灰色精化模型應(yīng)用于地面沉降預(yù)測(cè)

嚴(yán)劍鋒，鄧喀中

（1．國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

灰色精化模型應(yīng)用于地面沉降預(yù)測(cè)

嚴(yán)劍鋒1，2，鄧喀中1，2

（1．國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116）

地面沉降是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，較難建立準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型。傳統(tǒng)灰色模型不能處理沉降觀測(cè)值序列中的異常點(diǎn)，對(duì)于波動(dòng)大的原始數(shù)列也沒(méi)有精確預(yù)測(cè)，針對(duì)其背景值取值方法的不足，建立一種精化灰色模型（JGM（1，1）模型），分析預(yù)測(cè)結(jié)果和精度，表明該模型具有較高的預(yù)測(cè)精度和可靠性。

地面沉降；灰色模型；精化模型；預(yù)測(cè)

由于影響地面沉降的因素較多，沉降機(jī)理復(fù)雜，要建立統(tǒng)一的模型預(yù)測(cè)沉降量較為困難。目前，比較多的使用隨機(jī)模型，尤其是灰色模型用于區(qū)域性地面沉降預(yù)測(cè)。周全能等通過(guò)實(shí)例分析表明灰色理論在地面沉降應(yīng)用中的可行性，并指出其可進(jìn)行事先精度判斷的優(yōu)點(diǎn)［1］。為提高模型長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精度和保證波動(dòng)性不同的數(shù)據(jù)的擬合精度，很多學(xué)者提出改進(jìn)的灰色模型，李洪然等引入?yún)?shù)累積估計(jì)方法代替最小二乘，構(gòu)建了參數(shù)累積的地面沉降灰色預(yù)測(cè)模型，提高了沉降預(yù)測(cè)的穩(wěn)定性［2］；柳治國(guó)引入時(shí)變參數(shù)，建立了非等間距灰色時(shí)變參數(shù)模型［3］；何習(xí)平針對(duì)單點(diǎn)模型缺陷，提出動(dòng)態(tài)定權(quán)方法，建立WM－GM（1，1）模型［4］。

地面沉降是長(zhǎng)期的變化過(guò)程，其建模過(guò)程或背景值計(jì)算必須用到盡量多的原始數(shù)據(jù)。針對(duì)過(guò)去背景值取值方法的不足，本文提出一種背景值精化模型JGM（1，1），該模型背景值每個(gè)分量的計(jì)算涉及到3個(gè)時(shí)刻的沉降值，所以JGM（1，1）模型具有更強(qiáng)的整體性和現(xiàn)勢(shì)性。

1 GM（1，1）及其改進(jìn)模型

1．1 傳統(tǒng) GM（1，1）建模

1．2 GM（1，1）改進(jìn)模型據(jù)式（4），建立改進(jìn)的灰色模型JGM（1，1）。

2 算例分析

以某地沉降觀測(cè)資料為例，該地沉降觀測(cè)按二等水準(zhǔn)精度要求進(jìn)行，取其中較穩(wěn)定的、長(zhǎng)期使用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1992—2003共12年間的沉降觀測(cè)值，計(jì)算其累積沉降值，該值隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。

由原始數(shù)據(jù)得到模型模擬值和預(yù)測(cè)值，計(jì)算各項(xiàng)誤差，比較分析其精度，結(jié)果如表1所示。

圖1 地面沉降累積值

表1 GM（1，1）模型與JGM（1，1）模型

表1可見(jiàn)JGM（1，1）模型預(yù)測(cè)精度明顯高于GM（1，1）模型。因?yàn)镴GM（1，1）背景值計(jì)算過(guò)程中更強(qiáng)調(diào)整體的趨勢(shì)性和加大了后期預(yù)測(cè)值的權(quán)重，并且該模型對(duì)于數(shù)據(jù)序列中的異常點(diǎn)有平滑作用。

為驗(yàn)證JGM（1，1）模型對(duì)于突變點(diǎn)（異常數(shù)據(jù)）的處理能力和模型擬合較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，筆者人為修改原始測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)，將1997年的沉降值改為0．115 4 m，把該沉降值作為沉降異常點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算，結(jié)果分析如表2所示。

表2 JGM（1，1）預(yù)測(cè)值誤差比較

結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明精化灰色模型可以提高模型預(yù)測(cè)精度，尤其在所測(cè)得的沉降數(shù)據(jù)有個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差較大時(shí)，該模型并沒(méi)有傳統(tǒng)灰色模型敏感，能有效處理異常情況。

3 結(jié) 論

1）傳統(tǒng)GM（1，1）主要用于原始數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小、有一定規(guī)律性的數(shù)據(jù)序列建模；由上面的比較，JGM（1，1）模型精度明顯高于傳統(tǒng)灰色模型，可以更好地用于波動(dòng)較大的原始建模數(shù)列，并且可以達(dá)到理想的效果。

2）JGM（1，1）模型在建模過(guò)程中更注重整體趨勢(shì)性，對(duì)用于地面沉降預(yù)測(cè)的水準(zhǔn)測(cè)量中的某些沉降異常值起到平滑作用，模型的容錯(cuò)力較強(qiáng)。

3）有異常點(diǎn)的JGM（1，1）模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差和正常數(shù)據(jù)序列建立的JGM（1，1）模型相比并沒(méi)有變大，可見(jiàn)，盡管出現(xiàn)粗差，但精化模型精度并沒(méi)有降低。該模型在地面沉降領(lǐng)域有不可替代的作用。

［1］周全能，王祥．灰色理論在沉降預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］．土工基礎(chǔ)，2002，16（4）：31－33．

［2］李洪然，張阿根，葉為民．參數(shù)累積估計(jì)灰色模型及地面沉降預(yù)測(cè)［J］．巖土力學(xué)，2008，29（12）：3417－3421．

［3］柳治國(guó)，陳善雄，徐海濱．沉降預(yù)測(cè)的非等步長(zhǎng)灰色時(shí)變參數(shù)模型［J］．巖土力學(xué)，2004，25（12）：1919－1922．

［4］何習(xí)平，華錫生，何秀鳳．加權(quán)多點(diǎn)灰色模型在高邊坡變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2007，28（6）：1187－1191．

［5］鄧聚龍．灰色系統(tǒng)基本方法［M］．武漢：華中工學(xué)院出版社，1987．

［6］彭青華．滄州市地面沉降模型研究［D］．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2007．

［7］王忠桃．灰色預(yù)測(cè)模型相關(guān)技術(shù)研究［D］．西安：西安交通大學(xué)，2008．

The precise grey model applied to the prediction of land subsidence

YAN Jian－feng1，2，DENG Ka－zhong1，2
（1．Key Laboratory for Land Environment and Disaster Monitoring of SBSM，Xuzhou 221116，China；2．School of Environment Science and Spatial Informatics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Land subsidence is a complex process．It is difficult to build an accurate model for prediction．The traditional grey model can not deal with the abnormal data in a series of subsidence values．The model is also invalid because of large fluctuation in the raw datas．Aiming at the shortage of background value，the precise grey model（JGM（1，1））can apply to the prediction．The result and accuracy based on a case study show that JGM（1，1）is more precise and reliable．

land subsidence；grey model；precise grey model；prediction

TU478

A

1006－7949（2012）04－0022－03

2011－11－10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41071273）

嚴(yán)劍鋒（1988－），男，碩士研究生．

［責(zé)任編輯劉文霞］