1.一种提高非监测单元积水深度预报精度的方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤(1)内涝监测点积水深度预报
利用降雨积水的STARMA模型计算得到每个内涝监测点的积水深度预报值,基于该模型的内涝监测点的积水深度预报值,以下简称为STARMA预报值;
步骤(2)地表积水深度预报及预报值离散化
利用InfoWorks ICM模型对地表积水深度进行模拟预报,将该模型的地表积水深度预报值进行空间离散化,基于InfoWorks ICM模型的地表积水深度预报值以下简称为InfoWorks ICM预报值;
步骤(3)地表离散化和分类
采用与步骤(2)一致的离散化方式将地表离散化为一系列的地表单元;根据地表单元是否包含内涝监测点,将地表单元分为包含监测点的地表单元和未包含监测点的地表单元;包含监测点的地表单元以下简称监测单元,未包含监测点的地表单元以下简称非监测单元;
步骤(4)确定监测单元对应的内涝监测点
假定一个监测单元对应一个内涝监测点:对于一个监测单元,若该单元只包含一个内涝监测点,则将这个内涝监测点作为单元对应的内涝监测点;若该单元包含多个内涝监测点,则“虚拟”出一个内涝监测点,这个虚拟内涝监测点的监测值为这多个内涝监测点监测值的均值,这个虚拟内涝监测点的预报值值为这多个内涝监测点预报值的均值,将这个虚拟内涝监测点作为该单元对应的内涝监测点;
步骤(5)利用贝叶斯模型加权平均提高监测单元的积水深度预报精度
对于每个监测单元,利用贝叶斯模型加权平均通过对该监测单元的InfoWorks ICM预报值和该监测单元对应监测点的STARMA预报值进行加权平均得到融合后的预报值,融合后的预报值作为该监测单元的最终积水深度预报值;利用期望最大化算法计算InfoWorks ICM模型和降雨积水的STARMA模型的权重;
步骤(6)构建用于提高非监测单元积水深度预报精度的神经网络
构建用于提高非监测单元积水深度预报精度的神经网络,利用监测单元的最终预报值、InfoWorks ICM预报值和监测单元对应监测点的STARMA预报值训练该神经网络;对于任意一个非监测单元,该神经网络的输入为非监测单元的InfoWorks ICM预报值、距离非监测单元最近的n个监测单元的InfoWorks ICM预报值以及这n个监测单元对应监测点的STARMA预报值,神经网络的输出为该非监测单元的最终积水深度预报值。
2.根据权利要求1所述的一种提高非监测单元积水深度预报精度的方法,其特征在于:所述的步骤(2)中离散化方式为规则格网或不规则三角网方式。
3.根据权利要求1所述的一种提高非监测单元积水深度预报精度的方法,其特征在于:所述的步骤(5)利用贝叶斯模型加权平均提高监测单元的积水深度预报精度,具体如下:对于每个监测单元,通过执行①‑④提高其积水深度预报精度;
①正态转换
获取监测单元的InfoWorks ICM预报值序列、监测单元对应监测点的积水深度监测数据序列、监测单元对应监测点的STARMA预报值序列;利用Box‑Cox变换分别对上述序列进行正态转换,得到符合正态分布的相关序列;
②确定地表积水深度贝叶斯模型加权平均预报公式如下:
其中,D为预报量,即积水深度;O为监测单元对应监测点的积水深度监测数据;p(d1|O)为给定监测数据O情况下监测单元对应监测点的STARMA预报值d1的后验概率,即降雨积水的STARMA模型的权重值w1;p(d2|O)为给定监测数据O情况下监测单元InfoWorks ICM预报值d2的后验概率,即InfoWorks ICM模型的权重值w2; 为均值d1、方差 的正态分布; 为均值d2、方差 的正态分布;假定公式(1)中的O、d1、d2均经过了正态转换,符合正态分布;
③权重计算
使用①中符合正态分布的相关序列数据,由期望最大化算法计算得到公式(1)中的w1和w2;
④方法应用
对于监测单元,首先利用Box‑Cox变换对监测单元对应监测点的STARMA预报值和监测单元的InfoWorks ICM预报值进行正态转换,得到d′1和d′2,利用公式(2)计算得到贝叶斯模型加权平均预报值d′;再将d′进行反Box‑Cox变换,反变换后的数值作为监测单元的最终积水深度预报值,d′=w1d′1+w2d′2 (2)。
4.根据权利要求1所述的一种提高非监测单元积水深度预报精度的方法,其特征在于:所述的构建用于提高非监测单元积水深度预报精度的神经网络,具体包括以下步骤:①确定神经网络结构
神经网络采用三层结构,由输入层、隐藏层和输出层构成,其中隐藏层内神经元数量为超参数,通过试验确定;
②确定神经网络的输入和输出
对于任意一个非监测单元,神经网络的输入为该非监测单元的InfoWorks ICM预报值、距离该非监测单元最近的n个监测单元的InfoWorks ICM预报值以及这n个监测单元对应监测点的STARMA预报值;神经网络的输出为该非监测单元的最终积水深度预报值;n为超参数,通过试验确定;
③训练神经网络
首先,利用监测单元构建神经网络所用数据集:针对每个监测单元,将该监测单元的InfoWorks ICM预报值、距离该监测单元最近的n个其它监测单元的InfoWorks ICM预报值以及这n个监测单元对应监测点的STARMA预报值作为数据集的输入部分,将该监测单元的最终积水深度预报值作为数据集的输出部分;
然后,将上述数据集随机划分为训练集和测试集,利用训练集对神经网络进行训练,神经网络的优化采用梯度下降方法;
④方法应用
对于每个非监测单元,将该非监测单元的InfoWorks ICM预报值、距离该非监测单元最近的n个监测单元的InfoWorks ICM预报值以及这n个监测单元对应监测点的STARMA预报值输入至训练过的神经网络,计算得到该非监测单元的最终积水深度预报值。