数m在数据采集时刻n、n-1、n+1的监测数据，ln()为以自然常数e为底数的对数函数，/>为取最小值操作；

所述根据同一时刻不同监测参数各监测数据的第一噪点置信度状况以及各监测数据之间的空间维度差异情况得到第二噪点置信度，表达式为：

式中，监测数据/>的第二噪点置信度， />为监测数据/>的第一噪点置信度，M为监测参数总个数，/>为监测参数m、m+1、m-1在数据采集时刻n的监测数据，/>为监测数据/>的空间维度差异，/>为监测数据/>的空间维度差异，/>监测数据/>的空间维度差异，/>为相乘操作，∑为求和操作，/>为取最小值操作；

所述根据各噪点局部监测数据集合中包含的监测数据得到各噪点的表征值，表达式为：

式中， 为噪点/>的表征值，其中，将噪点左右两边各数个非噪点监测数据记为噪点的局部监测数据集合，/>为噪点/>的局部监测数据集合，/>为噪点/>局部监测数据集合中的监测数据，/>为监测参数i在数据采集时刻j的监测数据，/>为监测参数u在数据采集时刻v的监测数据，e为自然常数，/>为相乘操作，∑为求和操作；

所述根据重构地下空间监测矩阵中每个行向量中重构监测数据的方差、最大值以及最小值得到每个行向量的初步监测指标，表达式为：

式中，为行向量a的初步监测指标，/>为行向量a内的重构监测数据方差，/>为行向量内重构监测数据的个数，/>为相乘操作，/>为行向量a中数据采集时刻r对应的重构监测数据，/>为取最大值操作，/>为取最小值操作。

2.如权利要求1所述的基于城市地下空间勘探数据的地下空间监测方法，其特征在于，所述根据重构地下空间监测矩阵的综合监测指标对地下空间状况进行监测，具体为：

当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标低于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为正常监测矩阵，地下空间环境正常，不做异常预警；

当重构地下空间监测矩阵的综合监测指标高于监测指标阈值时，记重构地下空间监测矩阵为异常监测矩阵，做出地下空间环境异常的蜂鸣预警。