利用Surfer进行沉陷监测数据处理的方法与实践
摘要：本文结合某采空区地表沉陷观测的实践工作过程，讨论EXCELL对沉陷监测数据的进行管理存储及利用 Surfer8.0实现沉陷分析和预报的三维可视化方法，对此类工程的实施具有一定的借鉴意义。
关键词：变形监测，Surfer，三维可视化
一、前言
变形是自然界普遍存在的现象，变形体的变形在一定范围内是允许的，如果超出一定值就可能引发灾害。为了确定变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征，我们需要用专用仪器来观测而获取变形数据，这就是变形监测。变形监测工作的意义主要表现在两个方面：一方面是实用上的意义,掌握各建筑物和地质构造的稳定性并诊断其安全性，以便及时发现问题并采取措施；另一方面是科学上的意义，以便更好地理解变形的机理，验证有关工程设计的理论和地壳运动的假说，进行反馈设计以及建立有效的变形预报模型。本文以某地矿山采空沉陷区观测数据为例，以Surfer8.0作为处理软件，进行沉陷变形分析和形成直观的三位图形。
二、沉陷分析模型流程
沉陷分析系统包括两大部分：生成预计格网文件和由预计格网文件生成各种图件、实现地表沉陷三维可视化。
将沉陷数据生成的各种变形格网文件导入 Surfer8.0,选择一定的插值方法生成变形等值线 ,然后调入预计区域的各期对照图等，进行叠加分析，同时也可以生成沉陷区域的网格矢量图、影像图、分类张贴图、渐变地形图、线框图和三维立体表面图等，
同时还可以进行趋势面分析、体积和面积计算、坡度分析、 坡向分析等三维空间分析，其流程如图：
图 1Surfer8 . 0进行地表沉陷分析流程图
1． 生成预计格网文件
预计格网文件其实是一种文件转换的中间格式。该文件是为进一步三维可视处理工作做准备，包括生成预计格网文件和由预计格网文件生成各种图件、实现地表沉陷三维可视化。Surfer具有12种插值方法，对于该数据一般选择克里金插值方法，比较适于沉陷预计。
2．生成等直线图和网格矢量化图，进行叠加分析
数据导入后，可生成需要的等值线图。通过属性对话框，可修改生成等值线的平滑等级、线型、背景以及进行填充等。可以对生成的等值线进行等级（间距）选择，方便的获得移动变形临界值等值线和对破坏区域进行分级统计，对于叠加分析非常实用。
3．生成网格矢量图、立体表面图和线框图等
在上一步完成后， 对生成的网格矢量化文件利用Surfer8.0可生成下沉网格矢量图和立体表面图。
三、 沉陷观测数据处理
某矿区是一座大型独立矿区企业，由于矿区的地下开采，形成了一个面积为6万平方米的采空区，导致地表大范围存在沉陷可能，为了保障周边村镇居民的生命财产安全，所以要对采空区进行沉陷变形监测。变形监测工程布设78个变形观测点。
1．数据的存贮与处理
Excel在测量数据处理方面显示出强大的优越性，基于Excel在变形观测数据处理中的应用，建立一个Excel 文件，命名为“数据处理”。沉降观测点编号用数字连续编排以方便在数据分析中查询。沉降观测点高程平差处理后，对这些点的数据进行分析，自动计算变形量。如下表所示（以相邻临两期观测数据为例）。
表1 第一期和第二期监测数据变形分析
注：New为新测坐标，Old为旧坐标，HZ为垂直变形量。
2．运用surfer8.0分析变形数据
Surfer对离散数据进行插值处理方面有其绝对的优势，它能迅速地将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面。Surfer8.0提供了多种图形图像文件格式的输入输出接口以及各大GIS软件文件格式的输入输出接口，大大方便了文件和数据的交流和变换。 在Surfer8.0中可方便快速地绘制等值线图、粘贴图、影像图、地貌晕渲图、矢量地图、线框图和表面图等三维立体图件，以及灵活地标注相关图件，也可以对图件进行平滑、滤波、微分、积分、傅立叶和谱分析等处理，也能进行趋势面分析、体积和面积计算、坡度分析、坡向分析、剖面曲率、平面曲率和水平曲率分析和剖面计算等三维空间分析。
2.1导入、转换预计格网文件、选择插值方法
为了实现 Surfer8. 0对生成的格网文件的操作，需要将生成的预计格网文件导入后进行。一般在操作过程中选择克里金插值法。
步骤如下：
1.选择“网格”——“数据” 2.打开数据文件
图2-1 图2-2
3.设置数据模式 4.“确定”---生成格网
图2-3 图2-4
2.2生成等值线图，进行叠加分析
将数据导入后 ,选择“地图 /等值线图 /新建等值线图” 命令，打开保存的 ( *. grd)文件 ,即可生成需要的等值线图，如图 2-5-a。通过属性对话框，可修改生成等值线的平滑等级、线型、背景以及进行填充等。
Surfer8 . 0可以导入多种格式的原始底图，与生成的等值线图进行叠加分析。也可以将生成的等值线图导入到 CAD中或其他 GIS软件中 ,进行叠加分析。通过叠加分析，能够获得不同下沉破坏等级的耕地和林地等的面积 ,可以对沉陷造成的生态环境的破坏进行定量分析评价 ,为开采沉陷后的土地复垦等工作提供技术依据。同样由生成的等值线图可获知开采沉陷对地面的建筑物、村庄、河流、铁路和公路等造成的影响破坏程度 ,从而指导采煤方案设计、留设保护煤柱和村庄搬迁等工作。
2.3生成网格矢量图、 立体表面图和线框图等
利用 Surfer8 . 0可生成下沉网格矢量图和立体表面图 ，如图 2-5- b, 2-5-c。由网格矢量图可以直观地判断下沉区域的拉伸和压缩区域，对研究沉陷造成的地质滑坡以及农田侵蚀和保护地面建筑物提供依据指导。生成的 3D立体表面图，可以调整其投影的方式和光照条件以及 Z轴比例等，用鼠标拖动其进行旋转，可从不同的视角对生成的立体图进行分析研究。通过在立体表面图上进行贴纹理(绘制网格线 ) ，可以增强生成的立体图的真实感，实现了开采沉陷预计的三维可视化。并可获得下沉区域的面积和 (填、挖方)体积，对于矿区土地复垦、土地利用规划和矿区环境治理有重要的指导意义。
2-5-a-等值线图 2-5-b-网格矢量图
2-5-c-三维立体表面图
四、小结
Surfer软件表格功能可以直接打开基于excel处理的矿山变形监测数据，形成格网，用于沉陷成图分析。利用EXCEL结合 Surfer8.0实现了开采沉陷三维可视化预计。试验证明该方法可对多工作面开采造成的沉陷破坏进行较精确的预计，简单实用高效，易于掌握。Surfer8.0的诸多的内插方法、自动生成等值线、量算面积体积以及生成三维视图等功能在开采沉陷预计中发挥很大的作用，大大减少了编程的工作量，使研究人员能将主要精力用于地表移动变形的预计，提高了工作效率，为地下开采损害预计以及采后塌陷区域的规划治理、土地复垦、 水土流失和生态环境保护等工作提供了科学的依据。
参考文献
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