本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測，具體涉及一種環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當前技術(shù)背景下，不同環(huán)境參數(shù)（空氣、水質(zhì)、噪聲等）具有不同的量綱和變化特征，且這些參數(shù)之間存在復(fù)雜的交互關(guān)系；傳統(tǒng)方法通常獨立處理各項參數(shù)，難以全面反映環(huán)境質(zhì)量的整體狀況。此外，環(huán)境參數(shù)的變化不僅包含趨勢變化和周期變化，還存在隨機擾動特征，現(xiàn)有方法無法適應(yīng)環(huán)境參數(shù)隨時間動態(tài)變化的需求，這導(dǎo)致了對環(huán)境質(zhì)量評估和預(yù)警的不準確性。

2、綜上所述，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)在處理多維異構(gòu)性、動態(tài)復(fù)雜性、時空關(guān)聯(lián)性和預(yù)警滯后性方面存在諸多不足，亟需一種新的技術(shù)方案來解決這些問題，以提高環(huán)境監(jiān)測的精度和預(yù)警的時效性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種能夠有效解決環(huán)境數(shù)據(jù)多維異構(gòu)性、動態(tài)復(fù)雜性、時空關(guān)聯(lián)性和預(yù)警滯后性問題的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法和系統(tǒng)。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟：

3、步驟s1，對采集的空氣、水質(zhì)和噪聲三類環(huán)境數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到多維環(huán)境數(shù)據(jù)的時間序列。

4、所述多維環(huán)境數(shù)據(jù)的時間序列共計15個維度參數(shù)，其中，空氣環(huán)境數(shù)據(jù)包括六個維度參數(shù)：pm2.5、pm10顆粒物濃度以及so2、no2、o3、co污染物濃度；水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)包括六個維度參數(shù)：ph值、溶解氧、濁度、電導(dǎo)率、總磷、總氮；噪聲環(huán)境數(shù)據(jù)包括三個維度參數(shù)：等效聲級、最大聲級和背景噪聲。

5、采集后的數(shù)據(jù)通過標準化公式：進行處理，消除不同參數(shù)之間的量綱差異，其中，為第個維度參數(shù)的標準化值，第個維度參數(shù)的原始值，和為第個維度參數(shù)的最小標準限值和最大標準限值。

6、步驟s2，對所述多維環(huán)境數(shù)據(jù)的時間序列進行序列分解，將每個參數(shù)序列都分解為趨勢項、周期項和隨機項。

7、利用小波分解方法，將標準化后的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)分解：

8、，其中，為趨勢項、為周期項、為隨機項。

9、所述趨勢項反映環(huán)境參數(shù)的整體發(fā)展方向，所述周期項表示數(shù)據(jù)中的周期性變化，所述隨機項為數(shù)據(jù)中不具有規(guī)律性的短期波動。

10、步驟s3，構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模型，基于參數(shù)序列分解數(shù)據(jù)給出環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的定量分析結(jié)果。

11、基于所述趨勢項構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量基準值；將所述周期項與歷史數(shù)據(jù)的周期特征進行匹配，得到周期調(diào)整系數(shù)；基于隨機項的分布特征，建立動態(tài)波動范圍。

12、構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模型：

13、，其中，為時刻環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的定量分析結(jié)果。

14、進一步的，所述基于所述趨勢項構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量基準值包括以下步驟：

15、步驟s21，計算各維度參數(shù)的趨勢貢獻度；所述各維度參數(shù)的趨勢貢獻度的表達式為：，

16、步驟s22，確定每個維度參數(shù)的動態(tài)貢獻系數(shù)，；

17、步驟s23，則環(huán)境質(zhì)量基準值為每個維度參數(shù)的動態(tài)貢獻系數(shù)和趨勢項的乘積和，。

18、進一步的，所述將所述周期項與歷史數(shù)據(jù)的周期特征進行匹配，得到周期調(diào)整系數(shù)的方法為：

19、對周期項進行傅里葉變換，，其中，表示周期項在頻域中的表示，表示復(fù)指數(shù)函數(shù),其中為虛數(shù)單位，為角頻率，表示時間變量；識別數(shù)據(jù)變化主周期，，其中，為第個主周期的周期長度，為第個功率譜密度局部最大值對應(yīng)的頻率。

20、構(gòu)建周期調(diào)整系數(shù)，，其中，為第個周期分量的振幅，為第個主周期分量的相位角。

21、進一步的，所述基于隨機項的分布特征，建立動態(tài)波動范圍的方法為：

22、計算隨機項的局部標準差，，為隨機項的局部標準差，反映波動強度，為第個時刻的隨機項值，為隨機項的局部平均值，為計算標準差時使用的樣本數(shù)量；

23、計算隨機項的變化率，，其中，表示隨機項對時間的導(dǎo)數(shù)。

24、建立動態(tài)波動范圍，，其中，為基于歷史數(shù)據(jù)標定的調(diào)節(jié)系數(shù)，其標定方法遵循確保動態(tài)波動范圍能覆蓋95%的歷史波動情況。

25、進一步的，所述環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法還包括：基于環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的定量分析結(jié)果對空氣、水質(zhì)和噪聲三類環(huán)境數(shù)據(jù)的采樣頻率進行反饋調(diào)整。

26、環(huán)境質(zhì)量變化特征值的表達式為：，其中，為環(huán)境質(zhì)量變化特征值，表征環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的相對變化率，為時刻環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的定量分析結(jié)果。

27、根據(jù)所述環(huán)境質(zhì)量變化特征值確定采樣頻率，，其中，為基準采樣頻率，為頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，取值在0.1到0.5之間。

28、進一步的，所述環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測方法還包括：根據(jù)各個監(jiān)測點的空間自相關(guān)函數(shù)修正環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的定量分析結(jié)果。

29、監(jiān)測點空間自相關(guān)函數(shù)表達式為：，其中，為監(jiān)測點和之間的距離，為特征距離。

30、空間關(guān)聯(lián)矩陣：，關(guān)聯(lián)矩陣的元素的表達式為：

31、，其中，為監(jiān)測點和在時間的相關(guān)系數(shù)。

32、則空間修正后的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)：，其中，為空間權(quán)重系數(shù)，為關(guān)聯(lián)矩陣的跡。

33、第一方面，基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明提供一種環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，用于執(zhí)行第一方面所述的方法；所述系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集處理模塊、序列分解模塊和環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模塊，三個模塊依次連接。

34、進一步的，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊用于采集空氣、水質(zhì)和噪聲三類環(huán)境數(shù)據(jù)；對采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行標準化處理，得到多維環(huán)境數(shù)據(jù)的時間序列。

35、進一步的，所述序列分解模塊用于利用小波分解方法將標準化后的環(huán)境質(zhì)量參數(shù)分解為趨勢項、周期項和隨機項。

36、進一步的，環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模塊用于基于所述趨勢項構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量基準值，將所述周期項與歷史數(shù)據(jù)的周期特征進行匹配，得到周期調(diào)整系數(shù)，基于隨機項的分布特征，建立動態(tài)波動范圍，構(gòu)建環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模型并計算定量結(jié)果。

37、進一步的，所述環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模塊包括：

38、趨勢貢獻度計算單元，用于計算各維度參數(shù)的趨勢貢獻度的表達式為：。

39、動態(tài)貢獻系數(shù)計算單元，用于確定每個維度參數(shù)的動態(tài)貢獻系數(shù)，其表達式為：。

40、基準值計算單元，用于計算環(huán)境質(zhì)量基準值。

41、進一步的，所述系統(tǒng)還包括采樣頻率調(diào)整模塊。

42、所述采樣頻率調(diào)整模塊分別與所述環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)計算模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊連接，用于基于環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的定量分析結(jié)果對數(shù)據(jù)采集頻率進行動態(tài)調(diào)整。

43、所述采樣頻率調(diào)整模塊包括：

44、變化特征值計算單元，用于計算環(huán)境質(zhì)量變化特征值。

45、頻率調(diào)整單元，用于根據(jù)環(huán)境質(zhì)量變化特征值確定采樣頻率，其中為頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，取值在0.1到0.5之間。

46、進一步的，所述系統(tǒng)還包括：

47、數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。

48、人機交互模塊，用于顯示環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果和系統(tǒng)運行狀態(tài)。

49、本發(fā)明的有益效果如下：

50、本發(fā)明通過對環(huán)境數(shù)據(jù)進行標準化處理和序列分解，采用動態(tài)權(quán)重調(diào)整機制和自適應(yīng)波動范圍估計，能夠適應(yīng)環(huán)境參數(shù)隨時間動態(tài)變化的需求，避免了固定權(quán)重帶來的滯后性和不準確性；結(jié)合采樣頻率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，能夠及時響應(yīng)環(huán)境質(zhì)量的異常變化和突發(fā)事件；不僅解決了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中存在的關(guān)鍵問題，而且在精度、響應(yīng)速度和實用性等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，為環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警提供了有效的技術(shù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景。