ΚΙΝΔΥΝΟΥ ΤΩΝ ΚΑΤΟΛΙΣΘΗΣΕΩΝ ΜΕ ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΚΙΝΔΥΝΟΥ ΤΩΝ ΚΑΤΟΛΙΣΘΗΣΕΩΝ ΜΕ ΝΕΥΡΩΝΙΚΑ ΔΙΚΤΥΑ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΟ ΤΙΤΛΟ ΤΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΟΣ ΤΟΥ Ε.Μ.Π ΥΠΟΒΛΗΘΕΙΣΑ ΣΤΗ ΣΧΟΛΗ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΥ Ε.Μ.ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟΥ ΑΘΗΝΑ 4 ΜΑΡΙΑΣ Δ.ΦΕΡΕΝΤΙΝΟΥ ΓΕΩΛΟΓΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ

2

3 Αντικείμενο - Σκοπός Διερεύνηση της συμμετοχής των παραγόντων στην κατάλυση ισορροπίας Προτείνεται η εφαρμογή ολιστικών μοντέλων Ποιοτικών παραμέτρων Ποσοτικών παραμέτρων Προτείνεται μεθοδολογία εκτίμησης του κινδύνου έναντι κατολισθήσεων, με μεθόδους Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων (ΤΝΔ) σε περιβάλλον Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων (ΓΠΣ). 3

4 Επιρροή γενεσιουργών αιτιών στο συντελεστή ασφαλείας (M. Popescu 1994) 4

5 Γενεσιουργές αιτίες προετοιμάζουν την αλλαγή του καθεστώτος ευστάθειας Γενεσιουργές αιτίες δίνουν το έναυσμα της κίνησης: Ταξινομούνται σε: Συνθήκες εδάφους Γεωμορφολογικές διεργασίες Φυσικές διεργασίες Ανθρωπογενείς διεργασίες 5

6 Η μελέτη της ευστάθειας των πρανών αποτελεί: Σύνθετο πρόβλημα γεωτεχνικής μηχανικής Σύνθετο σύστημα Σύνθετες σχέσεις Στόχοι : Ενσωμάτωση των παραγόντων Κατανόηση του μηχανισμού αστοχίας Αξιολόγησης της επιρροής των παραγόντων Επιλογή εφαρμογής ΤΝΔ 6

7 Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα Σχηματική μορφή ενός νευρώνα 7

8 Οι μεθοδολογίες εκπαίδευσης στα πλαίσια επαγωγικής μάθησης είναι : Εκπαίδευση με εποπτεία. Αλγόριθμος οπισθόδρομης μετάδοσης σφάλματος (Back Propagation- ΒP) Εκπαίδευση χωρίς εποπτεία Αλγόριθμος χάρτη αυτοοργάνωσης (Self Organising Map - SOM) 8

9 Διερεύνηση των παραγόντων A. Σε επίπεδο τοπικής κλίμακας (κλίμακα τεχνικού έργου) BP - SOM Β. Σε επίπεδο εθνικής κλίμακας SOM Γ. Σε επίπεδο μεσαίας κλίμακας εφαρμογή σε συγκεκριμένες περιοχές έρευνας BP - GIS SOM - GIS 9

10 Εφαρμογή του αλγόριθμου BP στην μελέτη ευστάθειας πρανών Στόχοι η διερεύνηση : Σύγκλισης, ικανότητας γενίκευσης Ακρίβειας και προσαρμοστικότητας της μεθόδου, επικύρωση Έλεγχος της ποιότητας των δεδομένων Διερεύνηση της βαρύτητας των παραμέτρων Εκτίμηση του καθεστώτος τος ευστάθειας (S) 1

11 Το πρόβλημα προς μάθηση για τα νευρωνικά δίκτυα Γωνία κλίσης β Υψος H Συνοχή c Γωνία εσωτερικής τριβής φ Λόγος πίεσης νερού πόρων r u Ειδικό βάρος γ ΑΣΤΟΧΙΑ ΚΥΚΛΙΚΗΣ ΜΟΡΦΗΣ F S = = f ( γ, c, φ, β, H, ru ) g( γ, c, φ, β, H, ru ) 11

12 Διαδικασία εκτίμησης F με την υλοποίηση του αλγόριθμου οπισθόδρομης μετάδοσης σφάλματος Μορφοποίηση επεξεργασία δεδομένων Υπολογισμός αρχικού σφάλματος οπισθόδρομη μετάδοση Υπολογισμός συνεισφοράς του κάθε βάρους Μεταβολή βαρών Επανάληψη διαδικασίας 1

13 Αποτελέσματα της εκπαίδευσης με τον αλγόριθμο BP Επιτυχής εφαρμογή. Ελεγχος της ποιότητάς δεδομένων. Δυνατότητα πρόβλεψης Ελεγχος της ακρίβειας Λογική ιεράρχηση των παραμέτρων 1 13

14 Μέσο τετραγωνικό σφάλμα mse mse E για τον υπολογισμό του συντελεστή ασφαλείας F mse Ε για τον υπολογισμό του ποσοστού ευστάθειας S 46 εκπαίδευση έλεγχος εκπαίδευση έλεγχος

15 . predicted data actual data

16 Σχετική βαρύτητα των παραμέτρων που συμμετέχουν στην εκτίμηση του συντελεστή ασφαλείας για την αστοχία κυκλικής μορφής ποσοστά % 1 5 γ c φ β Η ru παράμετροι εισόδου 16

17 Safe ty factor e s tim ation,5, Τιμές F όπως υπολογίστηκε από Safety factor (F) 1,5 1,,5 τα ΤΝΔ, case his torie s τη μέθοδο παλινδρόμησης από αναλυτικές μεθόδους safety factor (F),5, 1,5 1, Safety factor estimation safety factor from analytical methods safety factor from simple approximation,5, case histories safety factor from the neural network method 17

18 Συγκριτικά αποτελέσματα πρόβλεψης των ΤΝΔ (mse) 46 περιπτώσεις 31 περιπτώσεις 5 περιπτώσεις

19 Αλγόριθμοι μη επιβλεπόμενης μάθησης Εξερευνητική ανάλυση δεδομένων παράγεται πρότυπα πληροφόρησης Αλγόριθμος SOM (Δίκτυο( Kohonen) ) SOM Toolbox Απεικονίζουν υψηλής διάστασης δεδομένα σε δύο διαστ στάσεις. Οργανώνουν τα δεδομένα με βάση τις ομοιότητες τους. 19

20 Εφαρμογή του αλγόριθμου SOM στην εξόρυξη δεδομένων Μορφοποίηση δεδομένων Προεπεξεργασία δεδομένων Εκκίνηση Εκπαίδευση Απεικόνιση και ανάλυση και εξαγωγή γνώσης

21 Στόχος της επεξεργασίας της ίδιας ομάδας δεδομένων με τον αλγόριθμο αυτο-οργάνωσης οργάνωσης SOM Η διερεύνηση της δυνατότητας εντοπισμού διαφορετικών συστοιχειών Η διερεύνηση της εσωτερικής δομής των δεδομένων Η εξόρυξη νέας γνώσης. 1

22 Εφαρμογή του αλγόριθμου SOM στη μελέτη ευστάθειας των πρανών

23 Μητρώο διασποράς 9x9 αναλύονται οι παράμετροι (γ, c, φ, β, H, r u, F, S, Σ/Α). 3

24 Μητρώο αληλεπίδρασης (Hudson 199) 4

25 Κωδικοποιημένο μητρώο αλληλεπίδρασης 5

26 Ολιστική προσέγγιση: διάγραμμα αιτίου αποτελέσματος 6

27 Παράγοντες εισόδου για την ανάλυση μέσω SOM 7

28 Πολλαπλή απεικόνιση μητρώου αποστάσεων, συστατικών επιπέδων, χάρτη ετικετών U-matrix.916 ALT 859 RAI 18 SL AZI REL d 78. ACT d MANT LIT d GM d 3.3 DEN d.767 DEP NUM d 1.6 ST d RAT d Labels RAI ALT d 4.63 d d AZI SL REL LIT DEP RAT 8

29 ΜΗΤΡΩΟ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ 14 Χ 14 9

30 Κωδικοποιημένο μητρώο διασποράς 1 ΘΕΤΙΚΗ ΣΥΧΕΤΙΣΗ 1 ΑΡΝΗΤΙΚΗ ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ 1 ΔΕΝ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΜΙΑ ΣΑΦΗΣ ΣΧΕΣΗ ΘΕΤΙΚΗΣ Η ΑΡΝΗΤΙΚΗΣ ΣΥΧΕΤΙΣΗΣ 3

31 Διάγραμμα αιτίου αποτελέσματος C = E ACT, GM MANT RAT ALT REL AZI DEN LIT, DEP RAI, SL, NUM ST 31

32 Ανάλυση τροχιάς 3

33 Σε επίπεδο μεσαίας κλίμακας ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΚΙΝΔΥΝΟΥ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΤΟΛΙΣΘΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΝΔ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΠΣ Δημιουργία γεωτεχνικού μοντέλου εκτίμησης του κινδύνου με εκτίμηση του συντελεστή ασφαλείας (εφαρμογή του αλγόριθμου ΒP περιοχή Αιγίου) Δημιουργία χαρτών βαθμού κινδύνου με μοντελοποίηση ποιοτικών παραμέτρων (εφαρμογή του αλγόριθμου SOM σε περιοχή του Ν. Ευρυτανίας) 33

34 Περιοχές έρευνας 34

35 ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΚΤΙΜΗΣΗΣ ΚΙΝΔΥΝΟΥ ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΤΟΛΙΣΘΗΣΕΩΝ, ΜΕ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΤΝΔ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΠΣ (ενσωμάτωση κριτηρίων αστοχίας) ΧΑΡΤΗΣ ΜΟΝΙΜΩΝ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ E γ c ΥΠΟΜΝΗΜΑ ΜΟΝΙΜΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ u (cm) ΡΗΓΜΑ ΑΙΓΙΟΥ km φ β H Συντελεστής ασφαλείας F ή Ποσοστό ευστάθειας S r u 35

36 ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ TOY ΚΙΝΔΥΝΟY ΕΝΑΝΤΙ ΚΑΤΟΛΙΣΘΗΣΕΩΝ, ΜΕ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΤΝΔ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΓΠΣ ALT.377 RAIN d d MANT REL d d ACT d AZI d DEN.648 d.311 Labels.195 DEN.16 E REL MANT SL.838 ΧΑΡΤΗΣ ΒΑΘΜΟΥ ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ E ΧΑΡΤΗΣ ΜΕΣΟΥ ΕΤΗΣΙΟΥ ΥΨΟΥΣ ΒΡΟΧΗΣ AZI GM ALT LIT RAIN < > km SL vs. RAIN SL vs. REL SL SL vs. ACTSL 1 DEN LIT vs. SL-1 SL -1SL vs. GM-1SL vs. ALT SL vs. AZI - vs. MANT -1 x vs GM vs.-4den GM vs. ALT GM GM vs. REL GM GM vs. ACT -.LIT vs. GMSL vs. GM-1 GM -1-5 vs. RAIN -1-1GM vs. AZI - vs. MANT -1 x ALT vs.-4den ALT vs. REL ALT vs. AZI ALT ALT vs. ACT -.5LIT vs. ALT -.5SL vs. ALTGM vs. ALT -1 ALT ALT -5 vs. RAIN vs. MANT -1 x RAIN vs.-4 DEN LIT vs. RAIN SL vs. RAIN GM vs. RAIN ALT vs. REL RAIN vs. RAIN AZI RAIN vs. ACT vs. RAIN -5 RAIN RAIN vs. MANT -1 x REL vs.-4den LIT vs. REL SL vs. REL GM vs. REL ALT vs. REL RAIN vs. REL REL vs. AZI REL REL REL -1 - vs. MANT -1 vs. ACT x AZI AZI vs. LIT vs. AZI SL vs. AZI GM vs. AZI ALT vs. AZI RAIN vs. AZI REL vs. AZI AZI vs. MANT AZI vs. ACT x 1 DEN MANT vs. DEN LIT SL GM ALT RAIN REL AZI vs. ACT vs. MANT vs. MANT vs. MANT vs. MANT vs. MANT vs. MANT vs. MANT - MANTMANT -1 x vs. DEN LIT vs. ACT SL vs. ACT GM vs. ACT ALT vs. ACT RAIN vs. -.5 ACT REL vs. ACT AZI vs. ACT MANT vs. ACT ACT ACT x LIT vs. DEN SL vs. DEN GM vs. DEN ALT vs. DEN RAIN vs. DEN REL vs. DEN AZI vs. DEN MANT vs. DEN ACT vs. DEN DEN -.5 x x x x x x x x 1 x ΥΠΟΜΝΗΜΑ 4945 d d 8.78e ΥΠΟΜΝΗΜΑ ΜΕΣΟ ΕΤΗΣΙΟ ΥΨΟΣ ΒΡΟΧΗΣ (mm) d SOM 3 Mar 4 ΒΑΘΜΟΣ ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΟΤΗΤΑΣ ΠΟΛΥ ΧΑΜΗΛΗ ΧΑΜΗΛΗ ΜΕΤΡΙΑ ΥΨΗΛΗ ΠΟΛΥ ΥΨΗΛΗ km εκδηλωμένες κατολισθήσεις 4 36

37 Κατηγορία κινδύνου Πολύ χαμηλός Εμβαδό (km) Αριθμός πολυγώνων στα οποία απαντούν κατολισθήσεις Χαμηλός πολύ χαμηλός χαμηλός μέτριος υψηλός πολύ υψηλός Μέτριος Υψηλός Πολύ υψηλός

38 Κύρια Συμπεράσματα Αναπτύχθηκαν ΤΝΔ F, S. Καλύτερη προσέγγιση σε σύγκριση με τη μέθοδο παλινδρόμησης Ελεγχος ποιότητας των δεδομένων Υλοποιήθηκε αντικειμενική και ποσοτικοποιημένη ιεράρχηση των βαρών των παραμέτρων. Ολιστική προσέγγιση, τάση των παραγόντων για δημιουργία συστοιχειών Ιεραρχήθηκε η κυριαρχία και η ένταση αλληλεπίδρασης των παραγόντων Τάση διατήρησης των σχέσεων γειτνίασης μεταξύ των παραγόντων και όχι διατήρησης των μεταξύ τους αποστάσεων. Τα Γ Π Σ απαραίτητα εργαλεία για τον προσδιορισμό του κινδύνου 38

39 Θέματα τα οποία προσφέρονται για περαι αιτέρω έρευνα Βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής των ΤΝΔ. Ανάπτυξη ολοκληρωμένου μέσου αλληλεπίδρασης ΓΠΣ ΤΝΔ και ΜΠΣ Εφαρμογή του μοντέλου και σε άλλες περιοχές έρευνας. Απαίτηση για αυξημένη τιμής του F ανάλογα με την γεωγραφική θέση Δημιουργία ζωνών βαθμού κινδύνου 39