本發(fā)明涉及海灣生態(tài)評估，具體涉及一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法。

背景技術(shù)：

1、海灣區(qū)域是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，擁有豐富的生物多樣性和重要的生態(tài)功能，隨著人類活動的不斷增加，海灣生態(tài)系統(tǒng)面臨著嚴重的威脅，如污染、過度捕撈、棲息地破壞等，這些威脅不僅影響海灣區(qū)域的生態(tài)平衡，還可能對周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和居民生活產(chǎn)生負面影響，因此，對海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量進行評估預(yù)警，以針對性的保護和管理顯得尤為重要。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量受到多種因素影響，影響海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警的準確性，因此，如何捕捉海灣區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化，提高生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警的精度，以便匹配相應(yīng)的治理措施，是我們要解決的問題，為此，現(xiàn)提出一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法，包括以下步驟：

4、s1、基于多數(shù)據(jù)源收集與目標海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)；

5、s2、對海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)進行特征分析，明確海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量變化趨勢，其中，生態(tài)質(zhì)量變化趨勢包括水質(zhì)偏離趨勢、空氣質(zhì)量偏離趨勢以及環(huán)境壓力負面趨勢；

6、s3、使用已知生態(tài)質(zhì)量狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練異常生態(tài)質(zhì)量識別模型，識別出目標海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量存在的異常情況；

7、s4、結(jié)合異常生態(tài)質(zhì)量識別模型的識別結(jié)果和生態(tài)質(zhì)量變化趨勢，進行海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的動態(tài)評估；

8、s5、設(shè)定生態(tài)質(zhì)量閾值，對動態(tài)評估結(jié)果進行預(yù)警分析，并基于預(yù)警結(jié)果實施相應(yīng)的治理措施。

9、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述s1中，目標海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集過程為：

10、s11、選擇并確定目標海灣區(qū)域進行生態(tài)質(zhì)量評估的數(shù)據(jù)源，分別為水質(zhì)監(jiān)測站、空氣質(zhì)量監(jiān)測站和環(huán)境壓力數(shù)據(jù)源，其中，選擇并確定多個水質(zhì)監(jiān)測站點，覆蓋目標海灣的不同區(qū)域，包括近岸、深海、河口等關(guān)鍵位置，確定多個空氣質(zhì)量監(jiān)測站點，反映目標海灣周邊的空氣質(zhì)量狀況，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測大范圍地理區(qū)域的環(huán)境信息，并結(jié)合污染物排放報告和氣象站，綜合獲取環(huán)境壓力數(shù)據(jù)；

11、s12、根據(jù)目標海灣區(qū)域的特點，明確海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估的數(shù)據(jù)類型，包括水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)；

12、s13、對于水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，使用自動水質(zhì)監(jiān)測儀器定期采集酸堿度、懸浮顆粒物、溶解氧、化學(xué)需氧量和總氮磷含量數(shù)據(jù)；對于空氣質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)，在選定的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點安裝傳感器，監(jiān)控并獲取二氧化硫濃度、氮氧化物濃度及可吸入顆粒物（pm2.5和pm10）濃度數(shù)據(jù)；對于環(huán)境壓力參數(shù)，基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測、污染物排放報告和氣象站，獲取污染物排放量和溫度變化率數(shù)據(jù)；

13、s14、構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，對獲取的水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)標準化的預(yù)處理操作，對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，去除噪聲、填補缺失值、糾正錯誤數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)標準化將不同來源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式，便于后續(xù)分析，并將不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)整合到數(shù)據(jù)倉庫中進行存儲。

14、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述s2中，海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量變化趨勢的分析過程為：

15、s21、遍歷數(shù)據(jù)倉庫從中調(diào)取預(yù)處理后的水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)數(shù)據(jù)，并對各參數(shù)數(shù)據(jù)進行特征分析，以提取反映海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的指標；

16、s22、基于預(yù)處理后的水質(zhì)數(shù)據(jù)，提取酸堿度、懸浮顆粒物、溶解氧、化學(xué)需氧量和總氮磷含量的評估指標，并結(jié)合目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫，確定各水質(zhì)評估指標的基準值，進而計算水質(zhì)偏離指數(shù)，分析在評估周期內(nèi)水質(zhì)參數(shù)隨時間的變化趨勢；

17、s23、基于預(yù)處理后的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，提取二氧化硫濃度、氮氧化物濃度和可吸入顆粒物（pm2.5和pm10）濃度的評估指標，并結(jié)合目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫，確定各空氣質(zhì)量評估指標的基準值，進而計算空氣質(zhì)量偏離指數(shù)，分析在評估周期內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)隨時間的變化趨勢；

18、s24、基于預(yù)處理后的環(huán)境壓力參數(shù)數(shù)據(jù)，提取污染物排放量和溫度變化率的評估指標，并結(jié)合目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫，確定各環(huán)境壓力評估指標的基準值，進而計算環(huán)境壓力趨向指數(shù)，分析環(huán)境壓力的負面趨勢。

19、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述水質(zhì)偏離指數(shù)的計算公式，如下：

20、；

21、式中，w為水質(zhì)偏離指數(shù)，為第i個水質(zhì)參數(shù)評估指標的實際測量值，為第i個水質(zhì)參數(shù)評估指標的基準值，是基于目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫確定的標準值，為第i個水質(zhì)參數(shù)評估指標的權(quán)重，用于反映其在綜合評估中的重要性，p為調(diào)整因子，用于控制指數(shù)函數(shù)的敏感度，默認設(shè)為2，n為水質(zhì)參數(shù)評估指標的數(shù)量，i為水質(zhì)參數(shù)評估指標的索引，i=1,2,3,4,5，分別對應(yīng)酸堿度、懸浮顆粒物、溶解氧、化學(xué)需氧量和總氮磷含量，w的取值范圍在0至1之間，當(dāng)所有水質(zhì)參數(shù)評估指標都與基準值完全一致時，w為0，當(dāng)某個或多個水質(zhì)參數(shù)評估指標偏離基準值越大，w越接近1；w趨近于0表示水質(zhì)參數(shù)接近基準值，水質(zhì)狀況良好，w趨近于1表示水質(zhì)參數(shù)嚴重偏離基準值，水質(zhì)狀況較差；

22、所述空氣質(zhì)量偏離指數(shù)的計算公式，如下：

23、；

24、式中，r為空氣質(zhì)量偏離指數(shù)，為第j個空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標的實際測量值，為第j個空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標的基準值，是基于目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫確定的標準值，為第j個空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標的權(quán)重，用于反映其在綜合評估中的重要性，m為空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標的數(shù)量，j為空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標的索引，j=1,2,3，分別對應(yīng)二氧化硫濃度、氮氧化物濃度和可吸入顆粒物濃度，r的取值范圍在0至1之間，當(dāng)所有空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標都與基準值完全一致時，r為0，當(dāng)某個或多個空氣質(zhì)量參數(shù)評估指標偏離基準值越大，r越接近1；r趨近于0表示空氣質(zhì)量參數(shù)接近基準值，空氣質(zhì)量狀況良好，r趨近于1表示空氣質(zhì)量參數(shù)嚴重偏離基準值，空氣質(zhì)量狀況較差；

25、所述環(huán)境壓力趨向指數(shù)的計算公式，如下：

26、；

27、式中，e為環(huán)境壓力趨向指數(shù)，為第k個環(huán)境壓力參數(shù)評估指標的實際測量值，為第k個環(huán)境壓力參數(shù)評估指標的基準值，是基于目標區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量要求和歷史數(shù)據(jù)庫確定的標準值，為第k個環(huán)境壓力參數(shù)評估指標的權(quán)重，用于反映其在綜合評估中的重要性，h為環(huán)境壓力參數(shù)評估指標的數(shù)量，k為環(huán)境壓力參數(shù)評估指標的索引，k=1,2，分別對應(yīng)污染物排放量和溫度變化率，e的取值范圍在0至1之間，當(dāng)所有環(huán)境壓力參數(shù)評估指標都與基準值完全一致時，e為0，當(dāng)某個或多個環(huán)境壓力參數(shù)評估指標偏離基準值越大，e越接近1；e趨近于0表示環(huán)境壓力參數(shù)接近基準值，環(huán)境狀況良好，e趨近于1表示環(huán)境壓力參數(shù)嚴重偏離基準值，環(huán)境狀況較差。

28、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述s3中，異常情況的識別過程為：

29、s31、收集目標海灣區(qū)域包含已知生態(tài)質(zhì)量狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)中的異常水質(zhì)參數(shù)、異常空氣質(zhì)量參數(shù)和異常環(huán)境壓力參數(shù)進行標記；

30、s32、整合水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)的各評估指標，得到綜合數(shù)據(jù)集，并將其劃分為訓(xùn)練集和測試集，確保每個樣本包含所有相關(guān)參數(shù)及其對應(yīng)的正常或異常標簽；

31、s33、基于訓(xùn)練集的評估指標數(shù)據(jù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將訓(xùn)練集中的水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)作為輸入特征，正?；虍惓撕炞鳛檩敵?，訓(xùn)練異常生態(tài)質(zhì)量識別模型，調(diào)整模型參數(shù)以使其識別生態(tài)質(zhì)量的異常情況，并結(jié)合測試集數(shù)據(jù)通過計算準確率、召回率、f1-score、auc等指標評估模型的性能，進而根據(jù)評估結(jié)果對模型進行優(yōu)化；

32、s34、將訓(xùn)練好的模型應(yīng)用于目標海灣區(qū)域的實時生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)模型輸出的概率計算異常識別指數(shù)，設(shè)定異常閾值y判斷是否存在異常。

33、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述異常識別指數(shù)的計算公式，如下：

34、；

35、式中，t為異常識別指數(shù)，為第t個實時生態(tài)質(zhì)量參數(shù)的實際測量值，為第t個參數(shù)的權(quán)重，用于反映其在綜合評估中的重要性，n為生態(tài)質(zhì)量參數(shù)的數(shù)量，即為水質(zhì)參數(shù)、空氣質(zhì)量參數(shù)和環(huán)境壓力參數(shù)的各評估指標的總和，為調(diào)整因子，用于控制參數(shù)平均值對閾值的影響程度，為調(diào)整因子，用于引入隨機性，使閾值具有一定的波動范圍，表示在區(qū)間[0,1]內(nèi)隨機生成的一個數(shù)，若，則認定為存在異常。

36、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述s4中，海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量動態(tài)評估的過程為：

37、s41、將目標區(qū)域的水質(zhì)、空氣質(zhì)量、環(huán)境壓力的參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到訓(xùn)練好的異常生態(tài)質(zhì)量識別模型中，進行目標區(qū)域的異常檢測，模型輸出正?；虍惓５母怕剩鶕?jù)設(shè)定的異常閾值，得到異常狀態(tài)的識別結(jié)果；

38、s42、計算目標區(qū)域的水質(zhì)偏離指數(shù)、空氣質(zhì)量偏離指數(shù)和環(huán)境壓力趨向指數(shù)，分析各參數(shù)隨時間的變化趨勢，并根據(jù)各參數(shù)在生態(tài)系統(tǒng)中的重要性，分配相應(yīng)的權(quán)重；

39、s43、基于為各參數(shù)分配的權(quán)重，結(jié)合目標區(qū)域的水質(zhì)偏離指數(shù)、空氣質(zhì)量偏離指數(shù)和環(huán)境壓力趨向指數(shù)計算結(jié)果，綜合計算得到生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)，并根據(jù)綜合生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)的大小，分析目標海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量狀態(tài)。

40、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)的計算公式，如下：

41、；

42、式中，sc為生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)，w為水質(zhì)偏離指數(shù)，r為空氣質(zhì)量偏離指數(shù)，e為環(huán)境壓力趨向指數(shù)，為水質(zhì)偏離指數(shù)的權(quán)重，為空氣質(zhì)量偏離指數(shù)的權(quán)重，為環(huán)境壓力趨向指數(shù)的權(quán)重，需要說明的是，sc趨近于1表示水質(zhì)、空氣質(zhì)量和環(huán)境壓力參數(shù)均接近基準值，生態(tài)質(zhì)量狀況良好。

43、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：所述s5中，預(yù)警分析的過程為：

44、s51、根據(jù)海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的要求和歷史海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)，對海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量進行等級劃分，將其劃分為優(yōu)質(zhì)生態(tài)質(zhì)量等級、良好生態(tài)質(zhì)量等級以及差等生態(tài)質(zhì)量等級；

45、s52、結(jié)合生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)的計算結(jié)果，與各生態(tài)質(zhì)量等級相匹配，并為各生態(tài)質(zhì)量等級設(shè)定相應(yīng)的生態(tài)質(zhì)量閾值；

46、s53、基于生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)的值，判斷當(dāng)前生態(tài)質(zhì)量等級，并標記為不同的狀態(tài)色，將優(yōu)質(zhì)生態(tài)質(zhì)量等級標記為綠色的狀態(tài)色，將良好生態(tài)質(zhì)量等級標記為黃色的狀態(tài)色，將差等生態(tài)質(zhì)量等級標記為紅色的狀態(tài)色；

47、s54、當(dāng)處于良好生態(tài)質(zhì)量等級時，發(fā)出預(yù)警通知，建議采取預(yù)防性措施，當(dāng)處于差生態(tài)質(zhì)量等級時，發(fā)出緊急預(yù)警通知，立即啟動應(yīng)急響應(yīng)機制，并分析預(yù)警原因，包括水質(zhì)惡化、空氣污染加劇和環(huán)境壓力增大；

48、s55、根據(jù)預(yù)警分析結(jié)果，制定針對性的治理方案，并實施相應(yīng)的治理措施，加強水質(zhì)監(jiān)測與治理，改善空氣質(zhì)量，減輕環(huán)境壓力，同時，對治理措施的實施情況進行監(jiān)督，確保措施得到有效執(zhí)行，定期評估治理效果，根據(jù)評估結(jié)果調(diào)整治理方案。

49、本發(fā)明技術(shù)方案的進一步改進在于：多個所述生態(tài)質(zhì)量等級對應(yīng)多個所述生態(tài)質(zhì)量閾值，其中，所述生態(tài)質(zhì)量閾值包括上限閾值和下限閾值；

50、多個所述生態(tài)質(zhì)量等級與多個所述生態(tài)質(zhì)量閾值滿足如下關(guān)系：

51、所述優(yōu)質(zhì)生態(tài)質(zhì)量等級的生態(tài)質(zhì)量閾值為：；

52、所述良好生態(tài)質(zhì)量等級的生態(tài)質(zhì)量閾值為：；

53、所述差等生態(tài)質(zhì)量等級的生態(tài)質(zhì)量閾值為：；

54、其中，sc為生態(tài)質(zhì)量評估系數(shù)，為優(yōu)質(zhì)生態(tài)質(zhì)量等級對應(yīng)的下限閾值與良好生態(tài)質(zhì)量等級對應(yīng)的上限閾值，為良好生態(tài)質(zhì)量等級對應(yīng)的下限閾值與差等生態(tài)質(zhì)量等級對應(yīng)的上限閾值，,。

55、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)來說，取得的技術(shù)進步是：

56、本發(fā)明提供一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法，通過收集和處理水質(zhì)、空氣質(zhì)量和環(huán)境壓力數(shù)據(jù)，并使用訓(xùn)練好的異常生態(tài)質(zhì)量識別模型進行動態(tài)評估，能夠?qū)崿F(xiàn)對海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的實時監(jiān)控，一旦檢測到異常情況，可立即發(fā)出預(yù)警通知，幫助管理者迅速采取行動，避免生態(tài)系統(tǒng)的進一步惡化。

57、本發(fā)明提供一種基于機器學(xué)習(xí)的海灣區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評估預(yù)警方法，通過整合水質(zhì)偏離指數(shù)、空氣質(zhì)量偏離指數(shù)和環(huán)境壓力趨向指數(shù)，從多個維度對海灣區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量進行全面評估，更準確地反映整體生態(tài)狀況，避免單一指標帶來的偏差，而且根據(jù)預(yù)警分析結(jié)果，可制定針對性的治理方案，確保生態(tài)系統(tǒng)的長期健康和可持續(xù)發(fā)展。