[發明專利]地下水水位波動與多元因素的多重小波相干性分析方法

有效

• 申請號: 201811330175.3
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109522520B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 孫洪廣;谷秀粉
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;G06F17/14;G01F23/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種地下水水位波動與多元因素的多重小波相干性分析方法，該方法根據小波相干性分析所獲得的非平穩時間序列在時間?頻率空間上的局部化特征，包括獲取地下水位和氣候因素后建立時間序列，然后判斷時間序列的異常值，進而計算多元因素之間的多重小波功率譜，最后計算多元因素之間的多重小波相干性。本發明主要針對多元因素對水位的影響，適用于分析單個因素、結合多種因素與地下水水位波動之間的局部特征，且在時頻兩域都具有表征非平穩信號局部特征的能力。

技術領域

本發明屬于數據分析和水文研究，涉及一種在時頻兩域都具有表征信號局部特征的方法，尤其涉及地下水水位波動與多元因素的多重小波相干性分析方法。

背景技術

通常，在復雜的自然環境中我們獲得的大部分數據都是非平穩的，而小波分析是水文、氣象學、土壤科學等領域檢驗非平穩過程的多尺度和局部化特征的常用工具。簡單的小波相干性分析已經被廣泛的用于分析兩種變量之間的關系特征，然而，地下水水位波動過程非常復雜并且可能同時被多于兩種環境因素影響，這就需要發展一種可以同時表征雙變量和多重變量關系的方法。

目前，現有技術用于表征多變量驅動因素與響應變量的關系，例如Koopmans在1974年利用多光譜相干技術研究了土壤飽和導水率與多種土壤物理性質之間的尺度特異性，但是此方法以假設所研究的時間序列是平穩信號為前提，而平穩信號在復雜的水文學中是非常少見的。多經驗模態分解是將每個變量分解成不同的分量-固有模態函數，產生一系列的具有相同特征尺度的數據序列。此方法能夠處理非穩定和非線性系統。Hu和Si 2013年通過將平方相關系數與多經驗模態分解方法結合用來研究多尺度土壤含水量或飽和導水率的多元控制。然而，Hu等人2017年發現不同成分的方差之和不等于原始序列的總方差，這可能導致誤導性的結果。另外，由于所研究過程的非平穩性，多變量關系很有可能隨時間或空間的變化而發生變化，然而，使用現有的多元方法都無法體現局部化的多元關系。

因此，需要建立一種在多尺度上反應局部化特征的多元分析技術以解決現有所存在的問題。

發明內容

發明目的：針對上述現有技術的不足，本發明提供一種地下水水位波動與多元因素的多重小波相干性分析方法，該方法在時頻兩域都具有表征非平穩信號局部特征的能力。

技術方案：地下水水位波動與多元因素的多重小波相干性分析方法，包括以下步驟：

(1)獲取地下水水位、氣候因素數據信息，建立等時間間隔的時間序列；

(2)使用繪圖和方框圖掃描目標時間序列是否存在異常值，所述異常值是指所建立的等時間間隔的序列中的值與平均值的偏差超過兩倍標準差的值；

(3)計算氣候因素時間序列之間的自相關小波功率譜，交叉相關小波功率譜；

(4)計算氣候因素與地下水位波動時間序列之間的交叉小波功率譜；

(5)計算所研究時間序列的小波相干性系數；

(6)利用蒙特卡洛方法計算時間序列95％顯著性水平下的多重小波相干性。

進一步的，步驟(1)所述氣候因素包括溫度、大氣壓數據信息，通過將待考察的現象或已測得的數據整理為連續的等時間間隔，建立時間序列X，X＝{X₁,X₂,...,X_m}X_i＝(x₁,x₂,...,x_n)，m為影響因素的總數，1≤i≤m，連續的響應變量記為Y＝(y₁,y₂,...,y_n)，n為時間序列的長度。

步驟(2)包括去除時間序列中的異常值，去除的方式包括刪除觀察值、轉換、分組、估算的統計方法。