岩土力学 2017, 38(12) 3660-3669 DOI:     ISSN: 1000-7598 CN: 42-1199/O3

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三峡库区
滑坡位移预测
诱发因素
集合经验模态分解
PSO-SVR
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基于集合经验模态分解与支持向量机回归的位移预测方法:以三峡库区滑坡为例
邓冬梅,梁 烨,王亮清,王昌硕,孙自豪,王 聪,董曼曼
中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074
摘要: 三峡库区滑坡地表位移-时间曲线多呈台阶型特征。基于位移响应成分模型的滑坡位移预测方法是该类滑坡位移预测的主要方法之一。针对目前水库滑坡波动项位移预测工作中尚未考虑主要诱发因素的高频成分与低频成分的问题,提出了基于时间序列集合经验模态分解(EEMD)与重构的粒子群优化-支持向量机回归(PSO-SVR)位移预测方法。以白水河滑坡2003年7月至2013年3月117个地表位移数据为例,采用EEMD法将位移时间序列分解为趋势项位移和波动项位移,该趋势项位移用最小二乘法的二次多项式拟合预测;根据EEMD和t检验法,确定高频降雨量、低频降雨量、高频库水位和低频库水位,结合其他常用因素,采用灰色关联分析确定白水河滑坡影响波动项位移的优势因素为高频降雨量和月间库水位变化,基于优势因素建立PSO-SVR模型预测波动项位移。结果表明,总预测值的平均相对误差为0.009 8,方差比为0.023 9,小误差概率为1,预测效果较好。利用该方法对三峡库区其他5个台阶型滑坡进行了预测,预测位移与实测位移较吻合,进一步证明了该方法的有效性,对同类滑坡的预测预报具有一定的借鉴意义。
关键词 三峡库区   滑坡位移预测   诱发因素   集合经验模态分解   PSO-SVR  
Displacement prediction method based on ensemble empirical mode decomposition and support vector machine regression— a case of landslides in Three Gorges Reservoir area
DENG Dong-mei, LIANG Ye, WANG Liang-qing, WANG Chang-shuo, SUN Zi-hao, WANG Cong, DONG Man-man
Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China
Abstract: Many landslides in Three Gorges Reservoir area are featured by stepwise increasing surface displacement along the time. Responding composition model is one of the main methods for displacement prediction of landslides. Currently, high-frequency and low-frequency components of inducing factors are usually ignored. A method based on reconstruction of time series by ensemble empirical mode decomposition (EEMD) and particle swarm optimization based support vector machine regression (PSO-SVR) prediction for displacement is proposed. The typical Baishuihe landslide in Three Gorges Reservoir is taken as an example. Firstly, the monitored surface displacement time series from July 2003 to March 2013 is decomposed into trend and fluctuant components by EEMD. The trend component can be predicted using quadratic polynomial equation fitted by the least square method. With EEMD and t-test methods, rainfalls and reservoir levels time series are reconstructed into high-frequency rainfalls, low-frequency rainfalls, high-frequency reservoir levels and low-frequency reservoir levels, respectively. Combined with other common factors, high-frequency rainfalls and monthly variations of reservoir levels are selected as predominant factors for fluctuant displacement components by method of gray relational analysis (GRA). Finally, PSO-SVR is utilized for prediction purpose. Application results show that average relative error is 0.009 8, variance ratio is 0.023 9 and small error probability is 1, which demonstrate preferable effect of the proposed method. For verification and testing, 5 other typical landslides in Three Gorges Reservoir area are presented to test the effectiveness of our method, which can provide references for similar landslides.
Keywords: Three Gorges Reservoir   landslide displacement prediction   inducing factors   ensemble EMD   PSO-SVR  
收稿日期 2016-11-23 修回日期  网络版发布日期  
DOI:
基金项目:

国家自然科学基金项目(No.41372310);中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(No.1610491T07)。

通讯作者: 王亮清,男,1972年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土体稳定性与地质灾害防治的教学与科研工作。E-mail: wlq027@126.com
作者简介: 邓冬梅,女,1992年生,硕士研究生,主要从事边坡监测、预测研究及稳定性分析方面的工作。
作者Email: deng_dmei@163.com

参考文献:
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