本發(fā)明涉及海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測、管理及應(yīng)用是海洋生態(tài)環(huán)境風(fēng)險預(yù)測和防治的關(guān)鍵。由于近海船舶走航以及在線浮標(biāo)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)需要大量的資金與人力投入，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間覆蓋度與月際頻次有限，部分海域數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，且現(xiàn)有監(jiān)測數(shù)據(jù)時空粒度不一致，難以全面反映海洋富營養(yǎng)化等環(huán)境狀況，特別是原始監(jiān)測數(shù)據(jù)時空粒度與赤潮、低氧等富營養(yǎng)化癥狀時空粒度差別顯著，難以支撐生態(tài)事件環(huán)境過程機制解析。因此，目前在近海富營養(yǎng)化狀態(tài)模擬、評價及防治方案制定等科學(xué)研究與環(huán)境管理方面，需要時空粒度一致的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為支撐，這對海洋生態(tài)環(huán)境風(fēng)險預(yù)測和防治具有重要意義。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，yongzhi?liu等人提出一種改進的克里曼cressman插值法并應(yīng)用于海洋總氮原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。rushui?xiao等人提出一種結(jié)合切比雪夫多項式擬合（chebyshev?polynomial?fitting，cpf）與stl（seasonal-trend?decomposition?usingloess，stl）時序數(shù)據(jù)分解重構(gòu)的海洋氮磷營養(yǎng)鹽時空缺失數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法。該方法首先使用空間插值cpf將空間非均勻分布的海洋氮磷營養(yǎng)鹽監(jiān)測調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)插值到與哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(wù)（copernicus?marine?environment?monitoring?service，cmems）產(chǎn)品數(shù)據(jù)相同的網(wǎng)格上（1/12°水平分辨率）。然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)和cmems產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化（minmax歸一化）。其次，利用stl提取標(biāo)準(zhǔn)化后的監(jiān)測數(shù)據(jù)和cmems產(chǎn)品數(shù)據(jù)的趨勢和季節(jié)信號。第三，將監(jiān)測數(shù)據(jù)的季節(jié)分解替換為cmems產(chǎn)品數(shù)據(jù)的季節(jié)分解（按原始時間序列的比例計算）。最后，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行新的季節(jié)分解、趨勢項和殘差項的匯總，得到補齊后的數(shù)據(jù)。補齊后的監(jiān)測數(shù)據(jù)保留了原始監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢和詳細的波動情況，使其能更真實地描繪目標(biāo)海域氮磷營養(yǎng)鹽的變化，便于后續(xù)分析。上述數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法在針對空間數(shù)據(jù)補齊時，采用的是切比雪夫多項式擬合，實現(xiàn)了將零散分布的平面分布數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為全海域覆蓋的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。該方法屬于統(tǒng)計插值法，忽略了海洋中復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程對空間和時間的相關(guān)性，而且只能單一的應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)插值。針對時序數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，上述方法通過將不同來源的相同要素數(shù)據(jù)執(zhí)行stl分解，并互相替換季節(jié)分項，然后將各分項重新匯總得到補齊后的數(shù)據(jù)。這個過程不僅忽視了異常數(shù)據(jù)對影響要素變化趨勢的重要影響，而且該方法極大依賴于外源數(shù)據(jù)，在實際的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用過程中具有較大的局限性。

3、綜上所述，如何在時空尺度上補全缺失的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)是亟待解決的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實施例提供一種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法及系統(tǒng)，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中，無法在時空尺度上補全缺失的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的問題。

2、本發(fā)明實施例提供一種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法，包括以下步驟：

3、使用反映剔除異常值的歸集數(shù)據(jù)在目標(biāo)海域地理覆蓋范圍的站位覆蓋度、衡量單位海域面積內(nèi)監(jiān)測站位密集程度的粒度飽和度以及反映監(jiān)測數(shù)據(jù)在一年內(nèi)不同季節(jié)分布均衡性的季節(jié)均衡度，篩選目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)并進行網(wǎng)格化；

4、使用層次聚類分析法對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進行相似性分組，并使用徑向基函數(shù)對每組數(shù)據(jù)進行建模，獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式；

5、選擇季節(jié)均衡度達到設(shè)定閾值的年份對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)；根據(jù)選擇的環(huán)境數(shù)據(jù)的分布模式，確定相應(yīng)的海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式；

6、使用海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式獲取每年的季節(jié)變化基準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；根據(jù)季節(jié)變化基準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，使用傅里葉級數(shù)方程建模獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式；

7、分別使用海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式、海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式和海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式補齊目標(biāo)海域缺失的平面分布數(shù)據(jù)、季節(jié)變化數(shù)據(jù)和年際變化數(shù)據(jù)，完成海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在目標(biāo)海域的標(biāo)準(zhǔn)化。

8、進一步地，所述篩選目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)，具體步驟包括：

9、根據(jù)目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)，將站位覆蓋度、粒度飽和度以及季節(jié)均衡度作為衡量環(huán)境數(shù)據(jù)質(zhì)量的核心標(biāo)準(zhǔn)；

10、根據(jù)每種核心標(biāo)準(zhǔn)篩選的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用相等間隔和分位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)分類方法將環(huán)境數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)質(zhì)量劃分為高、中高、中、中低和低的不同等級；

11、將高質(zhì)量的環(huán)境數(shù)據(jù)作為篩選出的目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)。

12、進一步地，所述進行網(wǎng)格化，具體步驟包括：

13、將高質(zhì)量的環(huán)境數(shù)據(jù)按照不同的空間分辨率，設(shè)計5種目標(biāo)海域網(wǎng)格劃分方案，所述網(wǎng)格劃分方案包括：0.25°×0.25°、0.2°×0.2°、0.15°×0.15°、0.1°×0.1°和0.05°×0.05°；

14、使用卡帕系數(shù)和相對偏差從5種目標(biāo)海域網(wǎng)格劃分方案中選擇最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案。

15、進一步地，所述使用層次聚類分析法對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進行相似性分組之前，還包括：

16、根據(jù)最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案對應(yīng)的最優(yōu)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，選擇目標(biāo)海域的影響要素在不同月份內(nèi)的平面分布同比數(shù)據(jù)進行單因素方差分析；

17、若差異性p大于0.05，則確定存在海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式。

18、進一步地，所述使用層次聚類分析法對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進行相似性分組，具體步驟包括：

19、在層次聚類分析過程中，采用歐幾里得距離度量方法與ward離差平方和聚類合并策略，按照“自底向上”的凝聚方式，通過循環(huán)迭代逐步合并數(shù)據(jù)，并形成聚類結(jié)構(gòu)譜系圖；

20、根據(jù)聚類結(jié)構(gòu)譜系圖獲取最優(yōu)網(wǎng)格劃分方案對應(yīng)的最優(yōu)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)中具有相似性的數(shù)據(jù)，將具有相似性的數(shù)據(jù)進行相似性分組。

21、進一步地，所述獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式，具體步驟包括：

22、相似性分組的每組數(shù)據(jù)代表一種平面分布模式，采用徑向基函數(shù)對每組數(shù)據(jù)進行建模，獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式，公式為：

23、；

24、其中，表示相似性分析后的分組數(shù)據(jù)，表示中心，為模型的系數(shù)項，為基函數(shù)形式，為徑向基函數(shù)的數(shù)量， i表示索引變量，用于對不同的徑向基函數(shù)進行編號。

25、進一步地，所述根據(jù)選擇的環(huán)境數(shù)據(jù)的分布模式，確定相應(yīng)的海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式，具體步驟包括：

26、選取季節(jié)均衡度達到100%的年份的環(huán)境數(shù)據(jù)，所述環(huán)境數(shù)據(jù)存在“u”型和非“u”型的分布模式；

27、對于“u”型分布模式的數(shù)據(jù)，使用指數(shù)函數(shù)進行建模，獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式，公式為：

28、；

29、其中，為截距，控制曲線在x軸上的位置；為一次項系數(shù)，控制曲線斜率；為二次項系數(shù)，控制曲線彎曲程度， x為月份；

30、對于非“u”型分布模式的數(shù)據(jù)，獲取非“u”型分布模式的數(shù)據(jù)與“u”型分布模式的數(shù)據(jù)的差值，使用正弦函數(shù)對差值進行建模；

31、；

32、其中，是振幅，控制正弦波的峰值；是相位，控制正弦波的水平平移；是垂直平移，控制正弦波在垂直方向上的偏移。

33、進一步地，所述海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式，公式為：

34、；

35、其中，常數(shù)項表示數(shù)據(jù)在整個時間范圍內(nèi)的平均值，用于描述數(shù)據(jù)的整體偏移；頻率參數(shù)表示每個濾波的周期，越大周期越短，曲線在橫坐標(biāo)上的周期性越高；表示諧波次數(shù)，取1和2，分別對應(yīng)一次諧波和二次諧波；余弦項和正弦項表示數(shù)據(jù)中不同頻率的余弦波和正弦波的振幅， x表示年份。

36、本發(fā)明實施例提供一種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，包括：

37、數(shù)據(jù)獲取模塊，用于使用反映剔除異常值的歸集數(shù)據(jù)在目標(biāo)海域地理覆蓋范圍的站位覆蓋度、衡量單位海域面積內(nèi)監(jiān)測站位密集程度的粒度飽和度以及反映監(jiān)測數(shù)據(jù)在一年內(nèi)不同季節(jié)分布均衡性的季節(jié)均衡度，篩選目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)并進行網(wǎng)格化；

38、平面分布基準(zhǔn)范式構(gòu)建模塊，用于使用層次聚類分析法對網(wǎng)格化數(shù)據(jù)進行相似性分組，并使用徑向基函數(shù)對每組數(shù)據(jù)進行建模，獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式；

39、季節(jié)變化基準(zhǔn)范式構(gòu)建模塊，用于選擇季節(jié)均衡度達到設(shè)定閾值的年份對應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)；根據(jù)選擇的環(huán)境數(shù)據(jù)的分布模式，確定相應(yīng)的海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式；

40、年際變化基準(zhǔn)范式構(gòu)建模塊，用于使用海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式獲取每年的季節(jié)變化基準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；根據(jù)季節(jié)變化基準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，使用傅里葉級數(shù)方程建模獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式；

41、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化模塊，用于分別使用海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式、海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式和海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式補齊目標(biāo)海域缺失的平面分布數(shù)據(jù)、季節(jié)變化數(shù)據(jù)和年際變化數(shù)據(jù)，完成海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在目標(biāo)海域的標(biāo)準(zhǔn)化。

42、本發(fā)明實施例提供一種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法及系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果如下：

43、使用站位覆蓋度、粒度飽和度以及季節(jié)均衡度篩選目標(biāo)海域的環(huán)境數(shù)據(jù)并進行網(wǎng)格化；根據(jù)網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，獲得海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式、海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式和海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式；通過海洋生態(tài)環(huán)境影響要素平面分布基準(zhǔn)范式、海洋生態(tài)環(huán)境影響要素季節(jié)變化基準(zhǔn)范式和海洋生態(tài)環(huán)境影響要素年際變化基準(zhǔn)范式，能夠反映目標(biāo)海域海洋生態(tài)環(huán)境影響要素在平面分布、季節(jié)變化和年際變化上所表現(xiàn)的規(guī)律性，也就是在時空尺度上的變化規(guī)律，從而在時空尺度上補全缺失的海域數(shù)據(jù)，使得目標(biāo)海域數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。