一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，通過當(dāng)把一個(gè)樣本點(diǎn)看作周圍信息空隙的代表，把一個(gè)樣本點(diǎn)的信息向周圍進(jìn)行擴(kuò)散，得到豐富了的樣本信息；依據(jù)豐富后的樣本信息，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立降雨條件與泥石流暴發(fā)之間的關(guān)系，從而最終實(shí)現(xiàn)有效的泥石流預(yù)警。本發(fā)明用于歷史數(shù)據(jù)短缺地區(qū)的泥石流預(yù)警，能夠大幅提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和可靠性，且相關(guān)雨量數(shù)據(jù)采集方便，成本低。
【專利說明】-種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于災(zāi)害預(yù)警【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流 預(yù)警方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國是遭受泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。其中由暴雨激發(fā)的泥石流，稱之為 暴雨型泥石流，是最為常見和暴發(fā)頻率最商的一種泥石流，尤其在我國西部山區(qū)，每年雨季 都會(huì)有成百上千條溝道發(fā)生泥石流，由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)20億元以上。因此，深 入研究暴雨型泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)于切實(shí)提高泥石流災(zāi)害的防范能力，最大限度地 減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失具有重大的意義。
[0003] 暴雨泥石流的發(fā)生需具備三個(gè)條件：充足的固體物質(zhì)、陡峭的溝床坡度以及大量 高強(qiáng)度的降雨，而降雨是其中最活躍的因素。國內(nèi)外的研究表明，降水量、降水強(qiáng)度及降水 持續(xù)時(shí)間等因子與暴雨型泥石流的活動(dòng)有著極其密切的關(guān)系。因此，研究降雨條件與泥石 流暴發(fā)之間的關(guān)系，由此通過雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)泥石流就成為人們慣常使用的泥石流 預(yù)警方法，如臨界雨量直接確定法、回歸模型預(yù)測(cè)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、聚類分析法等。這 些方法在實(shí)際使用中，通常都需要大量的以往泥石流災(zāi)害發(fā)生的雨量數(shù)據(jù)，也就是樣本容 量要足夠大，否則將由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的不足而出現(xiàn)較大的偏差，甚至預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況大 相徑庭。然而，在現(xiàn)實(shí)中卻很難獲得足夠多的這些歷史雨量數(shù)據(jù)。一方面，很多溝谷本身就 缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的雨量監(jiān)測(cè)與跟蹤；另一方面，不同的溝谷，由于地形、地貌與巖石組成結(jié) 構(gòu)不同，因而一個(gè)區(qū)域的雨量數(shù)據(jù)不能作為統(tǒng)計(jì)資料用于另一區(qū)域的預(yù)警；再者，我國西南 地區(qū)在遭受2008年的汶川大地震后，許多溝谷的物源和地形條件有極大的改變，由此激發(fā) 泥石流的雨量條件也有極大的改變，因而大地震以前積累的雨量資料對(duì)當(dāng)前泥石流的預(yù)警 價(jià)值不大。這些因素決定了在很多情況下，通常只能獲得非常有限的歷史數(shù)據(jù)，因而采用上 述技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)泥石流的有效預(yù)警。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，旨在解 決現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)泥石流的有效預(yù)警的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，包括以 下步驟：
[0006]S1、將獲得的雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息擴(kuò)散后，得到歸一化擴(kuò)散值；
[0007]S2、采用當(dāng)?shù)氐臍v史數(shù)據(jù)經(jīng)步驟Sl的信息擴(kuò)散后對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得 合適的權(quán)值；
[0008]S3、根據(jù)訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將采集到的雨量數(shù)據(jù)經(jīng)步驟Sl的信息擴(kuò)散后作為 網(wǎng)絡(luò)輸入，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)各層運(yùn)算后得到輸出層神經(jīng)元的輸出zl，即泥石流發(fā)生可能性大??；
[0009]S4、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，判斷輸出zl是否超過閾值，如是，則啟動(dòng)預(yù)警。
[0010] 優(yōu)選地，在步驟Si中，所述信息擴(kuò)散為將各個(gè)雨量數(shù)據(jù)分別在各自的論域上采用 正態(tài)函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散。
[0011] 優(yōu)選地，在步驟S2中，所述對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練采用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練。
[0012] 優(yōu)選地，在步驟S4中，所述閾值的設(shè)置為：預(yù)先設(shè)置為一個(gè)接近于1的數(shù)，或者根 據(jù)實(shí)際使用中虛警和漏警的統(tǒng)計(jì)值，結(jié)合使用單位自行確定的虛警和漏警損失系數(shù)，按照 最小損失原則動(dòng)態(tài)地確定閾值。
[0013] 優(yōu)選地,所述接近于1的數(shù)包括0. 9。
[0014] 本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方 法，在本發(fā)明方法中，用于歷史數(shù)據(jù)短缺地區(qū)的泥石流預(yù)警，能夠獲得很好的效果。該方法 的基本思想是，當(dāng)獲得的樣本容量不大時(shí)（也就是歷史雨量數(shù)據(jù)不多時(shí)，其中每一次泥石 流災(zāi)害記錄的雨量數(shù)據(jù)稱為一個(gè)樣本點(diǎn)，假定記錄了N次泥石流災(zāi)害的雨量數(shù)據(jù)，則稱樣 本容量為N，即擁有N個(gè)樣本點(diǎn)），樣本提供去認(rèn)識(shí)降雨與泥石流關(guān)系的信息是不完整的，樣 本點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間留有信息空隙，樣本容量越小，則這種信息空隙越大。在這種情況下，每 一樣本點(diǎn)的觀測(cè)值都不代表確切的信息，而是具有一定的模糊性和不確定性。此時(shí)，應(yīng)該把 每一樣本點(diǎn)看作它周圍信息空隙的代表，距離它越近，則這種代表程度越高。當(dāng)把一個(gè)樣本 點(diǎn)看作周圍信息空隙的代表時(shí)，實(shí)際上就是把確切的值轉(zhuǎn)換為了模糊集。通過這種轉(zhuǎn)換，把 一個(gè)樣本點(diǎn)的信息向周圍進(jìn)行擴(kuò)散，從而很大程度上填補(bǔ)了樣本點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的信息空 隙，豐富了樣本信息。依據(jù)豐富后的樣本信息，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以建立更為準(zhǔn)確和可靠 的降雨條件與泥石流暴發(fā)之間的關(guān)系，從而最終實(shí)現(xiàn)有效的泥石流預(yù)警。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法的步驟流程圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0018] 一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0019] S1、將獲得的雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息擴(kuò)散后，得到歸一化擴(kuò)散值。
[0020] 現(xiàn)有研究表明，暴雨型泥石流的發(fā)生是當(dāng)場(chǎng)降水和前期降水共同作用的結(jié)果，這 里選取最具代表性、影響最大的4個(gè)降水因子作為雨量條件，即前期降雨量、當(dāng)日降雨量、1 小時(shí)最大雨強(qiáng)和10分鐘最大雨強(qiáng)。前期降雨使土體具有較高的含水量，能夠減小土體的抗 剪強(qiáng)度，對(duì)泥石流的發(fā)生起著前期準(zhǔn)備的作用，取泥石流發(fā)生前20天每一天的雨量，通過 衰減系數(shù)進(jìn)行加權(quán)累加作為前期降雨的指標(biāo)，計(jì)算公式如下：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 將獲得的雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息擴(kuò)散后，得到歸一化擴(kuò)散值； 52、 采用當(dāng)?shù)氐臍v史數(shù)據(jù)經(jīng)步驟Sl的信息擴(kuò)散后對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，以獲得合適 的權(quán)值； 53、 根據(jù)訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將采集到的雨量數(shù)據(jù)經(jīng)步驟Sl的信息擴(kuò)散后作為網(wǎng)絡(luò) 輸入，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)各層運(yùn)算后得到輸出層神經(jīng)元的輸出Z 1，即泥石流發(fā)生可能性大小； 54、 根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，判斷輸出Z1是否超過閾值，如是，則啟動(dòng)預(yù)警。
2. 如權(quán)利要求1所述的歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，其特征在于，在 步驟Sl中，所述信息擴(kuò)散為將各個(gè)雨量數(shù)據(jù)分別在各自的論域上采用正態(tài)函數(shù)進(jìn)行擴(kuò)散。
3. 如權(quán)利要求1所述的歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，其特征在于，在 步驟S2中，所述對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練采用BP算法進(jìn)行訓(xùn)練。
4. 如權(quán)利要求1所述的歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，其特征在于，在 步驟S4中，所述閾值的設(shè)置為：預(yù)先設(shè)置為一個(gè)接近于1的數(shù)，或者根據(jù)實(shí)際使用中虛警和 漏警的統(tǒng)計(jì)值，結(jié)合使用單位自行確定的虛警和漏警損失系數(shù)，按照最小損失原則動(dòng)態(tài)地 確定閾值。
5. 如權(quán)利要求4所述的歷史數(shù)據(jù)短缺條件下的暴雨泥石流預(yù)警方法，其特征在于，所 述接近于1的數(shù)包括0. 9。
【文檔編號(hào)】G08B21/10GK104318717SQ201410564252
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】李天翼, 袁培根, 楊東艷, 胡西堯 申請(qǐng)人:四川大學(xué)