專利名稱：一種近岸海域水質采樣點優化裝置及優化方法
技術領域：
本發明涉及海洋環境保護和水質監測技術領域，尤其涉及一種近岸海域 水質采樣點優化裝置及優化方法。
背景技術：
近岸海域是人類居住的陸地環境與海洋環境的交接地帶。近岸海域蘊藏 著豐富的礦產、海水養殖、旅游景觀、港口以及岸線等資源，是人類海洋活 動十分頻繁的地區，也是海洋生產力最為發達的地區。近年來，來自陸域、 大氣沉降以及海水養殖等的污染物排放量急劇增加，導致我國近岸海域的環 境質量嚴重惡化。
根據海洋環境質量公報，2007年我國近岸海域局部水質略有好轉，但污 染形勢依然嚴峻；近海絕大部分區域水質達清潔和較清潔標準；遠海海域水 質繼續保持良好。全海域未達到清潔海域水質標準的面積約14.5萬平方公 里。較清潔海域、輕度污染海域、中度污染海域和嚴重污染海域面積分別約 為5. 1、 4.8、 1.7和2.9萬平方公里。嚴重污染海域主要分布在遼東灣、渤 海灣、黃河口、萊州灣、長江口、杭州灣、珠江口和部分大中城市近岸局部 水域。
加強近岸海域的保護是我國環境保護的重要內容。水質監測是掌握近岸 海域環境質量狀況和演變趨勢、制定環境管理方案的重要依據。采樣點、監 測指標和采樣頻率是環境水質監測的三要素，其中采樣點的選取決定著采樣 數據能否有效地反映研究區域的環境質量狀況，因此是近岸海域水質監測十 分重要的一環。
理論上，采樣點越多越能代表目標海域的水質特征。但事實上，受人力、 物力和財力的約束，所能夠進行水質分析的采樣點是十分有限的，并且采樣 點采集的水樣可能存在相似的情況，會減少有效的采樣點。
發明內容
為了解決上述的技術問題，提供了一種近岸海域水質采樣點優化裝置及 優化方法，其目的在于，優化近岸海域水質采樣點，以便獲取更有代表性的 采樣數據。
本發明提供了一種近岸海域水質采樣點優化裝置，包括 近岸海域水質數據采集系統，用于采集進行近岸海域水質數據； 近岸海域水質抽樣分析系統，用于基于距離的聚類分析方法對采樣點的
水質數據進行聚類；對聚類結果進行分析，以確定最終采樣點。
近岸海域水質數據采集系統采用現場實測或數值仿真方法進行近岸海域
水質數據采集。
還包括近岸海域水質采樣點空間抽樣數據庫系統，用于存儲近岸海域水 質抽樣分析系統所需的數據。
還包括近岸海域水質插值分析系統，用于采用空間插值技術對近岸海域 水質數據進行插值，以全面反映近岸海域的水質特征。
采樣點之間的距離定義為 Vh ，其中采樣點i的水質濃
度為^="，。2，'''，。'，)， W為水質指標的權重，i、 j、 k均為自然數；
近岸海域水質抽樣分析系統在對采樣點的水質數據進行聚類時對單個 采樣點之間的距離，直接采用采樣點之間的距離；對單個采樣點和已經聚為 一類的水質采樣點之間的距離，采用該單個采樣點和該類中每一個采樣點的 最小距離表征它們之間的距離；對已經聚類的兩個采樣點集之間的距離，采 用分別屬于兩個采樣點集的任意兩個采樣點之間距離的最小值。
還包括近岸海域水質空間抽樣專家人機交互系統，用于實時地更新分析 結果，反映專家的意圖。
還包括近岸海域水質空間抽樣評估系統，用于依據設定的評估指標，對 空間抽樣分析結果進行評估。
還包括近岸海域水質抽樣分析顯示系統，用于基于GIS的空間分析技術 對水質抽樣分析的過程和結果進行動態顯示。
本發明提供了一種近岸海域水質采樣點優化方法，包括
步驟l，采集進行近岸海域水質數據；
6步驟2，基于距離的聚類分析方法對采樣點的水質數據進行聚類；對聚
類結果進行分析，以確定最終采樣點。
步驟l中，采用現場實測或數值仿真方法進行近岸海域水質數據采集。 在步驟1和步驟2之間還包括存儲近岸海域水質抽樣分析系統所需的數據。
步驟2后還包括步驟21，采用空間插值技術對近岸海域水質數據進行 插值，以全面反映近岸海域的水質特征。
步驟2中，采樣點之間的距離定義為 V'=' ，其中采樣點
i的水質濃度為C'"c"，e'2'…，c'")， ^為水質指標的權重，i、 j、 k均為自然 數；
在對采樣點的水質數據進行聚類時對單個采樣點之間的距離，直接采 用采樣點之間的距離；對單個采樣點和已經聚為一類的水質采樣點之間的距 離，采用該單個采樣點和該類中每一個采樣點的最小距離表征它們之間的距 離；對己經聚類的兩個采樣點集之間的距離，采用分別屬于兩個采樣點集的 任意兩個采樣點之間距離的最小值。
步驟2后還包括步驟22，近岸海域水質空間抽樣專家人機交互系統實 時地更新分析結果，反映專家的意圖。
步驟2后還包括步驟23，依據設定的評估指標，對空間抽樣分析結果 進行評估。
步驟2后還包括步驟24，基于GIS的空間分析技術對水質抽樣分析的
過程和結果進行動態顯示。
本發明能夠提高采樣點的代表性，因而能夠保證監測效率、減少監測成 本。本發明能夠盡可能合理地布局采樣點，可在有限的監測成本條件下，最 大限度地代表研究區域的水質狀況。
圖1是本發明提供的近岸海域水質采樣點優化裝置原理示意圖;圖2是本發明提供的近岸海域水質采樣點優化方法示意圖。
具體實施例方式
本發明的目的是在現場實測或數值仿真數據的基礎上，采用空間抽樣分 析技術，對近岸海域水質采樣點的選取進行優化，以提高采樣點的代表性， 減少監測成本，盡可能真實地反映近岸海域的水質狀況。現場實測方法是預 先布置大量的采樣點并進行水質監測，根據水質監測的結果分析近岸海域的 水質變化。數值仿真方法是根據近岸海域的流場和水質變化特點，分析近岸 海域的污染物遷移、擴散和衰減的規律，分析近岸海域的水質污染分布特征。 在上述方法所采集到的數據基礎上，采用空間抽樣分析技術，對近岸海域的 水質特征進行分析，確定最終的采樣點。
為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案
1、 采集近岸海域水質數據。采用現場實測或數值仿真方法，進行近岸海 域水質數據采集。現場實測方法和數值仿真方法的選取，取決于監測成本和 監測目標。
2、 進行空間抽樣分析。采用空間抽樣的方法，對獲取的實測數據或仿真 數據的代表性進行分析。可供選取的空間抽樣技術有模糊聚類方法、物元分 析法、神經網絡法、密切值法、動態貼近度法和逼近理想解技術法等。其中 模糊聚類方法由于其概念清晰、計算簡潔、信息遺失較少，是優選的方法。 聚類分析方法采用數理統計方法，將具有相似特點的水質采樣點聚為一類， 從而突出水質采樣點的差異性，避免相似水質采樣點重復釆樣。
3、 采用特征指標體系對抽樣分析結果進行評估。本發明擬采取的評價指 標體系有(1)平均值反映近岸海域水質平均狀況，該平均值既可以是算 術平均，也可以是面積加權平均；(2)最大值和最小值反映近岸海域極端 水質狀況；(3)達標率反映環境監管要求的水質達標率指標；(4)重點海 域和重點污染物水質指標以評價重點海域和重點污染物的水質狀況；(5) 平均水質變化率如果有分期采樣數據，應有反映水質演變趨勢的特征指標。 由于具有多個評估指標，因此采用基于加權的方法建立綜合評估指數。具體 的評估指數為/ = |>,/,，式中，w,為各項指標的權重，/,為各項指標權重 的評分，/,(x;-x,)/i:，其中x;為抽樣后的數據集所得到的指標值，；c,.為抽樣前數據集的指標值。
4、 根據對抽樣結果的評估，選取近岸海域的水質采樣點。為加強人機交 互，使專家智能參與到采樣點的決策過程中，可提供多種水質采樣點優化方 案，對每種優化方案的優點和不足進行如實分析，以供專家進行最終決策。
5、 基于地理信息系統技術(GIS)，對分析數據、過程和結果進行顯示。
依據上述設計方案，參照圖1對本發明的各個部分作進一步的說明。 近岸海域水質數據采集系統。采用現場實測或數值仿真方法，進行近岸 海域水質數據采集。數值仿真方法需收集目標近岸海域內影響污染物擴散的 各種數據資料，包括入海河流水量和污染物濃度、污染源的排放水量和污染 物濃度、水下地形、開邊界潮位等特點，利用海洋動力學理論編制數學模型 或采用現有的數學模型軟件，進行污染物的遷移擴散規律研究。現場觀測法 可采用經驗判斷法確定初次采樣點，采樣點的數量可適當較多，以盡可能全 面地反映目標近岸海域的水質狀況。
近岸海域水質采樣點空間抽樣數據庫系統。該數據庫系統具有數據錄入、
査詢、修改、追加和刪除等功能。該數據庫將包括以下數據信息 一是近岸 海域水質數據采集系統所收集到的抽樣點水質屬性數據和空間屬性數據；二 是污染源的源強屬性數據和空間屬性數據；三是近岸海域陸域和海域地理位 置空間屬性數據；四是其它空間和屬性數據庫，例如自然保護區、珍貴魚類 產卵場、棲息地等；五是抽樣分析參數數據；六是抽樣評估指標體系。采樣 點的水質信息主要用于聚類分析，源強數據、地理信息數據的空間和屬性數 據用于GIS圖形顯示，抽樣分析的參數和指標數據用于構建評估指標。
近岸海域水質插值分析系統。采用多種空間插值技術，對近岸海域水質 數據進行插值，以全面反映近岸海域的水質特征。插值分析的結果應可以在 抽樣顯示系統中進行顯示，以方便專家直觀了解近岸海域的水質特點。
近岸海域水質抽樣分析系統。其于多種空間抽樣技術，對采樣點進行優
化。本發明提出基于距離的聚類分析方法，具體過程描述如下。設采樣點i 的水質濃度為《-"，。2，…，。'，)，式中n為水質指標的個數。采樣點i、 j之間
的距離可描述為^^tH^c,,-^)2 ，式中^為水質指標的權重。類群之間的距離定義為對單個采樣點，直接采用采樣點之間的距離；對單個參數和 已經聚為一類的水質采樣點，采用這個采樣點和該類中每一個采樣點的最小 距離表征它們之間的距離；對已經聚類的兩個采樣點集，它們之間的距離為 一個采樣點集中任選一個采樣點，與另一個采樣點集中任選一個采樣點，其 距離的最小值來表示。依次把距離最近的采樣點聚為一類，直到所有的采樣 點都聚為一類為止。
對聚類結果進行分析，突出采樣點之間的差異，以確定最終采樣點。
近岸海域水質空間抽樣專家人機交互系統。人機交互在近岸海域水質抽 樣分析中具有十分重要的意義，因此該系統的優劣對分析結果具有十分重要 的影響。專家人機交互系統，可以使專家比較容易地選擇和設置水質插值系 統的參數、空間抽樣分析參數、評估指標參數等。依據專家評估系統，抽樣 系統將能夠實時地更新分析結果，反映專家的意圖，便于其分析。
近岸海域水質空間抽樣評估系統。采用預定的評估體系，采樣設定的評 估指標，對空間抽樣分析結果進行評估。采用專家評分系統，給出多種空間 抽樣分析結果，對每種結果進行打分，對每種結果的優缺點進行說明，以增 加專家選擇的多種可能性，輔助專家進行決策。
近岸海域水質抽樣分析顯示系統。采用基于GIS的空間分析技術，對水 質抽樣分析的過程和結果進行動態顯示。動態顯示系統建立在近岸海域水質 采樣點空間抽樣數據庫系統的基礎上，其顯示的主要信息應包括陸域和海域 的空間位置信息、主要污染源信息、敏感保護目標信息、抽樣分析結果的可 視化信息。空間抽樣分析顯示系統，具有放大、縮小、漫游、拖曳、查詢、 輸出圖片、打印等功能，能夠支持簡單的編輯功能，如復制、圖形元素的屬 性如點線大小、顏色的設置功能。近岸海域水質抽樣分析顯示系統，以最直 觀的方式對原始數據、分析過程和分析結果進行顯示，方便人機交互，是本 發明的重要組成部分。
本發明中，在實現采樣點的聚類以后，可以從各個類中任意選取一個采 樣點作為該類中采樣點的代表，這樣處理以后就可以實現本發明的目的，當 然為了使每一個類中選取的采樣點更具有代表性，可以利用上面提供的評估 方案進行評估。本發明提供的近岸海域水質采樣點優化方法如圖2所示，主要包括 步驟l，采集進行近岸海域水質數據；
步驟2，基于距離的聚類分析方法對采樣點的水質數據進行聚類；對聚 類結果進行分析，以確定最終采樣點。
本領域的技術人員在不脫離權利要求書確定的本發明的精神和范圍的條 件下，還可以對以上內容進行各種各樣的修改。因此本發明的范圍并不僅限 于以上的說明，而是由權利要求書的范圍來確定的。
權利要求
1. 一種近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，包括近岸海域水質數據采集系統，用于采集進行近岸海域水質數據；近岸海域水質抽樣分析系統，用于基于距離的聚類分析方法對采樣點的水質數據進行聚類；對聚類結果進行分析，以確定最終采樣點。
2. 如權利要求1所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，近岸海域水質數據采集系統采用現場實測或數值仿真方法進行近岸海域水質數據采集。
3. 如權利要求l所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，還包括近岸海域水質采樣點空間抽樣數據庫系統，用于存儲近岸海域水質抽樣分析系統所需的數據。
4. 如權利要求1所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，還包括近岸海域水質插值分析系統，用于采用空間插值技術對近岸海域水質數據進行插值，以全面反映近岸海域的水質特征。
5. 如權利要求1所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，采樣點之間的距離定義為 ，其中采樣點i的水質濃度為《="，。2，'"，。'')， ^為水質指標的權重，i、 j、 k均為自然數；近岸海域水質抽樣分析系統在對采樣點的水質數據進行聚類時-對單個采樣點之間的距離，直接采用采樣點之間的距離；對單個采樣點和已經聚為一類的水質采樣點之間的距離，采用該單個采樣點和該類中每一個采樣點的最小距離表征它們之間的距離；對已經聚類的兩個采樣點集之間的距離，采用分別屬于兩個采樣點集的任意兩個采樣點之間距離的最小值。
6. 如權利要求l所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，還包括近岸海域水質空間抽樣專家人機交互系統，用于實時地更新分析結果，反映專家的意圖。
7. 如權利要求1所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，還包括近岸海域水質空間抽樣評估系統，用于依據設定的評估指標，對空間抽樣分析結果進行評估。
8. 如權利要求l所述的近岸海域水質采樣點優化裝置，其特征在于，還包括近岸海域水質抽樣分析顯示系統，用于基于GIS的空間分析技術對水質抽樣分析的過程和結果進行動態顯示。
9. 一種近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，包括步驟l，采集進行近岸海域水質數據；步驟2，基于距離的聚類分析方法對采樣點的水質數據進行聚類；對聚類結果進行分析，以確定最終采樣點。
10. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，歩驟l中，采用現場實測或數值仿真方法進行近岸海域水質數據采集。
11. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，在歩驟1和步驟2之間還包括:存儲近岸海域水質抽樣分析系統所需的數據。
12. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，步驟2后還包括步驟21，采用空間插值技術對近岸海域水質數據進行插值，以全面反映近岸海域的水質特征。
13. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，歩驟2中，采樣點之間的距離定義為 ，其中采樣點i的水質濃度為《="'，。2，'''，。")， W為水質指標的權重，i、 j、 k均為自然數；在對采樣點的水質數據進行聚類時對單個采樣點之間的距離，直接采用采樣點之間的距離；對單個采樣點和已經聚為一類的水質采樣點之間的距離，采用該單個采樣點和該類中每一個采樣點的最小距離表征它們之間的距離；對已經聚類的兩個采樣點集之間的距離，采用分別屬于兩個采樣點集的任意兩個采樣點之間距離的最小值。
14. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，步驟2后還包括步驟22，近岸海域水質空間抽樣專家人機交互系統實時地更新分析結果，反映專家的意圖。
15. 如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，歩驟2后還包括步驟23，依據設定的評估指標，對空間抽樣分析結果進行評估。
16.如權利要求9所述的近岸海域水質采樣點優化方法，其特征在于，步驟2后還包括步驟24，基于GIS的空間分析技術對水質抽樣分析的過程和結果進行動態顯示。
全文摘要
本發明涉及一種近岸海域水質采樣點優化裝置及優化方法。該優化裝置包括近岸海域水質數據采集系統，用于采集進行近岸海域水質數據；近岸海域水質抽樣分析系統，用于基于距離的聚類分析方法對采樣點的水質數據進行聚類；對聚類結果進行分析，以確定最終采樣點。本發明能夠提高采樣點的代表性，因而能夠保證監測效率、減少監測成本。本發明能夠盡可能合理地布局采樣點，可在有限的監測成本條件下，最大限度地代表研究區域的水質狀況。
文檔編號G01N33/18GK101520449SQ20091007836
公開日2009年9月2日 申請日期2009年2月26日 優先權日2009年2月26日
發明者偉 孟, 鄧義祥 申請人:偉 孟