基于农业区域的甲烷排放异常定位方法及装置

1.本发明涉及智慧农业技术领域，特别是涉及一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法及装置。


背景技术：

2.气候变化已经成为全球可持续发展的最大威胁。而气候变化温室气体中甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。加强甲烷减排已经成为温室气体控制的重要手段之一。其中，农业作为甲烷排放的主要排放源，厘清时空格局及影响因素具有重要意义。因此，在目前的温室气体排放控制中，各排放区域的甲烷排放监控工作占比很高。
3.传统的甲烷排放监测手段主要是利用实地探测器进行监测，这种方式主要存在以下两种缺陷：第一，实地探测器的部署成本高且数据量繁杂，无法高效确定甲烷排放以提供排放区域的控制参考数据；第二，甲烷的排放与农业产业链息息相关，实地探测器只能监测固定区域内的甲烷排放量，无法准确确定甲烷排放的问题根源，影响控制参考数据的参考价值。
4.由此可见，传统的甲烷排放监测手段还存在以上不足。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统的甲烷排放监测手段还存在的不足，提供一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法及装置。
6.一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法，包括步骤：
7.将待测农业区域划分为各功能分区；
8.获取各功能分区的农业甲烷排放量；
9.获取农业甲烷排放量的动态演变参数；
10.将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数；
11.以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；其中，拓扑图包括农业甲烷排放量、动态演变参数以及空间差异参数；
12.确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；
13.根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。
14.上述的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控
制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
15.在其中一个实施例中，功能分区包括粮食主销区、粮食主销区和粮食平衡区。
16.在其中一个实施例中，功能分区的农业甲烷排放量包括稻田的甲烷排放量、养殖业畜禽粪便管理的甲烷排放量和/或肠道发酵产生的的甲烷排放量。
17.在其中一个实施例中，获取农业甲烷排放量的动态演变参数的过程，如下式：
[0018][0019]
其中，n表示农业甲烷排放量的样本观测值数量，h表示带宽；其中，h＝0.9sn
4/5
，n表示农业甲烷排放量的样本数量，s表示农业甲烷排放量的样本标准差；为核密度函数；f(x)结果表示动态演变参数。
[0020]
在其中一个实施例中，将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数的过程，如下式：
[0021][0022]
sst＝nσ2[0023]
其中，q表示空间差异参数，y表示农业甲烷排放量；x＝{xm}表示影响因素，且m＝1,2,...l；l表示影响因素x的功能分区数，xm代表影响因素x的不同功能分区；因此，q表征影响因素x对农业甲烷排放量y的空间差异影响力；
[0024]
其中，n表示待测农业区域的地区数量，nm表示影响因素x中第m个功能分区包含的地区数量，σ2表示农业甲烷排放量y的方差，表示影响因素x在第m个功能分区的方差，ssw各功能分区的方差之和，sst表示待测农业区域的总方差。
[0025]
在其中一个实施例中，确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵的过程，包括步骤：
[0026]
根据初始化权重，结合拓扑图的动态演变参数和空间差异参数，计算农业甲烷排放量的调整响应时间；
[0027]
根据调整响应时间计算拓扑图的状态转移矩阵。
[0028]
在其中一个实施例中，根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区的过程，包括步骤：
[0029]
应用随机走算法，确定甲烷排放异常的拓扑节点。
[0030]
一种基于农业区域的甲烷排放异常定位装置，包括：
[0031]
区域划分模块，用于将待测农业区域划分为各功能分区；
[0032]
排放获取模块，用于获取各功能分区的农业甲烷排放量；
[0033]
参数获取模块，用于获取农业甲烷排放量的动态演变参数；
[0034]
参数量化模块，用于将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数；
[0035]
拓扑建立模块，用于以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；其中，拓扑图包括农业
甲烷排放量、动态演变参数以及空间差异参数；
[0036]
矩阵计算模块，用于确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；
[0037]
异常判定模块，用于根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。
[0038]
上述的基于农业区域的甲烷排放异常定位装置，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
[0039]
一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令被处理器执行时实现上述任一实施例的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。
[0040]
上述的计算机存储介质，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
[0041]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述任一实施例的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。
[0042]
上述的计算机设备，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
附图说明
[0043]
图1为一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法流程图；
[0044]
图2为农业甲烷排放量示意图；
[0045]
图3为功能分区下的甲烷排放量示意图；
[0046]
图4为一实施方式的拓扑图示意图；
[0047]
图5为另一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法流程图；
[0048]
图6为一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位装置模块结构图；
[0049]
图7为一实施方式的计算机内部构造示意图。
具体实施方式
[0050]
为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0051]
本发明实施例提供了一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。
[0052]
图1为一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法流程图，如图1所示，一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法包括步骤s100至步骤s106：
[0053]
s100，将待测农业区域划分为各功能分区；
[0054]
s101，获取各功能分区的农业甲烷排放量；
[0055]
s102，获取农业甲烷排放量的动态演变参数；
[0056]
s103，将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数；
[0057]
s104，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；其中，拓扑图包括农业甲烷排放量、动态演变参数以及空间差异参数；
[0058]
s105，确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；
[0059]
s106，根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。
[0060]
其中，待测农业区域包括农业的作业区域或消费区域。在其中一个实施例中，可根据调用农业数据，确定一个国家、省份或市区内的待测农业区域。根据待测农业区域的作业、流通或物流流程等，将待测农业区域按功能划分为多个功能分区。
[0061]
作为一个较优的实施方式，功能分区包括粮食主销区、粮食主销区和粮食平衡区。基于此，将待测农业区域以待测农业区域的农业流通形式，划分为三个分区。
[0062]
在其中一个实施例中，农业系统的ch4(甲烷)排放量主要来自于稻田的排放与养殖业畜禽粪便管理和肠道发酵产生的排放。基于此，功能分区的农业甲烷排放量包括稻田的甲烷排放量、养殖业畜禽粪便管理的甲烷排放量和/或肠道发酵产生的的甲烷排放量。
[0063]
在其中一个实施例中，稻田的甲烷排放量如下式：
[0064][0065]
式中为稻田的甲烷排放量，
×
104t；efi为分类型稻田甲烷排放因子，kg/hm2；adi为该类型甲烷排放因子的播种面积，
×
103hm2。
[0066]
其中，养殖业畜禽粪便管理的甲烷排放量如下式：
[0067][0068]
式中为第i种动物粪便管理产生的甲烷量，
×
104t；为第i种动物粪便管理甲烷排放因子；api为第i种动物的数量。
[0069]
其中，肠道发酵产生的的甲烷排放量如下式：
[0070][0071]
式中为第i种动物肠道发酵产生的甲烷量，
×
104t；为第i种畜禽肠道发酵甲烷排放因子；api为第i种动物的数量；rj是该种畜禽的饲养比例方式。
[0072]
在其中一个实施例中，农业甲烷排放量的动态演变参数用于表征甲烷排放量分功能分区动态演变。作为一个较优的实施方式，可通过核密度函数作为动态演变参数，以核密度函数的分布区间、样态以及峰度延展等相关信息反应甲烷排放量分功能分区动态演变。如果核密度函数整体呈现出“单峰”，不存在多重均衡状态，如果核密度函数出现“双峰”或者“多峰”状态，那么存在两个或者多个均衡点。
[0073]
基于此，获取农业甲烷排放量的动态演变参数的过程，如下式：
[0074][0075]
其中，n表示农业甲烷排放量的样本观测值数量，h表示带宽；其中，h＝0.9sn
4/5
，n表示农业甲烷排放量的样本数量，s表示农业甲烷排放量的样本标准差；为核密度函数；f(x)结果表示动态演变参数。
[0076]
其中，核密度函数的选定，便于后续的拓扑图的动态演变形式状态赋予，构建动态的拓扑关系，提高异常分析的动态价值，保证准确性。
[0077]
在其中一个实施例中，将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数的过程，如下式：
[0078][0079]
sst＝nσ2[0080]
其中，q表示空间差异参数，y表示农业甲烷排放量；x＝{xm}表示影响因素，且m＝1,2,...l；l表示影响因素x的功能分区数，xm代表影响因素x的不同功能分区；因此，q表征影响因素x对农业甲烷排放量y的空间差异影响力；
[0081]
其中，n表示待测农业区域的地区数量，nm表示影响因素x中第m个功能分区包含的地区数量，σ2表示农业甲烷排放量y的方差，表示影响因素x在第m个功能分区的方差，ssw各功能分区的方差之和，sst表示待测农业区域的总方差。
[0082]
其中，空间差异参数q基于探测器分析的数据进行空间分异状态的确定，亦可以挖掘空间分异的影响因素x，阐释影响因素x的决定性作用，为空间差异的探寻提供全景式展示，便于后续状态转移矩阵的计算。
[0083]
其中，图2为农业甲烷排放量示意图，如图2所示，甲烷排放量的甲烷总量，与甲烷排放的稻田排放、粪便排放和肠道排放相关。
[0084]
图3为功能分区下的甲烷排放量示意图，如图3所示，(粮食)主产区、(粮食)主销区和(粮食)平衡区均呈现下降趋势，然而变化又各具特点。下降趋势与农业甲烷排放量趋势
相同，但其变化的特点与各功能分区相对应。
[0085]
基于此，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图，图4为一实施方式的拓扑图示意图，如图4所示，功能分区作为拓扑图的拓扑节点(h)，农业甲烷排放量(t)、动态演变参数(w1)以及空间差异参数(w2)作为拓扑结构中的组成部分。如图4所示，不同拓扑节点可作用于同一农业甲烷排放量(t)，而动态演变参数(w1)以及空间差异参数(w2)由两拓扑节点(h)间组成。
[0086]
如图2所示，拓扑节点间的链路，包括动态演变参数(w1)、空间差异参数(w2)，或同时包括动态演变参数(w1)以及空间差异参数(w2)。
[0087]
在其中一个实施例中，将处理好的拓扑图及其对应数据输入到已经训练好的异常检测模型，进行实时的异常服务链的异常检测，确定甲烷排放异常的拓扑节点。
[0088]
在其中一个实施例中，图5为另一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法流程图，如图5所示，步骤s105中确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵的过程，包括步骤s200和步骤s201：
[0089]
s200，根据初始化权重，结合拓扑图的动态演变参数和空间差异参数，计算农业甲烷排放量的调整响应时间；
[0090]
s201，根据调整响应时间计算拓扑图的状态转移矩阵。
[0091]
其中，如图4所示，根据构建的拓扑图，包括拓扑节点信息，并且根据动态演变参数和空间差异参数作为评分，确定对初始化权重的调用，以计算农业甲烷排放量的调整响应时间，确定状态转移矩阵。其中，状态转移矩阵的计算可基于vae异常检测模型的检测服务设定进行确定。
[0092]
在其中一个实施例中，如图5所示，步骤s106中根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区的过程，包括步骤s300：
[0093]
s300，应用随机走算法，确定甲烷排放异常的拓扑节点。
[0094]
其中，在状态转移矩阵确定的前提下，应用随机走算法，对可以拓扑节点的参数变化进行根因评级，根据根因评级结果与异常的预先映射关系建立，确定甲烷排放异常的拓扑节点。
[0095]
在其中一个实施例中，另一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法还包括步骤：
[0096]
将甲烷排放异常的功能分区输出为可视化的提示结果。
[0097]
其中，可视化的提示结果包括地图显示可视化、文字可视化或视频可视化。通过可视化的提示结果的信息显示，将甲烷排放异常的农业区域的功能分区进行锁定。基于此，取代传统实地探测器的数据上报显示，提高甲烷排放监测的准确性和动态参考价值。
[0098]
上述任一实施例的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要
进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
[0099]
本发明实施例还提供了一种基于农业区域的甲烷排放异常定位装置。
[0100]
图6为一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位装置模块结构图，如图6所示，一实施方式的基于农业区域的甲烷排放异常定位装置包括：
[0101]
区域划分模块100，用于将待测农业区域划分为各功能分区；
[0102]
排放获取模块101，用于获取各功能分区的农业甲烷排放量；
[0103]
参数获取模块102，用于获取农业甲烷排放量的动态演变参数；
[0104]
参数量化模块103，用于将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数；
[0105]
拓扑建立模块104，用于以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；其中，拓扑图包括农业甲烷排放量、动态演变参数以及空间差异参数；
[0106]
矩阵计算模块105，用于确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；
[0107]
异常判定模块106，用于根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。
[0108]
上述的基于农业区域的甲烷排放异常定位装置，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
[0109]
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述任一实施例的基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。
[0110]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存划痕属性信息储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0111]
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以
是个人计算机、终端、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ram、rom、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0112]
与上述的计算机存储介质对应的是，在一个实施例中还提供一种计算机设备，该计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行程序时实现如上述各实施例中的任意一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。
[0113]
该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于农业区域的甲烷排放异常定位方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
[0114]
上述的计算机设备，将待测农业区域划分为各功能分区后，获取各功能分区的农业甲烷排放量，并获取农业甲烷排放量的动态演变参数；将各功能分区的农业甲烷排放量的空间差异量化为空间差异参数，以功能分区作为拓扑节点构造拓扑图；确定拓扑图中的拓扑初始化权重，计算拓扑图的状态转移矩阵；最后根据状态转移矩阵，确定甲烷排放异常的拓扑节点，以确定甲烷排放异常的功能分区。基于此，无需传统的实地探测器的实时监测，通过数据的获取和处理，定量分析功能分区间的甲烷排放关系，并确定甲烷排放异常的功能分区，在降低排放监测成本的同时，准确确定需要进行排放控制的功能分区，便于进行甲烷排放控制的作业。
[0115]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0116]
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。