一种海-岛环境健康监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海-岛环境监测领域，尤其涉及一种海-岛环境健康监测方法。
【背景技术】
[0002] 海洋经济的快速发展对海洋生态和环境产生了一系列影响，以信息化手段促进海 洋经济良性发展，加强海洋生态环境保护具有良好的社会效益和广阔的应用前景。当前，影 响海洋生态环境的指标主要包括:海水的盐度、浊度、溶解氧、叶绿素、PH值、各种重金属含 量、潮间带与海-岛上的温度、湿度和生物种类等。
[0003] 针对近海、潮间带、海岛、临海陆地环境和生态的海-岛环境健康监测和评价越来 越强烈的需求，基于物联网、大数据和智能控制技术对影响海-岛环境健康的各种数据进行 有效的实时监测具有重要的意义。
[0004] 然而，由于海-岛地理位置的偏远性，在海-岛环境中布置大量的监测设备，以实时 采集海-岛环境数据将会消耗大量的供电、通信和维护成本；另外，由于监测设备的使用寿 命会受到采集频次的影响，如果不间断的实时、持续地采集海-岛环境数据，势必缩短监测 设备的使用寿命，导致不能采集到有效时间段内的海-岛环境监测数据，致使不能对海-岛 环境健康情况做出准确的评价。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能够节省维护成本、 避免采样过于频繁而对监测设备寿命造成不利影响，又可以提高海-岛环境健康监测效率 的海-岛环境健康监测方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种海-岛环境健康监测方法，其 特征在于，依次包括如下步骤：
[0007] (1)按照预设时间间隔将当前周期的前一周期分成间隔相等的η个时间域，并获取 前一周期内的海-岛环境健康实测数据样本，得到前一周期的各时间域内海-岛环境健康实 测数据样本;其中：
[0008] 设当前周期标记为Τ，预设时间间隔标记为Δ t，当前周期Τ的前一周期标记为^ = 1-(t-2, · · ·，t-n)，前一周期τ-内海-岛环境健康实测数据样本标记为s-，》r=s-(s^，…，幻;〇 表示前一周期T-内的第i个时间域，茗表示在前一周期Γ的时间域内采集的海-岛环境健 康实测数据样本；
[0009] (2)根据获取的前一周期的各时间域内海-岛环境健康实测数据样本，得到对应各 时间域内海-岛环境健康实测数据样本的方差值;其中：
[0010]设前一周期Γ的时间域内海-岛环境健康实测数据样本的方差值记为σ；2，^-岛环境健康实测数据样本方差值4的计算公式如下：
[0011]
[0012] 其中，表示前一周期Γ的第i个时间域内的第j个海-岛环境健康实测数据， cU表示前一周期Γ的时间域11内的海-岛环境健康实测数据的个数；
[0013] (3)根据所得前一周期的每个时间域所对应海-岛环境健康实测数据样本的方差 值，构建当前周期的各时间域内海-岛环境健康数据采样密度函数;其中，时间域^所对应 构建的海-岛环境健康数据采样密度函数为表示当前周期内的第i个时间域；
[0014] (4)设定当前时间周期内采集的海-岛环境健康数据构成当前时间周期内的海-岛 环境健康数据样本，并根据预设时间间隔，将当前时间周期分成间隔相等的η个时间域;其 中：
[0015] 所述当前时间周期Τ记为TzT^ts，. . .，tn)，当前时间周期Τ内对应的海-岛环境 健康数据样本标记为. . .，Sn)，预设时间间隔标记为At，ti表示当前时间周期T 内的第i个时间域，Si表示当前时间周期T的时间域^内采集的海-岛环境健康数据样本；
[0016] (5)在当前时间周期的每个时间域内，按照所得的海-岛环境健康数据采样密度函 数，对与各时间域对应的海-岛环境健康数据样本进行均匀采样;其中：
[0017]设定各时间域内的预设采样个数标记mi(mp 1且nM 2 1)，在时间域1内采集的 海-岛环境健康数据采样样本为Si，Si=(Sil，Si2, . . .，Simi)，Simi表示时间域ti内采集的第ΠΗ 个海-岛环境健康样本数据，i = l，2,. . .，n;
[0018] (6)从前一周期内的海-岛环境健康实测数据样本中抽取预设数量的海-岛环境健 康实测数据样本，分别作为海-岛环境健康实测数据初始样本和海-岛环境健康实测数据校 验样本，并基于Kriging方法建立关于时间的海-岛环境健康的隐函数模型;其中：
[0019] 所要建模时间段Τ'内的海-岛环境健康数据样本标记为S'r，海-岛环境健康实测 数据初始样本标记为S'o;海-岛环境健康实测数据校验样本分别标记为、S' 2、...和S'P， ?Ξ <，S; e S丨〇次=0，？2 1^>〇，？2 12〇;海-岛环境健康的隐函数模型标记为 G'（S'，t)，6'' ?; &，S'为用于构建海-岛环境健康的隐函数模型的样本；
[0020] (7)根据海-岛环境健康实测数据初始样本、海-岛环境健康实测数据校验样本以 及预设的海-岛环境健康模型的建模精度要求，对海-岛环境健康的隐函数模型进行校验和 控制判断：
[0021] (7-1)根据海-岛环境健康实测数据校验样本，并基于海-岛环境健康的隐函数模 型求出与海-岛环境健康实测数据校验样本相对应的海-岛环境健康数据模拟样本;其中：
[0022] 所述海-岛环境健康实测数据校验样本S'k，基于海-岛环境健康的隐函数模型G' (S'，t)的海-岛环境健康数据模拟样本标记为S〃 k，海-岛环境健康实测数据校验样本S'k与 对应的海-岛环境健康数据模拟样本S〃k的收敛评价指标标记为 e(S'k,S〃k)，e(S'k,S〃k) = S，k-S"k| ;
[0023] (7-2)将获取的各海-岛环境健康实测数据校验样本、收敛评价指标与预先设定的 收敛条件进行比较，且满足收敛条件时，执行步骤(8);否则，依次将各海-岛环境健康实测 数据校验样本加入到建模样本中，并基于新的海-岛环境健康数据样本集合，利用Kriging 方法重新建立海-岛环境健康的隐函数模型，转至步骤(7-1)进行海-岛环境健康的隐函数 模型的迭代建模，直到满足收敛条件为止，执行步骤(8);其中：
[0024] 当收敛评价指标￡(5\5〃!〇〈￡()时，表示收敛评价指标符合收敛条件，否则，表示不 满足收敛条件，为根据经验预先给定的海-岛环境健康模型的模型精度常数；
[0025] (8)以构建的海-岛环境健康的隐函数模型为海-岛环境健康模型，并基于该海-岛 环境健康模型，对海-岛环境健康进行评价;其中：
[0026] 所述构建的海-岛环境健康模型标记为G(S，t)，其中，6(5,〇=6'（5'，〇,5表示 海-岛环境健康数据样本，t表示时间。
[0027] 为了进一步提高建模精度并加快收敛速度，作为改进，在所述步骤(7)对海-岛环 境健康的隐函数模型的各次迭代建模中，海-岛环境健康实测数据校验样本数量占海-岛环 境健康实测数据总采样样本数量的比例由如下公式得到：
[0028]
[0029]其中，Mk表示第k次建立海-岛环境健康模型中新加入样本的海-岛环境健康实测 数据校验样本数量，Mo表示已采集海-岛环境健康实测数据采样样本的总量，k(k 2 1)表示 重新建立海-岛环境健康的隐函数模型的迭代次数，N为根据建立海-岛环境健康的隐函数 模型的经验预设的常数。
[0030] 为了既能准确地构建海-岛环境健康模型，又能够节约海-岛环境健康模型构建时 间，作为改进，所述当前时间周期T为连续的一年时间。
[0031] 与现有技术相比，本发明的优点在于:通过获取当前周期的前一时间周期的海-岛 环境健康实测数据，并将前一时间周期分隔成等间隔的多个时间域，得到每个时间域对应 的海-岛环境健康实测数据样本的方差值;然后建立该时间域内海-岛环境健康数据采样密 度函数，并按照所得各对应时间域的海-岛环境健康数据采样密度函数，对当前时间周期的 各对应时间域的海-岛环境健康数据样本进行均匀采样;然后利用Kriging方法构建关于时 间的海-岛环境健康的隐函数模型，并经验证该模型符合收敛条件时，即以该经过校验的模 型作为海-岛环境健康模型。这样，在海-岛环境健康模型建立后，当需要了解某个时间对应 的海-岛环境健康情况时，由海-岛环境健康模型即可得到此时间对应的海-岛环境健康数 据，从而不需要在偏远的海-岛布置大量的监测设备实时、持续监测海-岛的环境数据情况。 该发明不仅可以节省了大量的供电量、通信维护成本，而且按照一定的采样频率对海-岛环 境数据采样，可以避免采样次数