本發(fā)明屬于環(huán)保領(lǐng)域，具體涉及一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位布局優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

受人類活動(dòng)、氣象和水文等眾多因素的影響，海洋水環(huán)境系統(tǒng)的變化過程是一個(gè)具有趨勢(shì)性、季節(jié)性、突變性等特征的復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過程。及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)海水水質(zhì)，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)、海洋開發(fā)與管理具有重要的意義。因此，在處理很多問題時(shí)，尤其是海水水質(zhì)評(píng)價(jià)的問題，一旦評(píng)價(jià)的不當(dāng)將導(dǎo)致海洋生態(tài)環(huán)境安全受到威脅進(jìn)而影響到了海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)海區(qū)海水水質(zhì)科學(xué)的評(píng)價(jià)是非常重要，而作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)站位的布局是至關(guān)重要的，它關(guān)系到海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作和海洋環(huán)境評(píng)價(jià)的成敗。

隨著海洋經(jīng)濟(jì)熱潮的興起，海洋環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的越來越頻繁，而且發(fā)生的規(guī)模越來越大，給海洋經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境帶來的損失也越來越重，科學(xué)合理的布局海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位，在滿足監(jiān)測(cè)精度需要的同時(shí)能夠大幅度減少監(jiān)測(cè)站網(wǎng)布設(shè)的費(fèi)用，具有重大的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位布局優(yōu)化方法。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位布局優(yōu)化方法，包括如下步驟：

1)將待優(yōu)化海區(qū)中各海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中；

2)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的待優(yōu)化海區(qū)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的監(jiān)測(cè)要素值進(jìn)行歸一化處理；歸一化方法為設(shè)置m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u'_ij表示第i個(gè)對(duì)象對(duì)第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)的特征值，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，將原始矩陣U'轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣U＝(u_ij)_m×n，其中當(dāng)該指標(biāo)為大者為優(yōu)的收益型指標(biāo)時(shí)，

u'_ij≥0,j∈收益型指標(biāo)

當(dāng)該指標(biāo)為小者為優(yōu)的收益型指標(biāo)時(shí)，

u'_ij≥0,j∈成本型指標(biāo)；

3)計(jì)算每個(gè)監(jiān)測(cè)站位所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方差，計(jì)算公式如下：

其中γ(h)是實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)，N為待優(yōu)化海區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的數(shù)目且z(x_i)和z(x_i+h)代表空間第x和x+h個(gè)監(jiān)測(cè)站位中第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的特征值；

得到變差函數(shù)后，計(jì)算權(quán)系數(shù)其中i＝1,2,3…，N，得到所有未知點(diǎn)的方差，權(quán)系數(shù)確定公式為：

其中γ(x_i,x_j)為x_i和x_j之間的變差函數(shù)；

4)對(duì)監(jiān)測(cè)站位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方差超過第一閾值且區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濃度梯度超過第二閾值的區(qū)域加大監(jiān)測(cè)站位的密度；對(duì)監(jiān)測(cè)站位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方差低于第一閾值且區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濃度梯度低于第二閾值的區(qū)域減少監(jiān)測(cè)站位的密度。

所述的步驟1)中監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)為多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)得到的無機(jī)氮、化學(xué)需氧量、溶解氧、葉綠素相關(guān)數(shù)據(jù)，沉積物監(jiān)測(cè)得到的有機(jī)碳、硫化物；以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)得到的沉浮游生物、生物多樣性數(shù)據(jù)。

所述的步驟1)中多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在入庫(kù)過程中需進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)海水監(jiān)測(cè)站位的優(yōu)化，使優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)站位在滿足監(jiān)測(cè)精度需要的同時(shí)大幅度的建設(shè)監(jiān)測(cè)站位網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用，更好的為海洋環(huán)境保護(hù)管理提供決策依據(jù)。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中布局優(yōu)化前的監(jiān)測(cè)站位分布圖；

圖2是實(shí)施例中監(jiān)測(cè)站位估計(jì)方差與監(jiān)測(cè)站位數(shù)的相互關(guān)系；

圖3是實(shí)施例中布局優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)站位分布圖；

具體實(shí)施方式

為了能夠更加清晰明了的對(duì)本發(fā)明的了解本研究以浙江省北部海域?yàn)槔M(jìn)行了監(jiān)測(cè)站位布局優(yōu)化驗(yàn)證分析。原始站位分布如圖1所示。

第一步：采集浙北海域的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)為多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)得到的無機(jī)氮、化學(xué)需氧量、溶解氧、葉綠素相關(guān)數(shù)據(jù)，沉積物監(jiān)測(cè)得到的有機(jī)碳、硫化物；以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)得到的沉浮游生物、生物多樣性數(shù)據(jù)。相關(guān)樣品的采集和分析根據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB17378)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB12763)中規(guī)定的方法進(jìn)行。入庫(kù)過程中進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)明顯的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)給予剔除。保證進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是正確的。浙北海域2012年共計(jì)84個(gè)監(jiān)測(cè)站位。

第二步：對(duì)待優(yōu)化海區(qū)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

由于浙北海區(qū)各監(jiān)測(cè)站位監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)指標(biāo)的量級(jí)和單位的不同需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使不同的監(jiān)測(cè)站位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性對(duì)監(jiān)測(cè)站位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性標(biāo)準(zhǔn)化得到無量綱矩陣，標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)分為以下二類指標(biāo)：

(1)數(shù)據(jù)大者為優(yōu)的收益型指標(biāo)；

(2)數(shù)據(jù)小者為優(yōu)的成本型指標(biāo)；

歸一化方法為設(shè)置m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，u'_ij表示第i個(gè)對(duì)象對(duì)第j個(gè)評(píng)判指標(biāo)的特征值，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，將原始矩陣U'轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣U＝(u_ij)_m×n，其中當(dāng)該指標(biāo)為收益型指標(biāo)時(shí)，

u'_ij≥0,j∈收益型指標(biāo)

當(dāng)該指標(biāo)為收益型指標(biāo)時(shí)，

u'_ij≥0,j∈成本型指標(biāo)；

第三步：本發(fā)明為克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)站位的方法如物元分析方法、模糊聚類分析方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法在一定程度存在缺陷，采用克里金插值方差分析的方法結(jié)合待優(yōu)化海區(qū)監(jiān)測(cè)站位的海洋環(huán)境污染狀況進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位優(yōu)化分析。完成步驟2)后，進(jìn)一步計(jì)算待優(yōu)化海區(qū)每個(gè)監(jiān)測(cè)站位所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的方差，計(jì)算公式如下：

其中γ(h)是實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)，N為待優(yōu)化海區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站位的數(shù)目且z(x_i)和z(x_i+h)代表空間第x和x+h個(gè)監(jiān)測(cè)站位中第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的特征值；

得到變差函數(shù)后，計(jì)算權(quán)系數(shù)其中i＝1,2,3…，N，得到所有未知點(diǎn)的方差，權(quán)系數(shù)確定公式為：

其中γ(x_i,x_j)為x_i和x_j之間的變差函數(shù)；

第四步：對(duì)監(jiān)測(cè)站位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方差超過第一閾值且區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濃度梯度超過第二閾值的區(qū)域加大監(jiān)測(cè)站位的密度；對(duì)監(jiān)測(cè)站位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方差低于第一閾值且區(qū)域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)濃度梯度低于第二閾值的區(qū)域減少監(jiān)測(cè)站位的密度。實(shí)施例區(qū)域即浙北海區(qū)的監(jiān)測(cè)站位估計(jì)誤差的方差平均值為0.161，從整體上看，杭州灣區(qū)域、寧波象山港區(qū)域的方差較小，而在浙北南部臺(tái)州區(qū)域及舟山群島附近的方差較大。為此用本發(fā)明的方法進(jìn)行了優(yōu)先分析，刪除了其中的8個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，增加了3個(gè)監(jiān)測(cè)站位，新增的監(jiān)測(cè)站位主要分布于舟山群島海域和杭州灣近海部海域，調(diào)整了站位較為集中的寧波舟山海域按照優(yōu)化方案后的方差標(biāo)準(zhǔn)差梯度較前優(yōu)化幅度大幅降低，評(píng)價(jià)方差標(biāo)準(zhǔn)差為0.145，如圖2所示。

調(diào)整后的79個(gè)監(jiān)測(cè)站位(圖3)能夠較好的代表浙江省北部海區(qū)的海水環(huán)境質(zhì)量。較優(yōu)化前減少了5個(gè)監(jiān)測(cè)站位，但是效果確比之前的好。

當(dāng)然，在實(shí)際調(diào)整過程中，也可需要考慮站位的實(shí)際情況，如污染物濃度較大的分布區(qū)域應(yīng)該增加監(jiān)測(cè)站位的密度，具有代表性的即具有長(zhǎng)時(shí)間序列的站位，應(yīng)當(dāng)給予重視保留；離海岸線較近的人類活動(dòng)頻繁區(qū)域，增加監(jiān)測(cè)站位的密度，反之則減少。