一种区域空气污染物传输网络的构建方法与流程

本发明属于空气质量数据挖掘，涉及一种污染物传输网络的构建方法，尤其是一种区域空气污染物传输网络的构建方法。

背景技术：

1、空气污染是全球范围内面临的严峻环境问题，污染物在不同区域间交互传输导致环境恶化、治理困难。空气无处不在，没有具体形态，空气污染物传输过程存在强波动性，非控制性以及多种因素交互作用。

2、空气污染物运动过程受到多维因素影响，其传输轨迹难以描绘，因此，空气污染物传输路径网络构建过程非常复杂。

3、现有技术中提出了一些空气污染物传路径网络构建方法，例如：lacasa等提出的将时间序列转化为网络的可视图vg方法，可以保留原始系列中的大量属性，为空气质量的网络建模方法提供了一种简便易行的思路。vg方法中，以时间序列为节点，当节点间的相关性在可视范围内时，则存在一条路径。cabezas等利用vg方法将对流层臭氧的时间序列转化为传输网络，通过城乡地区污染物的动力学变化验证该方法在空气质量领域的可行性。

4、song等在提取空气污染各项特征后建立复杂网络模型，对网络中节点对间的路径存在性进行综合分析，并基于改进的pagerank算法挖掘污染物传输的关键节点和路径，发现与地形特征及大气流动变化基本吻合。

5、但上述现有的区域空气污染物传输网络的构建方法仍存在如下缺陷：

6、1、空气污染物传输路径网络建立过程中依赖于污染源清单和遥感数据，但污染源清单和遥感数据获取困难，数据标注和处理过程复杂，导致构建空气污染物传输路径网络数据更新滞后，计算成本很高。

7、2、数据精度与完整性不足。空气质量、气象等数据分别由两类监测站进行监测和记录，在监测频率、监测地点上存在差异，现有方法无法将多源数据有效融合，数据组成结构不全面；而且，由于监测记录的不完善，在某些地区或时间段，可能存在数据缺失的情况，导致空气污染物传输网络构建结果不准确。

8、3、现有方法所构建的模型结构简单，未能充分考虑风力、温度、距离等多种影响因素在传输过程中的影响。

9、经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的公开文献。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种区域空气污染物传输网络的构建方法，能够有效提高区域空气污染物交互关系的分析效率以及地区间空气污染物传输网络构建的准确性和实时性。

2、本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种区域空气污染物传输网络的构建方法，包括以下步骤：

4、步骤1、获取区域内大量空气污染物监测数据和地理信息数据，进行数据预处理，获得有效空气质量监测站的监测数据后进行数据填充、归一化以及数据平衡处理；

5、步骤2、根据影响污染物传播的多种因素，定义某一有效空气质量监测站与其他有效空气质量监测站间的单源扩散影响因子，并根据步骤1中预处理后的数据，按照不同时刻，求解对应时刻任意两个有效空气质量监测站间的单源扩散影响因子，基于该单源扩散影响因子挖掘任意两个有效空气质量监测站间可能存在的空气污染物传输基础路径；

6、步骤3、基于步骤2获得的任意两个有效空气质量监测站间可能存在的空气污染物传输基础路径，以因果机制构为导向进行真实路径筛选，进而构建区域空气污染物传输网络。

7、而且，所述步骤1的具体步骤包括：

8、(1)对包含空气质量监测站的区域进行网格划分：根据区域大小和划分精度，以距离或经纬度为横线和纵线，将区域整体划分为n条横线和m条纵线分割出的m*n个方格，从左上方开始为每个方格编号1直至m*n。

9、(2)基于步骤(1)的区域网格划分结果，进行有效空气质量监测站选取：统计各网格中空气质量监测站数量ng，设定有效网格的监测站数量nsta，若网格i中的监测站总数ngi小于nsta，则将网格i视为无效网格；对于有效网格j，若ngj＝nsta则网格内所有监测站被选为有效；若ngj>nsta则在其中选择nsta个空气质量监测站。

10、(3)对于步骤(2)中筛选出的有效空气质量监测站，找到与其距离最近的气象监测站，将相同时间下的气象数据和空气质量监测数据做连接，作为该有效空气质量监测站的监测数据。

11、(4)对步骤(3)所获得的有效空气质量监测站的监测数据进行填充归一；

12、(5)最后平衡数据，随机删除数据量较大的有效空气质量监测站和时间戳索引的数据条数，使各索引包含的数据条数基本相同。

13、而且，所述步骤1第(4)步的具体方法为：

14、对照有效空气质量监测站列表，仅保留列表中有效空气质量监测站的污染物和气象信息，清洗冗余信息，针对缺失值，计算前后24小时内的均值并填充；

15、归一化有效空气质量监测站的监测数据，对监测数据中的每一项，按照以下公式进行标准化：

16、

17、上式中，constd为标准化后的值，x为当前需进行归一的数据值，min为本数据项目中所有数据中的最小值，max为本数据项目所有数据中的最大值；

18、而且，所述步骤2的具体步骤包括：

19、(1)综合不同影响因素，在风、距离、浓度的作用下，将t时刻下，有效空气质量监测站i对有效空气质量监测站j的单源扩散影响因子infij(t)定义为：

20、

21、上式中，δcendij(t)为站点i和j在t时刻的浓度差；δfij(t)为站点i和j在t时刻的风力差；disij为站点i和j之间的距离；infij(t)的值越大代表传输路径存在的可能性越高，设定阈值a，当infij(t)>a时，则认为两监测站间存在传输基础；

22、(2)根据有效空气质量监测站间的距离和单源扩散影响因子的值可得到任意两个有效空气质量监测站间可能存在的空气污染物传输基础路径。

23、而且，所述步骤3的具体步骤包括：

24、(1)设定时间区间：在给定的时间区间中，监测站j污染物浓度需随监测站i发生增长；其中时间区间定义为当前时刻之后的(m，n)区间内，其中起始时间和终止时间规定如下：

25、

26、上述两公式中，m为区间起始时间点，n为区间终止时间点。distij为监测站i和j之间的距离。

27、(2)满足污染物浓度的变化要求为：根据步骤(1)时间区间范围，监测站j在规定的时间范围内污染物的浓度比初始时刻上升10％以上时，即下列公式成立时，该传输路径被认为真实存在：

28、使

29、式中，m，n为时间区间标记，conj(k)为监测站j在k时刻的浓度，conj(start)为监测站j在计算单源影响因子时，即初始时刻的污染物浓度；

30、(3)累加各时刻真实路径，构建区域空气污染物传输网络。

31、本发明的优点和有益效果：

32、1、本发明提出一种区域空气污染物传输网络的构建方法，以空气污染物传输路径的网络构建为研究对象，从监测站的污染物浓度数据出发，综合考虑各类因素，基于统计学对空气污染物传输路径进行累加和筛选，构建区域内不同地区间的污染物传输路径，生成空气质量网络结构，进行污染物传输过程的可视化和特性分析。本发明有效提高了区域污染物交互关系的分析效率，为污染防治和空气治理提供有效参考。

33、2、本发明综合考虑影响空气污染物传输的各类因素，基于因果机制筛选空气污染物传输路径，通过统计累加的方法，构建为空气污染物传输网络结构，进而能够对空气污染物传输过程进行可视化和特性分析。本发明的实现过程中对空气污染物传输机理分析充分，影响因素考虑全面，且仅利用地面监测站的数据，可以实时获取，提高了地区间空气污染物传输关系构建的准确性和实时性。

34、3、本发明摆脱了传统方法中污染源清单和遥感数据的限制。在空气污染物传输网络构建过程中使用地面监测站的数据作为输入，这些数据在国家生态环境部官网实时公布，易于获取。

35、4、本发明综合考虑多种影响因素，所得空气污染物传输路径网络符合实际，准确度高。本发明提出单源扩散影响因子的概念，基于因果机制构建空气污染物传输路径网络。将空气质量监测站作为节点，空气污染物传输过程作为边，将空气质量体系构建为便于分析计算的图结构模型。分析影响污染物传输的时空影响因素的提取方式，基于污染物动力学扩散机理提出单源扩散影响因子的概念，概率化表征污染物传输过程。从历史数据中提取污染物浓度因果行为，筛选合理传输路径。路径筛选过程合理，考虑因素充分，网络结构与现实情况表现一致，准确度高。

36、5、根据本发明所取得的实际效果表明，本发明是基于历史时间序列开展深层次的挖掘，与现实地理分布和时空传输状态相对应，基于该空气污染物传输网络结构能够分析监测站到区域不同空间尺度传输性质。有效推动了污染物动力学行为的研究。