《变形监测分析与预报的不确定性研究（学位论文-工学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变形监测分析与预报的不确定性研究（学位论文-工学）（149页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分类号： P22 密 级 ： 公 开U D C ： 单位代码：10424学 位 论 文变 形 监 测 分 析 与 预 报 的 不 确 定 性 研 究魏 冠 军申请学位级别：博士学位 专 业 名 称 ： 大 地 测 量 学与测量工程指导教师姓名：党 亚 民 职 称： 教 授章 传 银 职 称： 教 授山 东 科 技 大 学二零一二年四月论文题目：变形监测分析与预报的不确定性研究作者姓名：魏 冠 军 入学时间： 2008 年 9 月专业名称：大地测量学 研究方向： 现 代 测 量 数 据 处与 测 量 工 程 理 理 论 及 应 用指导教师：党 亚 民 职 称： 教 授指导教师：章 传 银 职 称
2、： 教 授论文提交日期： 2012 年 4 月论文答辩日期： 2012 年 6 月授予学位日期：RESEARCH ON THE UNCERTAINTY OF THE DEFORMATIONMONITORING ANALYSIS AND FORECASTINGA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofDOCTOR OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyWei GuanjunSupervisor: P
3、rofessor Dang YaminGeomatics CollegeJune 2012声 明本 人 呈 交 给 山 东 科 技 大 学 的 这 篇 博 士 学 位 论 文 ， 除 了 所 列 参 考 文 献 和 世 所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。博士生签名：日 期 ：AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirementsfor the award of Doctor of Philosophy in
4、Shandong University of Science andTechnology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. Thedocument has not been submitted for qualification at any other academicinstitute.Signature:Date:山 东 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要摘 要在 自 然 科 学 和 工 程 技 术 领 域 都 存 在 着 大 量 的 不 确 定 性 问 题 ， 变 形 监 测 分 析 也 不 例
5、 外 。许多自然灾害的发生与客体在不同时间尺度或不同空间尺度下变形紧密相关，如地震、火 山 喷 发 、 滑 波 和 泥 石 流 等 地 质 灾 害 ， 由 工 程 引 起 的 地 面 沉 陷 、 崩 塌 、 滑 波 、 大 坝 溃 坝 、桥梁垮塌等。变形体的变形受地形、地质、气候、水文、材料、荷载、时效等因素的综合影响，这些影响因素所具有的随机性、模糊性、突发性等特点，并处于不断的动态变化之中，这就使得不确定性必然贯穿于变形监测分析的数据获取、模型构建以及预报过程之中，给变形监测分析和预报带来了极大的不确定性。此外，变形体及其成因又构成了一个复杂的非线性系统，这又增加了变形监测分析与预报的不确
6、定性研究的难度。因此，要提高变形监测分析与预报的精度及其可靠性，必须系统地研究形变监测和预报中的 不 确 定 性 问 题 ， 其 研 究 对 灾 害 预 警 具 有 重 大 理 论 价 值 和 现 实 意 义 。本文针对变形监测数据、形变模型参数以及变形预报中的不确定性展开研究，创造性 地 用 模 糊 熵 来 度 量 变 形 监 测 数 据 的 不 确 定 性 ， 提 出 了 最 小 模 糊 熵 估 计 方 法 （Least FuzzyEntropy Estimation ， 简 写 为 LFEE） ， 并 用 其 来 估 计 变 形 监 测 数 据 的 不 确 定 性 ； 推 导 出 基于
7、贝 叶 斯 理 论 变 形 模 型 参 数 不 确 定 性 分 析 的 递 推 公 式 ， 并 利 用 MCMC（ Markov ChainMonte Carlo,简 写 为 MCMC）算法对变形模型参数的不确定性进行定量计算；提出了变形 贝 叶 斯 概 率 预 报 （ Deformation Bayesian Probability Forecasting， 简 写 为 DBPF） 方 法 ，定 量 地 研 究 了 变 形 预 报 的 不 确 定 性 。主 要 研 究 内 容 和 成 果 概 述 如 下 ：（ 1） 研 究 了 不 确 定 性 、 不 确 定 性 数 学 处 理 方 法 及
8、相 关 学 科 领 域 的 研 究 现 状 。 在 分 析变形监测分析中不确定性影响因素的基础上，研究了变形监测分析中不确定性问题的研究进展，并将变形监测分析与预报中的不确定性概括为三大类：变形输入不确定性、变形模型不确定性和变形预报不确定性。研究了不确定性处理的概率论、随机理论、可能性 理 论 、 贝 叶 斯 方 法 、 MCMC 算 法 、 信 息 熵 、 优 化 理 论 等 数 学 方 法 。（ 2） 提 出 变 形 监 测 数 据 不 确 定 性 度 量 的 最 小 模 糊 熵 估 计 （ Least Fuzzy EntropyEstimation ,简 写 为 LFEE） 方 法 。
9、 基 于 可 能 性 理 论 ， 提 出 测 量 数 据 不 确 定 性 的 可 能 性 表 达 ，并阐述了用模糊数的模糊幅度来表示测量数据不确定性的可行性，构建了测量数据不确i山 东 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要定性处理的可能性线性和可能性非线性模型。以信息熵理论为基础，以模糊熵为测量数据不确定性度量的准则，提出了最小模糊熵估计方法，通过变形监测网数据计算分析，结 果 表 明 ， 用 最 小 模 糊 熵 估 计 方 法 来 度 量 测 量 数 据 的 不 确 定 性 是 可 行 的 。（ 3） 研 究 了 变 形 模 型 参 数 的 不 确 定 性 ， 推 导 出 基 于
10、贝 叶 斯 理 论 变 形 模 型 参 数 不 确 定性 分 析 的 递 推 公 式 。 本 文 将 参 数 看 作 随 机 变 量 ， 用 概 率 分 布 来 描 述 其 不 确 定 性 ， 利 用Bayesian 理 论 ， 将 监 测 信 息 和 模 型 结 构 引 起 的 不 确 定 性 用 似 然 函 数 表 示 ， 将 参 数 的 不 确定 性 用 参 数 的 先 验 分 布 来 表 示 ， 推 导 出 变 形 模 型 参 数 不 确 定 性 贝 叶 斯 反 分 析 的 递 推 公 式 。（ 4） 提 出 利 用 MCMC 算 法 对 变 形 模 型 参 数 的 不 确 定 性 进
11、 行 定 量 分 析 。 针 对 变 形 模型 参 数 后 验 分 布 难 以 计 算 的 特 点 ， 将 MCMC 算 法 应 用 到 变 形 模 型 参 数 的 后 验 分 布 计 算中 来 ， 并 通 过 地 基 沉 降 Logistic 增 长 曲 线 模 型 （ 非 线 性 ） 和 大 坝 变 形 分 析 的 回 归 模 型 （ 线性 ） 两 个 变 形 模 型 实 现 了 本 文 提 出 的 方 法 。 计 算 结 果 表 明 ： MCMC 算 法 能 有 效 地 搜 索 变形 模 型 参 数 的 后 验 分 布 ， 适 合 于 线 性 或 非 线 性 的 变 形 模 型 参 数
12、识 别 和 不 确 定 性 分 析 。（ 5） 针 对 变 形 预 报 的 不 确 定 性 ， 提 出 变 形 贝 叶 斯 概 率 预 报 （ Deformation BayesianProbability Forecasting,简 写 为 DBPF） 方 法 。 考 虑 到 模 型 输 入 不 确 定 性 和 模 型 参 数 不 确 定性 等 不 确 定 性 因 素 对 变 形 预 报 结 果 的 影 响 ， 为 最 大 限 度 地 利 用 预 报 当 前 时 刻 的 所 有 信 息 ，本文将变形的预报值看成是一个随机变量，以概率分布的形式定量地描述变形预报的不确定性，以贝叶斯预测理论为基
13、础，提出变形贝叶斯概率预报方法，推导出未来变形量的 预 测 分 布 ， 利 用 MCMC 算 法 对 预 测 分 布 进 行 计 算 ， 用 两 个 实 例 表 明 变 形 贝 叶 斯 概 率预 报 方 法 是 合 理 可 行 的 。（ 6） 针 对 现 有 的 实 时 变 形 预 报 的 局 限 性 ， 本 文 基 于 贝 叶 斯 动 态 模 型 ， 提 出 实 时 变 形概 率 预 报 方 法 ， 并 建 立 相 应 的 模 型 ， 将 实 时 获 得 的 变 形 信 息 更 新 到 模 型 中 ， 及 时 的 校 正 、改善变形模型的参数或预报值，使预报结果更接近实测值，尽可能地减少预报
14、误差，降低 预 报 的 不 确 定 性 。关 键 词 ： 不确定性， 模糊熵， MCMC 算法， 变形分析， 最小模糊熵估计贝 叶 斯 反 分 析 法 ， 参 数 不 确 定 性 ， 变 形 概 率 预 报ii山 东 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要AbstractThere are a lot of uncertainty problems in the field of natural sciences, engineeringtechnology and so on, deformation monitoring and analysis also without exce
15、ption. Manynatural disasters is closely related to the deformation in different time or space scales,including various geological hazards such as earthquake, volcanic eruption, landslide anddebris flow and so on, and the ground subsidence, collapse, landslide, dam break, bridgecollapse, etc caused b
16、y engineering. The deformation of deformable body is affected by thecomprehensive factors of topography, geology, climate, hydrology, materials, loading, agingand so on, which have different randomness, fuzziness and mutability, and also continuingdynamic changing. The uncertainty are inevitable throughout the whole deformationmonitoring analysis processes including data acquisition, model building and forecast.As aresult
