一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，包括：(1)通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取滑坡的實(shí)時(shí)累積位移信號；(2)對累積位移信號進(jìn)行分段線性插值處理；(3)對處理后的位移信號進(jìn)行小波多尺度分解和重構(gòu)，得到多尺度上的高頻小波系數(shù)；(4)分析高頻小波系數(shù)的變化特征，并計(jì)算其模極大值；(5)確定滑坡體位移突變發(fā)生的時(shí)間。本發(fā)明能合理地判斷滑坡所處的變形階段，特別是識別滑坡進(jìn)入加速變形階段的突變點(diǎn)。這對于及時(shí)捕捉滑坡前兆以及盡早開展滑坡預(yù)警報(bào)和進(jìn)行工程處理都具有十分重要的意義。
【專利說明】一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于一種滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào)方法，具體涉及一種基于小波分析的滑坡位移突變 識別方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前對滑坡進(jìn)入加速變形階段突變點(diǎn)的識別研宄成果并不多，傳統(tǒng)的識別方法主 要有兩種：一種是將滑坡的變形監(jiān)測資料與宏觀地質(zhì)分析及斜坡變形破壞現(xiàn)象的階段性結(jié) 合起來進(jìn)行綜合定性判別；另一種是依據(jù)濾波處理后的滑坡累積位移監(jiān)測時(shí)序資料，根據(jù) 變形速率的變化特征進(jìn)行定量判斷。第一種方法因人而異，主觀性太強(qiáng)；第二種方法只適用 于滑坡變形不受任何因素干擾的理想滑坡變形情形。然而，在實(shí)際中，由于降雨、地震、人類 工程活動以及其它隨機(jī)因素的干擾，導(dǎo)致滑坡的累積位移歷時(shí)曲線復(fù)雜多樣，想要利用已 有的方法準(zhǔn)確地識別滑坡進(jìn)入加速變形階段的突變點(diǎn)仍很困難。
[0003] 小波分析是近十多年來發(fā)展起來的進(jìn)行時(shí)變信號處理的有力工具。它可以對信 號進(jìn)行多尺度分析，具有很強(qiáng)的去噪功能和特征提取功能，對突變信號的處理優(yōu)勢尤為明 顯。由于滑坡在變形演化過程中具有多尺度的特性，包含了多層次的突變，被譽(yù)為"數(shù)學(xué)顯 微鏡"的小波分析，特別適合于對信號進(jìn)行多尺度分析、局部分析和奇異性分析。這無疑為 滑坡變形突變的研宄提供了新方法。目前，小波分析方法在信號處理、地震勘探、大氣科學(xué) 以及許多非線性科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)已取得了豐碩的研宄成果。在滑坡災(zāi)變預(yù)測預(yù)報(bào)領(lǐng)域，小波分 析剛剛開始引起國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注，其研宄方法單一，研宄成果很少，存在著明顯 的局限性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，能 合理地判斷滑坡的變形演化階段，特別是進(jìn)入加速變形階段突變點(diǎn)的識別，可以及時(shí)捕捉 滑坡前兆以及盡早開展滑坡預(yù)警報(bào)，以便及時(shí)進(jìn)行工程處理。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] -種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，結(jié)合小波多尺度分析和突變點(diǎn)識別 的原理，歸納滑坡位移小波突變點(diǎn)識別方法的基本步驟如下：
[0008] (1)通過現(xiàn)場位移監(jiān)測獲取滑坡的實(shí)時(shí)累積位移監(jiān)測信號；
[0009] (2)對滑坡累積位移信號進(jìn)行分段線性插值處理；
[0010] (3)選擇滿足正則條件的小波基函數(shù)（如biorl. 1小波、db5小波），對插值處理 后的滑坡位移信號進(jìn)行小波多尺度分解和重構(gòu)，得到多個(gè)尺度上的高頻小波系數(shù)；
[0011] (4)分析不同尺度上高頻小波系數(shù)的變化特征，計(jì)算小波系數(shù)的模極大值；
[0012] (5)確定突變點(diǎn)及突變點(diǎn)發(fā)生時(shí)間。在幾個(gè)連續(xù)尺度上的高頻小波系數(shù)的變化特 征或小波系數(shù)模極大值應(yīng)具有一致性，才能確定為可能的突變點(diǎn)。
[0013] 進(jìn)一步的，步驟3所述的小波是在有限時(shí)間范圍內(nèi)變化且其平均值為零的數(shù)學(xué)函 數(shù)，具有有限的持續(xù)時(shí)間和突變的頻率和振幅；滿足條件= 0的小波稱為基本小 波或母小波。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟3所述的小波函數(shù)是將母小波函數(shù)Φ(t)經(jīng)過伸縮和平移后，則 有：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，結(jié)合小波多尺度分析和突變點(diǎn)識別的 原理，歸納滑坡位移突變的小波識別方法的基本步驟如下： (1) 通過現(xiàn)場位移監(jiān)測獲取滑坡的實(shí)時(shí)累積位移監(jiān)測信號； (2) 對滑坡累積位移信號進(jìn)行分段線性插值處理； (3) 選擇滿足正則條件的小波基函數(shù)，biorl. 1小波或db5小波，對插值處理后的滑坡 位移信號進(jìn)行小波多尺度分解和重構(gòu)，得到多個(gè)尺度上的高頻小波系數(shù)； (4) 分析不同尺度上高頻小波系數(shù)的變化特征，計(jì)算小波系數(shù)的模極大值； (5) 確定突變點(diǎn)及突變點(diǎn)發(fā)生時(shí)間，在幾個(gè)連續(xù)尺度上的高頻小波系數(shù)的變化特征或 小波系數(shù)模極大值應(yīng)具有一致性，才能確定為可能的突變點(diǎn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，其特征在于： 步驟3所述的小波是在有限時(shí)間范圍內(nèi)變化且其平均值為零的數(shù)學(xué)函數(shù)，具有有限的持續(xù) 時(shí)間和突變的頻率和振幅；滿足條件
的小波稱為基本小波或母小波。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，其特征在于： 步驟2所述的小波函數(shù)是將母小波函數(shù)！D(t)經(jīng)過伸縮和平移后，則有：
式⑴中，1h,b(t)稱為小波基函數(shù)，a為尺度因子或伸縮因子，b為平移因子；小波變 換定義為一組小波基函數(shù)與待分析的信號f(t)的內(nèi)積；通過小波變換，可以在不 同尺度上分析信號的局部特征。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，其特征在于： 步驟3和步驟4所述的小波系數(shù)是由多尺度分析的定義，將f(t)eL2(R)按以下空間組合 展開：
其中J為任意設(shè)定的尺度，'為尺度空間，W」為尺度為j的小波空間，則
式中，cJk=<f(t),巾Jk(t) >，稱為尺度展開系數(shù)；dJk=<f(t),itJk(t) >稱為小 波展開系數(shù)，公式（3)等號右端第1項(xiàng)求和是f(t)在％上的逼近分量，其對應(yīng)的是低頻 成分，第2項(xiàng)求和是不同尺度上的小波細(xì)節(jié)分量，其對應(yīng)的是高頻成分；對于任意函數(shù)，根 據(jù)公式（3)即可將它分解為細(xì)節(jié)部分和大尺度逼近部分，然后將大尺度逼近部分近一步分 解，如此重復(fù)就可得到任意尺度或分辨率上的逼近部分和細(xì)節(jié)部分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于小波分析的滑坡位移突變識別方法，其特征在于： 步驟5所述的突變點(diǎn)為滑坡在進(jìn)入加速變形階段時(shí)，其累積位移監(jiān)測信號在4個(gè)連續(xù)尺度 上分解重構(gòu)后的細(xì)節(jié)信號的幅值均存在著明顯的突變特征，而且4個(gè)尺度的突變特征均具 有較好的一致性；據(jù)此特征，即可較為準(zhǔn)確地識別滑坡進(jìn)入加速變形階段的突變點(diǎn)。
【文檔編號】G06F19/00GK104484572SQ201410840372
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】李秀珍, 孔紀(jì)名, 崔云 申請人:中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所