基於貝葉斯動態模型的灘涂面積預測方法
2023-05-22 05:30:26
專利名稱：基於貝葉斯動態模型的灘涂面積預測方法
技術領域：
本發明屬於計算機自動化領域，涉及沿海灘涂面積的預測方法。
背景技術：
我國地處西太平洋沿岸，是海洋災害多發地區。海洋災害為我國帶來了巨大的經濟損失，因此，其防災減災工作歷來為我國政府所重視。近年來，沿海灘涂面積呈日益變化趨勢，例如頻頻出現的「怪潮」現象，為正在作業的漁民造成了巨大的經濟損失以及人身損失。因此對沿海灘涂的面積變化進行預測，減少沿海地區的損失，為了國家海洋防災減災工作的重中之重。常用的水文時間序列的預測方法是Box-Jenkins方法，它是一種精確度相當高的短期預測方法。然而，該方法存在著一定的局限性，它只適用於平穩的時間序列，對於非平穩的時間序列，不能直接用ARMA模型去描述，必須利用差分法轉化平穩序列才能進行研究。而進行差分轉化需要大量足夠的數據，在實際中，這個要求往往是困難的。灘涂面積變化受到海洋動力、入海河流、氣候和氣溫等一系列的自然因素以及人為因素的影響，往往表現為非平穩的時間序列。本發明採用貝葉斯動態模型方法，該方法不僅依賴於已有的動態數據，而且還依賴於測試人員的經驗、專家的建議和相關的資料、歷史的數據等，即由客觀信息和主觀信息的綜合得到後驗信息，並由此推斷得到後驗分布。根據後驗分布所建立的動態模型對未來時刻的數據進行預測。其特點在於模型的適應性好，適合描述複雜的變化規律，能處理異常情況的發生；在對數據方面的要求大大減少的同時，又得到了同樣精度的預測。
發明內容
本發明公開了一種灘涂面積的預測方法。該方法包括以下步驟通過RS、GPS和GIS結合，得到近十年來上海灘涂面積；根據上述數據選定貝葉斯動態模型的初始訓練集；調用該模型進行預測，並與實際值進行對比，直到預測結果在實際值的置信區間內為止。本發明提出的預測方法，其預測結構精細，在節省數據開銷的同時也提高的預測精度，為沿海漁民作業躲避海洋災害提供工具，同時也為國家防災減災做出貢獻。
圖1為本發明的預測過程流程圖。圖2為本發明的數據處理過程流程圖。圖3為本發明採用的貝葉斯預測方法的遞推過程。
具體實施例方式本發明公開了一種灘涂面積的預測方法，下面結合附圖對實施方式進行說明。1.請參考圖1。圖1為本發明的預測過程流程圖。通過數據處理，得到近十年來上海灘涂面積；根據上述數據選定貝葉斯動態模型的初始訓練集；調用該模型進行預測， 並與實際值進行對比，直到預測結果在實際值的置信區間內為止。2.請參考圖2。圖2為本發明的數據處理流程圖。選擇多時相RS影像圖，用GIS 處理軟體結合海圖對影像圖進行配圖，校準；選擇訓練樣區；利用GPS得到野外實地考察記 錄，再加上歷史數據資料，在RS處理軟體中對訓練樣區中的水體、灘涂、人工提壩、植物群 落等執行監督分類；將分類後的圖像進行GIS數據合成，得到所要的訓練樣區面積值。3.請參考圖3。圖3為貝葉斯動態模型預測方法的遞推過程。貝葉斯動態線性模 型(DynamicLinear Models，簡記為DLM)是由兩個方程確定的系統，這個系統描述為(I).過程的觀測如何隨機地依賴於當前的狀態參數；(II).狀態參數如何隨時間變化，表示了系統內部的動態變化和隨機擾動。定義DLM由 4 個元素所決定，{F，G，V,ff}t = {Ft，Gt, Vt, Wj，具體表示為觀測方程yt = Ft' 9t+vt vt N
狀態方程e t = Gt e H+ t t N[o，wt]初始先驗條件(eQID0) N [m0，C0]觀測方程和狀態誤差序列是獨立的，並且是相互獨立的，且與(ejD0)獨立。其中yt為rX 1維觀測向量，0 t為nX 1維狀態參數向量，Ft為nXr維矩陣，Gt 為nXn維矩陣，Vt和《t分別為r維和n維的正態零均值誤差項，方差分別是Vt和Wt。Dt 表示t時刻及其以前時刻所有有效信息的集合，Dtl為t = 0時初始信息的集合，在沒有外部 信息的條件下，Dt可記為Dt = {yt，yt_i，. . . , Y1, D0I該模型預測的原理及過程如下1) t-1時刻的後驗分布對於均值IV1和方差矩陣Cw有H) NQv1, Ct_J2) t 時刻的先驗分布(e 11 Dt_i) N [at，RJ，其中 EIt = GtIv1Rt = GtCt^1Gt 『 +Wt3) 一步預測分布(yt|DH) N[ft，QJ，其中 ft = Ft' at Qt = Ft' Rt Ft+Vt4) t 時刻的後驗分布(0 11 Dt) N[mt，Cj，mt = at+Atet Ct = Rt-AtAt' Qt其中，At = RtFtQ^1, et = yt_ft。At叫做修正係數向量，et叫做一歩預測誤差。
權利要求
1.利用RS，GPS和GIS技術獲得近十年來灘涂面積；從獲得的面積數據中提取貝葉斯動態模型的初始訓練集；調用該模型進行預測；對預測值進行仿真，並與實際值進行對比；判斷預測值是否在實際值的95%置信區間內。本方法的預測過程流程圖如圖1所示。
2.根據權利要求書1所述，利用3S技術獲得近十年來的灘涂面積值。選擇多時相RS影像圖，用GIS處理軟體進行配圖，校準；選擇訓練樣區；利用GPS得到野外實地考察記錄，再加上歷史數據資料，在RS處理軟體中對訓練樣區中的水體、灘涂、人工提壩、植物群落等執行監督分類；將分類後的圖像進行GIS數據合成，得到所要的訓練樣區面積值。數據處理流程圖如圖2所示。
3.根據權利要求書1所述，提取模型的初始訓練集。根據權利要求書2所述，由進行GIS數據合成後的訓練樣區的面積值以及專家經驗，設定模型的初始參數值。
4.根據權利要求書1所述，調用該模型進行預測。將模型的預測公式通過MATLAB編程，在計算機中對其建模。貝葉斯動態線性模型(Dynamic Linear Models，簡記為DLM)是由兩個方程確定的系統，這個系統描述為(I).過程的觀測如何隨機地依賴於當前的狀態參數；(II).狀態參數如何隨時間變化，表示了系統內部的動態變化和隨機擾動。定義=DLM 由 4 個元素所決定，{F，G，V, ff}t = {Ft，Gt, Vt, Wj，具體表示為觀測方程 yt = Ft' et+vt vt N
狀態方程 Qt = Gtet-^cot cot N
初始先驗條件(θ 01D0) N[m0, C0]觀測方程和狀態誤差序列是獨立的，並且是相互獨立的，且與(QcJDci)獨立。其中yt為rXl維觀測向量，維狀態參數向量，Ft為nXr維矩陣，Gt為nXn維矩陣，vt和cot分別為r維和η維的正態零均值誤差項，方差分別是Vt和Wt。Dt表示t時刻及其以前時刻所有有效信息的集合，Dtl為t = O時初始信息的集合，在沒有外部信息的條件下，Dt 可記為 Dt = {yt, yt_i，…，D0I該模型預測的原理及過程如下1)t-Ι時刻的後驗分布對於均值IV1和方差矩陣C^1有(H) NDv1, Ct-J2)t 時刻的先驗分布(θ 11 DtJ N[at，RJ，其中 Eit = GtHv1 Rt = GtCt^1 Gt 『 +Wt3)—步預測分布 JytIDtJ N[ft，Qt]，其中 ft = Ft' at Qt = Ft' Rt Ft+Vt4)t 時刻的後驗分布(θ 11 Dt) N[mt，CJ，mt = at+Atet Ct = Rt-AtAt 『 Qt其中，At = Rt FtQtIet = yt_ft。At叫做修正係數向量，et叫做一步預測誤差。貝葉斯動態模型預測方法的遞推過程如圖3所示。
5.根據權利要求書1所述，對預測值進行仿真，並與實際值進行對比；計算出實際值的95%置信區間，判斷預測值是否在該置信區間內。若不在則返回權利要求書3，根據專家經驗重設模型的初始參數值。
全文摘要
本發明公開了一種灘涂面積的預測方法。該方法包括以下步驟通過RS、GPS和GIS結合，得到近十年來上海灘涂面積；根據上述數據選定貝葉斯動態模型的初始訓練集；調用該模型進行預測，並與實際值進行對比，直到預測結果在實際值的置信區間內為止。本發明提出的預測方法，其預測結構精細，在節省數據開銷的同時也提高的預測精度，為沿海漁民作業躲避海洋災害提供工具，同時也為國家防災減災做出貢獻。
文檔編號G06F19/00GK102375923SQ20101060770
公開日2012年3月14日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者何世鈞, 張建新, 張明華, 王建, 王芬, 蘇誠, 袁小華, 郭偉其, 黃冬梅 申請人:上海海洋大學