一種不確定NNSB-OPTICS聚類算法在滑坡危險性預(yù)測研究

楊斌

摘要：在應(yīng)用現(xiàn)有的OPTICS-PLUS聚類算法于滑坡危險性預(yù)測的過程中，降雨等不確定因素直接影響了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了整體提升滑坡危險性預(yù)測的準(zhǔn)確率，文章提出了基于OPTICS-PLUS算法的一種不確定NNSB-OPTICS聚類算法。前期對OPTICS-PLUS聚類算法進行計算方式優(yōu)化，總體提高計算過程的效率;中期依據(jù)云模型理論和EW型距離公式，與降雨量數(shù)據(jù)的分布進行結(jié)合，導(dǎo)出EH型距離公式，提高不確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。后期通過仿真實驗以及對延安市某區(qū)滑坡危險性預(yù)測的實際應(yīng)用結(jié)果（滑坡預(yù)測精度達到89.8%），證明了該不確定NNSB-OPTICS聚類算法的精準(zhǔn)度，具有較高的實際應(yīng)用價值和可行性。

關(guān)鍵詞：滑坡危險性預(yù)測;不確定數(shù)據(jù)處理：NNSB-OPTICS聚類算法

中圖分類號：P642.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0045-04

0 引言

山體滑坡是發(fā)生頻次最高、分布范圍最為廣的地質(zhì)災(zāi)害之一，給我國居民的生產(chǎn)生活帶來不便，嚴重阻礙了國民經(jīng)濟發(fā)展[1]?；挛ｋU性預(yù)測受到了具有復(fù)雜性和不確定性數(shù)據(jù)（山坡結(jié)構(gòu)、降雨量、地形地貌等）的影響，給計算工作帶來了障礙。OPTICS-PLUS聚類算法是一種基于密度的聚類算法，但其計算過程耗時長，且難以避免密度臨界值的不精準(zhǔn)性和計算者的主觀性，所以在大規(guī)?；聰?shù)據(jù)處理方面還存在不足。本文依據(jù)OPTICS-PLUS聚類算法對滑坡危險性預(yù)測數(shù)據(jù)的計算進行了優(yōu)化，衍生出一種專門應(yīng)用于地質(zhì)滑坡危險性預(yù)測環(huán)節(jié)的不確定NNSB-OP-TICS算法[2-3]。

1 不確定NNSB-OPTICS聚類算法

1.1 NNSB-OPTICS聚類算法設(shè)計

NNSB-OPTICS聚類算法可將收集到的數(shù)據(jù)劃分為不同的數(shù)據(jù)隊列，免去了計算者人為劃分密集區(qū)和分散區(qū)的繁雜步驟，節(jié)約了在迭代擴張過程對數(shù)據(jù)進行排序和反復(fù)計算的時間成本，詳情如圖1所示。

NNSB- OPTICS算法優(yōu)化了oPTIcs算法與OP-TICS-PLUS算法的數(shù)據(jù)擴張方式，在數(shù)據(jù)擴張時，對已擴張的數(shù)據(jù)進行篩減，再根據(jù)GPNP指針進行檢索，所以，NNSB-OPTICS算法提高了了數(shù)據(jù)運算的效率。

1.2 不確定數(shù)據(jù)處理

降雨是造成山體滑坡的主要因素之一，但在滑坡危險性預(yù)測過程中依舊無法對降雨量的取值范圍進行精準(zhǔn)的劃分。NNSB-OPTICS聚類算法在較為分散的數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用性較強，基于此，依據(jù)云模型理論和EW型距離公式，可得出EH型距離公式，對相鄰地區(qū)的降雨量a （a=1，2，3…）進行不確定降雨量數(shù)據(jù)（xq）取值，以建立正態(tài)云模型數(shù)字特征[4]。期望E（x）和超熵He的運算公式如下所示：

在公式（1）、（2）中q為云期望方程的平均數(shù);t為云期望曲線的方差;tmean為t的平均值。

將式（1）和式（2）導(dǎo)入EW型距離中，用He代替不確定數(shù)據(jù)的取值區(qū)間，可得出EH型距離公式，詳情如下：

當(dāng)He等于0時，可通過EH公式對距離進行計算。He公式主要應(yīng)用于分散型數(shù)據(jù)集、不確定性數(shù)據(jù)集。

2 實驗前期準(zhǔn)備

實驗過程中的數(shù)據(jù)處理均在Windowsl0的操作計算機中運行。數(shù)據(jù)庫平臺建立于Oracle Database12c，滑坡實驗數(shù)據(jù)皆是從ArcCIS10.3軟件中取得[5]。

2.1仿真實驗

在實際應(yīng)用前，為了證明不確定NNSB-OPTICS聚類算法的可行性，分別與基于密度的聚類算法的3種改進法（OPTICS、OPTICS- PLUS、EOPTICS）在UCI數(shù)據(jù)集中進行了對比實驗。實驗所采用的UCI數(shù)據(jù)集特性如表1所示，主要測試內(nèi)容為：聚類算法結(jié)果的準(zhǔn)確性、高效性、穩(wěn)定性。

主要采取Micro-Precision標(biāo)準(zhǔn)對實驗結(jié)果進行分析判定，計算公式如下：

W為數(shù)據(jù)集樣本總數(shù)，b為聚類數(shù)量，ch為聚類樣本數(shù)量。MP的取值范圍在[0，1]之間，取值數(shù)值越進于l，聚類精準(zhǔn)度就越高。在仿真實驗前通過OP-TICS-PLUS算法設(shè)定核心點數(shù)為GU和相鄰半徑點數(shù)集{GU- 0.15，GU， GU+ 0.15}，最后對核心點數(shù)和相鄰半徑點數(shù)集實行數(shù)據(jù)整合[6-7]。在集合中分別挑取10組參數(shù)，每組參數(shù)運行10次，共計得到100次的實驗運算結(jié)果，選擇一個最小值，選定一個最大值，并對實驗數(shù)據(jù)均值進行計算，實驗結(jié)果均值計算公式如下所示。D為重復(fù)的實驗次數(shù)=10，OPTICS、EOPTICS、OPTICS-PLUS、NNSB-OPTICS四種算法的運算時間以及數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表2、3所示。

由表2可看出，4種運算在UCI數(shù)據(jù)集的計算中，NNSB-OPTICS的平均數(shù)值計算結(jié)果相較其他3個算法更具精準(zhǔn)度。從最小值和最大值數(shù)據(jù)差的對比中可以看出，NNSB-OPTICS算法聚類結(jié)果穩(wěn)定性較好。

由表3可得知，相比OPTICS、EOPTICS、OP-TICS-PLUS這3種聚類算法，NNSB-OPTICS算法的運算過程更為節(jié)約時間成本，同時可避免人為因素對計算結(jié)果的影響。

3 實驗應(yīng)用

3.1實驗數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

對延安市A區(qū)進行滑坡危險性預(yù)測研究，利用嵌入式GIS軟件，將實驗地區(qū)劃分為5672900個等大網(wǎng)格單元（單個單元尺寸為：6mx6m），將5672900個單元網(wǎng)格導(dǎo)人1：5000的DEM中繪制專題圖，從而進一步獲取實驗地區(qū)坡向、坡高、坡度等數(shù)據(jù)[8-9]。參與實驗的數(shù)據(jù)來源如下：

1）巖土結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：采用遙感影像處理軟件（ER-DAS IMACINE）在1：10000的地質(zhì)圖中運用Normal-ization差值計算法獲取。

2）降雨量數(shù)據(jù)：對已發(fā)生滑坡的地區(qū)前后14d降雨量進行統(tǒng)計，對得到的原始數(shù)據(jù)首先進行預(yù)處理;其次，刪除對滑坡影響可忽略不計的數(shù)值項，主要以坡度、坡高、坡向等8個屬性項最為本次實驗聚類特征屬性;最后，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到數(shù)據(jù)屬性特征如表4所示。

3.2實驗評估標(biāo)準(zhǔn)

Kappa系數(shù)可對實驗結(jié)果進行精準(zhǔn)率較高的評估，可具體反映出實驗結(jié)果的優(yōu)勢。Kappa系數(shù)計算公式如下所示。

3.3 滑坡預(yù)測精度評價分析與比較

通過公式（1）、公式（2）、公式（3）對降雨量相似值進行計算。在2種算法中，對降雨量用數(shù)值替代，采用Euclid Distance進行相似度計算。最終按照NNSB-OPTICS算法（I）、不確定NNSB-OPTICS算法（Ⅱ）分類，得到表5所示的滑坡危險性預(yù)測統(tǒng)計結(jié)果。

通過計算可知本文提出的不確定NNSB-OPTICS聚類算法計算結(jié)果的精準(zhǔn)率遠高于NNSB-OPTICS聚類算法4.4%，說明此方法在滑坡預(yù)測中具有可行性。且不確定NNSB-OPTICS聚類算法的Kappa系數(shù)更接近于1，表明在針對滑坡危險性預(yù)測環(huán)節(jié)進行同一數(shù)據(jù)集進行處理時，利用不確定NNSB-OPTICS聚類算法所得到的滑坡預(yù)測結(jié)果與利用NNSB-OPTICS聚類算法所得結(jié)果相比，與實際值的差異更小[10]。原因在于，在建立不確定NNSB-OPTICS滑坡預(yù)測模型時，與EH型距離公式進行了充分結(jié)合，針對不確定降雨量也刻畫了更為精準(zhǔn)的的分布范圍，整體提高了對延安市A區(qū)滑坡危險性預(yù)測的精準(zhǔn)率。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)OPTICS-PLUS算法，結(jié)合EW型距離公式和云模型理論提出EH型距離公式，解決了地區(qū)降雨量分布不能實時刻畫的難點。本文所得結(jié)論表明，不確定NNSB-OPTICS聚類算法計算結(jié)果的精準(zhǔn)率遠高于NNSB-OPTICS聚類算法4.4%，具有明顯更加精準(zhǔn)的計算結(jié)果;同時，利用不確定NNSB-OP-TICS聚類算法計算結(jié)果與實際值差異更小，更加接近實際的滑坡危險性數(shù)值。

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