模糊信息檢索法在滑坡預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

楊 軍，王 波，艾 虎，頡 麗，方世躍

(1.甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中石油西氣東輸管道公司，陜西 西安 710018；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054)

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，甚至是毀滅性災(zāi)難。如果能夠較準(zhǔn)確地進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)，就可以盡早采取減災(zāi)防災(zāi)措施，使滑坡災(zāi)害造成的損失減少到最低程度[1]?；碌陌l(fā)生和發(fā)展既受形成條件的控制，又受誘發(fā)因素的影響，滑坡預(yù)報(bào)至今仍是滑坡研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，但是滑坡也有其可預(yù)報(bào)性，通過(guò)對(duì)形成條件、誘發(fā)因素和歷史過(guò)程的綜合研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[2]。模糊信息檢索法在地震預(yù)報(bào)中應(yīng)用較多，在滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用還未見報(bào)道，根據(jù)模糊信息檢索法的基本原理和滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基本要求，筆者嘗試將其應(yīng)用到滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中，取得了較好效果。

1 基本思路

如果某一地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生多個(gè)滑坡，那么這些滑坡不僅包含已發(fā)生滑坡的相關(guān)信息，而且包含未來(lái)該地區(qū)滑坡是否發(fā)生、將有多大規(guī)模等相關(guān)信息，這些信息主要包含在滑坡活動(dòng)性變化指標(biāo)中，但信息相當(dāng)模糊，有的可能存在“蛛絲馬跡”，有的連“蛛絲馬跡”都毫無(wú)表征。模糊信息檢索法在一定程度上能夠辨識(shí)這些“蛛絲馬跡”，一個(gè)模糊信息檢索過(guò)程就是查問(wèn)某類滑坡活動(dòng)性指標(biāo)與即將發(fā)生某種規(guī)模的滑坡相匹配的過(guò)程[3]。

假設(shè)取滑坡活動(dòng)性指標(biāo)中的4個(gè)指標(biāo)：某一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生滑坡次數(shù)d1，平均滑坡規(guī)模d2，最大滑坡規(guī)模d3，大小規(guī)?；聰?shù)目分布特征d4，其中d1、d2、d3可由該地區(qū)滑坡歷史記錄直接得到，d4計(jì)算公式為

(1)

式中：nr為第r個(gè)時(shí)間段內(nèi)滑坡的總次數(shù)；j為滑坡規(guī)模類別；njr為第r個(gè)時(shí)間段內(nèi)第j類滑坡規(guī)模的次數(shù)。

d1、d2、d3、d4稱為信息描述項(xiàng)，每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)滑坡的發(fā)生情況可用一組各自獨(dú)立的信息描述項(xiàng)(d1，d2，d3，d4)表示。設(shè)有l(wèi)個(gè)時(shí)間段要進(jìn)行檢索，則每個(gè)時(shí)間段可以用1個(gè)四維向量來(lái)表示：Lr=(dr1,dr2,dr3,dr4) (r=1,2,…,l) ，其中Lr為第r個(gè)時(shí)間段的滑坡信息特征向量，l個(gè)時(shí)間段和4個(gè)描述項(xiàng)的關(guān)系可用一個(gè)l×4的矩陣來(lái)表示。檢索過(guò)程中把l個(gè)時(shí)間段分成若干個(gè)類，每類具有相同的信息特征，歸好類后，與該類相匹配的滑坡規(guī)模即為預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)可能發(fā)生的滑坡規(guī)模。

2 應(yīng)用實(shí)例

為對(duì)模糊信息檢索法在滑坡預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行檢驗(yàn)，選取甘肅省武都縣1980年以來(lái)的滑坡資料(截至1994年)，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)為滑坡次數(shù)d1、平均滑坡規(guī)模d2、最大滑坡規(guī)模d3、大小規(guī)?；聰?shù)目分布特征d4，并以1 年為一個(gè)時(shí)間段。為保證統(tǒng)計(jì)效果，規(guī)定只取規(guī)模大于1萬(wàn)m3的滑坡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即所預(yù)報(bào)的滑坡規(guī)模下限為1萬(wàn)m3。武都縣滑坡信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

將分類標(biāo)準(zhǔn)ML定為10萬(wàn)、50萬(wàn)、100萬(wàn)m3，按每年最大滑坡規(guī)模劃分為4類：G1為滑坡規(guī)?！?0萬(wàn)m3類，對(duì)應(yīng)滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)中的小型滑坡；G2為滑坡規(guī)模10萬(wàn)～50萬(wàn)m3類， 對(duì)應(yīng)滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)中的中型滑坡；G3為滑坡規(guī)模50萬(wàn)～100萬(wàn)m3類，對(duì)應(yīng)滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)中的大型滑坡；G4為滑坡規(guī)模>100萬(wàn)m3類，對(duì)應(yīng)滑坡分類標(biāo)準(zhǔn)中的特大型滑坡。為方便信息檢索，將滑坡信息的描述項(xiàng)進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果見表2。

表1 武都縣滑坡信息統(tǒng)計(jì)

表2 滑坡描述項(xiàng)分區(qū)

2.1 滑坡信息項(xiàng)優(yōu)勢(shì)概率

由于每個(gè)指標(biāo)的單位、變化幅度、平均值不同，因此必須進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。采用max-min方法，綜合4個(gè)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)對(duì)滑坡發(fā)生的靈敏度不同，但是對(duì)于在特定時(shí)間段內(nèi)某規(guī)?；掳l(fā)生時(shí)，指標(biāo)值極大，而無(wú)此類滑坡發(fā)生時(shí)指標(biāo)值極小，并且每個(gè)時(shí)段總有某個(gè)指標(biāo)值最大，據(jù)此可以求出優(yōu)勢(shì)概率M1[3]為

(2)

2.2 各類滑坡發(fā)生概率

根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，在第i個(gè)時(shí)間段(記為Δxi)內(nèi)發(fā)生第j類規(guī)?；碌母怕士捎上率接?jì)算[4-6]：

(3)

式中：mj為全部統(tǒng)計(jì)資料中第j類滑坡發(fā)生的次數(shù)；nj為全部統(tǒng)計(jì)資料中除第j類外其余各類滑坡發(fā)生的次數(shù)；mij為Δxi區(qū)間內(nèi)第j類滑坡發(fā)生次數(shù)；nij為Δxi區(qū)間除第j類外其余各類滑坡發(fā)生次數(shù)。

由概率加法定理可知，用各基本指標(biāo)項(xiàng)預(yù)報(bào)第r個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生第j類滑坡事件的概率[7]為

(4)

Δx1，Δx2，…，Δxl從屬于Gj(j=1,2，3，4)的程度用矩陣M2表示[5-7]，列對(duì)應(yīng)于類，行對(duì)應(yīng)于時(shí)間段，且按最大類輸出，據(jù)此可以計(jì)算出

(5)

2.3 某一類滑坡發(fā)生的模糊概率

每一時(shí)間段總有某一類的滑坡概率為最大，確定的模糊集Gj(j=1,2,3,4)是一個(gè)凸集，根據(jù)模糊理論，兩類滑坡的交集Gi∧Gj也是凸集，可由矩陣M3表示[6-7]，即

(6)

式中：μij(xr)=min(μi(xr),μj(xr))，其中i=1，2,3，4；j=1，2,3，4。

根據(jù)矩陣M3，確定一個(gè)閾值α≤ min[maxμij(xr)](i=1,2,3,4；j=1,2,3,4)，當(dāng)某個(gè)時(shí)段的某種規(guī)?；碌膹膶俸瘮?shù)μij(xr)≥α?xí)r，就可以預(yù)報(bào)該時(shí)段有Gj類滑坡發(fā)生。

G12G13G14G23G24G34

(7)

由此得出：maxμ12=0.960 8，maxμ13=0.992 3，maxμ14=0.666 0，maxμ23=0.973 8，maxμ24=0.666 0，maxμ34=0.489 6(其中數(shù)值為1.000 0表示從屬函數(shù)的值為1.000 0，表示已經(jīng)知曉完全信息，不存在模糊概念，不參與計(jì)算)。

α應(yīng)不大于這六者中的最小值0.489 6，故取α=0.489 6，由此可把15個(gè)時(shí)間段分成5種不同的時(shí)間段，即α值的5個(gè)分布區(qū)間[0.498 6，0.666 0]、(0.666 0，0.960 8]、(0.960 8，0.973 8]、(0.973 8，0.992 3]、(0.992 3，1.000 0]，表示該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生某種特定類別Gj滑坡的模糊概率。由于實(shí)際情況是要么發(fā)生了該類滑坡、要么沒(méi)有發(fā)生該類滑坡，因此在分析中當(dāng)某一時(shí)間段有兩種以上的情況可能發(fā)生時(shí)，按先大規(guī)?；?、后小規(guī)模滑坡、再無(wú)滑坡的次序抉擇，據(jù)此可以對(duì)武都縣滑坡進(jìn)行預(yù)報(bào)，見表3。

表3 武都縣滑坡預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)各年份滑坡規(guī)模核定其報(bào)準(zhǔn)率。從表3可以看出，模糊信息檢索法可以用來(lái)預(yù)報(bào)某一地區(qū)某一規(guī)?；率欠窨赡馨l(fā)生且具有一定的可信度，這種方法也可用來(lái)進(jìn)行多種滑坡前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)分析。關(guān)于選取哪幾個(gè)預(yù)報(bào)指標(biāo)(信息描述項(xiàng))、用滑坡前多少個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)及信息描述項(xiàng)分區(qū)界限的設(shè)定等細(xì)節(jié)問(wèn)題，可以根據(jù)具體預(yù)報(bào)對(duì)象及預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)等靈活處理[4]。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用模糊信息檢索法可以預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生規(guī)模，本研究中報(bào)準(zhǔn)率最低為66.7%，最高為100%，平均達(dá)到81.7%，同時(shí)滑坡次數(shù)越多的時(shí)間段報(bào)準(zhǔn)率越高，總體來(lái)看在一定范圍內(nèi)可以取得可信結(jié)果。但是模糊信息檢索法在滑坡預(yù)報(bào)應(yīng)用中還存在一些需要注意的地方，比如該方法雖然計(jì)算較簡(jiǎn)單，但計(jì)算過(guò)程繁瑣、信息量大，需要進(jìn)一步開發(fā)程序、編制軟件，以方便計(jì)算；在滑坡規(guī)模突變的情況下，該方法報(bào)準(zhǔn)率較低，此時(shí)可結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，或擴(kuò)充樣本空間重新計(jì)算，以求預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確。

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