本發(fā)明屬于氣象管理，尤其涉及一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變暖、城市化進(jìn)程加快，極端降水事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度明顯增加，因此，為了減少城市內(nèi)澇給城市建設(shè)、環(huán)境安全和社會穩(wěn)定帶來不同程度的危害，對城市內(nèi)澇積水深度進(jìn)行預(yù)測具有重要意義?，F(xiàn)有的積水預(yù)測方法主要包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)方法，這些方法在積水預(yù)測中考慮時間和空間特征的能力有限。它們往往基于歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律，無法捕捉到復(fù)雜的時間和空間特征，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性有限。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的積水預(yù)測方法提取時間和空間特征時，往往是分開處理的，無法充分考慮二者的關(guān)聯(lián)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，具體包括如下步驟：

3、步驟1：獲取每個積水監(jiān)測站的積水深度時間序列數(shù)據(jù)ri、降水時間序列數(shù)據(jù)hi、積水監(jiān)測站的經(jīng)緯度以及第i個積水監(jiān)測站與其他積水監(jiān)測站之間的距離；i＝1,2,…,i；i表示積水監(jiān)測站的總個數(shù)；

4、步驟2；為保證積水是由降雨導(dǎo)致的，基于滑動窗口法對原始積水深度時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

5、步驟3：根據(jù)積水監(jiān)測站之間的關(guān)系建立n×n維的帶有權(quán)重的節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'；將預(yù)處理后的積水深度時間序列數(shù)據(jù)和對應(yīng)的降水時間序列數(shù)據(jù)組成特征矩陣x，特征矩陣x的維度為[b,n,t,f]，其中b為樣本數(shù)量，t為滑動窗口的大小，f為特征的數(shù)量；

6、步驟4：構(gòu)建積水深度預(yù)測模型，將特征矩陣x與節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'作為積水深度預(yù)測模型，對積水深度預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練；

7、步驟5：采用訓(xùn)練好的積水深度預(yù)測模型對積水深度進(jìn)行預(yù)測。

8、進(jìn)一步的，所述步驟2中預(yù)處理包括如下步驟：

9、(1)若當(dāng)前t時段沒有降雨，t-1時段沒有積水，而t時段有積水的，將t時段的積水深度計(jì)為0厘米；

10、(2)若當(dāng)前t時段沒有降雨，積水深度為a厘米，t-1時段沒有降雨，積水深度為b厘米,若b>a，則令b＝a；

11、(3)若t-1時段沒有降雨，積水深度<3厘米，t時間段沒有降雨，積水深度<3厘米,則令t時段積水深度為0厘米。

12、進(jìn)一步的，所述步驟3中構(gòu)建節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'的方法具體如下：

13、步驟3.1：計(jì)算任意兩個積水監(jiān)測站積水深度時間序列數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，將積水監(jiān)測站作為節(jié)點(diǎn)，若第i個節(jié)點(diǎn)和第j個節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)性低于預(yù)設(shè)的閾值，則將該兩個節(jié)點(diǎn)在關(guān)系矩陣a對應(yīng)的a[i][j]的值設(shè)為0，否則將a[i][j]的值設(shè)為1；

14、步驟3.2：計(jì)算a[i][j]的權(quán)重系數(shù)；

15、步驟3.3：將a[i][j]的權(quán)重系數(shù)與a[i][j]的值相乘的到節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'。

16、進(jìn)一步的，所述步驟3.2中根據(jù)如下公式計(jì)算a[i][j]的權(quán)重系數(shù)w：

17、w＝w1+w2

18、其中，w1＝1/elevation，w2＝exp(-distanceij/r)，elevation表示積水監(jiān)測站的絕對高程；distanceij表示第i個積水監(jiān)測站和第j個積水監(jiān)測站之間的實(shí)際距離；r表示所有積水監(jiān)測站之間距離的平均值。

19、進(jìn)一步的，所述步驟4中的積水深度預(yù)測模型對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

20、步驟4.1：采用積水時序特征提取模塊提取特征矩陣x的時序特征，積水時序特征提取模塊的輸出特征為temperal_at，temperal_at的維度為[b,n,t*f]；

21、步驟4.2：將temperal_at的維度重構(gòu)成[b,n,t,f]，并將重構(gòu)后的temperal_at輸入至積水深度空間特征提取模塊；所述積水深度空間特征提取模塊輸出維度大小為[b,n,n]的特征spatial_at；

22、步驟4.3：將temperal_at的維度重構(gòu)為[b,f*t,n]，然后將重構(gòu)的temperal_at的與特征spatial_at輸入到積水深度特征融合模塊，對這兩個特征進(jìn)行融合；

23、步驟4.4：對節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'計(jì)算拉普拉斯矩陣和二階切比雪夫多項(xiàng)式，將二階切比雪夫多項(xiàng)式的結(jié)果與積水深度特征融合模塊的輸出進(jìn)行矩陣乘法；并將矩陣乘法的結(jié)果和特征矩陣x輸入到殘差模塊中，然后采用relu激活函數(shù)對殘差模塊的結(jié)果進(jìn)行非線性處理，得到最終輸出。

24、進(jìn)一步的，所述步驟4.1中積水時序特征提取模塊采用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)。

25、進(jìn)一步的，所述步驟4.2中積水深度空間特征提取模塊對輸入特征采用如下公式計(jì)算：

26、spatial_at＝softmax(w5·σ((temperal_atw1w2)(w3temperal_at)t+w4))

27、其中，w1為時間步長權(quán)重，w2為二維矩陣，大小為[t,f]，用于將輸入特征映射到每個節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)特征空間到節(jié)點(diǎn)空間的轉(zhuǎn)換，w3為大小為t的一維矩陣，用于表示輸入特征每個通道的權(quán)重，使得模型在特征層面進(jìn)行選擇和調(diào)整，w4為大小為[1,n,n]的三維矩陣，用于表示時間步之間的相似度，w5為大小為[n,n]的二維矩陣，用于表示時間步之間的相互影響，σ為非線性激活函，softmax為softmax函數(shù)。

28、有益效果：本方法將積水和降水特征有效結(jié)合，豐富了預(yù)測模型的輸入信息，同時能夠捕捉積水深度變化的時間和空間特征，并充分利用提取出的特征進(jìn)行預(yù)測，提高了積水預(yù)測的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟2中預(yù)處理包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟3中構(gòu)建節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣a'的方法具體如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟3.2中根據(jù)如下公式計(jì)算a[i][j]的權(quán)重系數(shù)w：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟4中的積水深度預(yù)測模型對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟4.1中積水時序特征提取模塊采用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟4.2中積水深度空間特征提取模塊對輸入特征采用如下公式計(jì)算：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種融合時空特征的積水深度預(yù)測方法，具體為：步驟1：獲取每個積水監(jiān)測站的積水深度時間序列數(shù)據(jù)R<subgt;i</subgt;、降水時間序列數(shù)據(jù)H<subgt;i</subgt;、積水監(jiān)測站的經(jīng)緯度以及第i個積水監(jiān)測站與其他積水監(jiān)測站之間的距離；步驟2：基于滑動窗口法對原始積水深度時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；步驟3：根據(jù)積水監(jiān)測站之間的關(guān)系建立N×N維的帶有權(quán)重的節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣A'；將預(yù)處理后的積水深度時間序列數(shù)據(jù)和對應(yīng)的降水時間序列數(shù)據(jù)組成特征矩陣X；步驟4：構(gòu)建積水深度預(yù)測模型，將特征矩陣X與節(jié)點(diǎn)關(guān)系矩陣A'作為積水深度預(yù)測模型，對積水深度預(yù)測模型進(jìn)行訓(xùn)練；步驟5：采用訓(xùn)練好的積水深度預(yù)測模型對積水深度進(jìn)行預(yù)測。本發(fā)明提高了積水預(yù)測的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：薛豐昌,程瑤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/26