一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法与系统，首先根据目标区域汇水分区、土地利用以及地形，计算汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度；然后对汇水分区面积、建设用地占比以及坡度进行均一化处理，并按照空间点密度和建设用地占比分布情况初始化聚类中心；再遍历所有汇水分区点到各聚类中心点的距离，将每个汇水分区点划分到距离最近的聚类簇中，更新聚类中心，重复该步骤直到新的聚类中心位置不再发生变化或收敛到设定范围；最后结合聚类得到的中心点，找到各聚类簇中距离聚类中心方差最小的汇水分区，作为最终筛选出的典型监测区域。本发明专利技术提高了典型监测区域选择的代表性和稳定性，为城市面源污染科学监测提供技术支撑。提供技术支撑。提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法与系统


[0001]本专利技术涉及污染负荷监测，具体涉及一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法与系统。

技术介绍

[0002]随着城市化的快速发展，由降雨径流冲刷所产生的城市面源污染带来的生态环境问题日益突出，已成为制约城市水环境“提质”的关键。城市面源污染具有排放随机性、间歇性、时空变化幅度大等特点，开展城市面源污染监测可为城市面源污染负荷估算提供重要的基础数据参考，对于城市面源污染防控和水环境治理具有重要意义。
[0003]目前开展城市面源污染监测的主要思路是根据地形、地下管网以及河流等资料分析面源污染的空间产汇流趋势，划定城市的子汇水分区，在估算各汇水分区面源污染负荷的基础上实现整个城市面源污染负荷估算。显然，对城市所有汇水分区进行面源污染监测费时费力，不具有经济可行性。人为选择典型监测区域没有定量的指标参照，具有随机性和代表性差的问题，导致城市面源污染负荷估算结果具有很大的不确定性。
[0004]此外，由于城市化发展过程中人口密度、下垫面、排水管网以及功能区划等不同，造成城市化发展在空间上存在显著差异。比如低城市化强度区主要是城市中的山区，具有汇水分区面积较大，建设用地占比最小，而坡度最大的特点；中城市化强度区一般兼具山区和城市建设区域，汇水分区面积、建设用地占比以及坡度适中；而高城市化强度区主要是城市建成区，开发强度高，且多处于地势平坦地区，其建设用地占比较大，而坡度较小，且由于汇水趋势被城市建设人为切割，故而其汇水面积一般较小。城市面源污染典型监测区域的选择需要考虑到这种客观存在的城市化发展差异，因而典型监测区域往往不止一个。如何在高度城市化地区科学而合理地筛选面源污染典型监测区域，已经成为城市面源污染监测中迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术目的在于提供一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法与系统，克服人为主观选择存在的随机性和代表性差的问题，为城市面源污染科学监测提供技术支撑。
[0006]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，包括：
[0007](1)根据目标区域汇水分区、土地利用以及地形，计算汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度；
[0008](2)将汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度均一化，构成空间点坐标，每个汇水分区对应空间中的一个点；统计每个汇水分区点在设定的空间距离半径范围内的汇水分区点个数N，筛选出N不低于设定阈值的汇水分区点，得到高密度汇水分区集合H；依据集合H中汇水分区点的建设用地占比排序，选择k个汇水分区点作为初始聚类中心，k为设定的监
测区数量；
[0009](3)遍历所有汇水分区点到k个聚类中心点的欧式距离，将每个汇水分区点划分到距离最近的聚类簇中，更新每个聚类簇的聚类中心，重复该步骤直到新的聚类中心位置不再发生变化或收敛到设定范围，最终得到k个聚类中心；
[0010](4)结合聚类得到的k个中心点，找到各聚类簇中距离聚类中心方差最小的汇水分区，作为最终筛选出的典型监测区。
[0011]作为优选，所述步骤(1)中，在GIS中统计各汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度，其中，建设用地占比是屋顶和道路面积之和占汇水分区面积的比例，坡度则根据地形DEM数据进行坡度计算后，取汇水分区内所有网格的坡度均值。
[0012]作为优选，所述步骤(2)中，分别利用汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度的最大值进行均一化，均一化后数值在0～1之间。
[0013]作为优选，所述步骤(2)中，初始化聚类中心的方法为：
[0014]首先计算任意两汇水分区点U
i
(A'
i
，C'
i
，S'
i
)和U
j
(A'
j
，C'
j
，S'
j
)的距离d(U
i
,U
j
)，以及空间距离半径与阈值其中m为目标区域汇水分区总数；A'
i
、A'
j
、C'
i
、C'
j
、S'
i
、S'
j
分别表示均一化后第i和第j个汇水分区点的面积、建设用地占比以及坡度；
[0015][0016]然后统计每个汇水分区点在空间距离半径r范围内的汇水分区个数N，筛选N≥M的汇水分区点作为高密度汇水分区集合H；
[0017]设高密度汇水分区集合H中有h个汇水分区点，将集合H中的点按建设用地占比从大到小排序，则初始化的第1、2、3、
…
、k
‑
1、k个聚类中心分别为排序等于1、h的汇水分区点；其中，floor表示向下取整。
[0018]作为优选，所述步骤(3)具体包括：
[0019](3
‑
1)遍历所有汇水分区点到k个聚类中心点的欧式距离，将每个汇水分区点划分到距离最近的聚类簇中；其中，第i个汇水分区点(A'
i
，C'
i
，S'
i
)到第j个聚类中心(x
j
，y
j
，z
j
)的欧式距离d
i,j
计算公式如下：
[0020][0021](3
‑
2)更新聚类中心；设某一聚类中心(x,y,z)的聚类簇中有n个汇水分区点，则新的聚类中心位置计算公式如下：
[0022][0023][0024][0025]其中，(new_x,new_y,new_z)表示新的聚类中心的空间坐标；
[0026](3
‑
3)重复步骤(3
‑
1)至(3
‑
2)直到新的聚类中心位置不再发生变化或收敛到设定范围，最终得到k个聚类中心；其中，聚类中心收敛的判断条件如下：
[0027][0028]其中，δ是收敛阈值。
[0029]作为优选，所述步骤(4)中，设某一聚类簇中有n个汇水分区点，则其中第i个汇水分区点的距离方差D
i
计算如下：
[0030][0031]其中，d
i
表示第i个汇水分区到其聚类中心的距离，表示聚类簇中所有汇水分区到聚类中心的距离的均值。
[0032]基于相同的专利技术构思，本专利技术提供的一种城市面源污染典型监测区聚类筛选系统，包括：
[0033]数据获取模块，用于根据目标区域汇水分区、土地利用以及地形，计算汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度；
[0034]聚类中心初始化模块，用于将汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度均一化，构成空间点坐标，每个汇水分区对应空间中的一个点；统计每个汇水分区点在设定的空间距离半径范围内的汇水分区个数N，筛选出N不低于设定阈值的汇水分区点，得到高密度汇水分区集合H；依据集合H中汇水分区点的建设用地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，其特征在于，该方法包括：(1)根据目标区域汇水分区、土地利用以及地形，计算汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度；(2)将汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度均一化，构成空间点坐标，每个汇水分区对应空间中的一个点；统计每个汇水分区点在设定的空间距离半径范围内的汇水分区点个数N，筛选出N不低于设定阈值的汇水分区点，得到高密度汇水分区集合H；依据集合H中汇水分区点的建设用地占比排序，选择k个汇水分区点作为初始聚类中心，k为设定的监测区数量；(3)遍历所有汇水分区点到k个聚类中心点的欧式距离，将每个汇水分区点划分到距离最近的聚类簇中，更新每个聚类簇的聚类中心，重复该步骤直到新的聚类中心位置不再发生变化或收敛到设定范围，最终得到k个聚类中心；(4)结合聚类得到的k个中心点，找到各聚类簇中距离聚类中心方差最小的汇水分区，作为最终筛选出的典型监测区。2.根据权利要求1所述的城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在GIS中统计各汇水分区的面积A、建设用地占比C以及坡度S，其中，建设用地占比是屋顶和道路面积之和占汇水分区面积的比例，坡度则根据地形DEM数据进行坡度计算后，取汇水分区内所有网格的坡度均值。3.根据权利要求1所述的城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中，分别利用汇水分区的面积、建设用地占比以及坡度的最大值进行均一化，均一化后数值在0～1之间。4.根据权利要求1所述的城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，其特征在于：所述步骤(2)中，初始化聚类中心的方法为：首先计算任意两汇水分区点U
i
(A
′
i
，C
′
i
，S
′
i
)和U
j
(A'
j
，C'
j
，S'
j
)的距离d(U
i
,U
j
)，以及空间距离半径与阈值其中m为目标区域汇水分区总数；A
′
i
、A'
j
、C
′
i
、C'
j
、S
′
i
、S'
j
分别表示均一化后第i和第j个汇水分区点的面积、建设用地占比以及坡度；然后统计每个汇水分区点在空间距离半径r范围内的汇水分区个数N，筛选N≥M的汇水分区点作为高密度汇水分区集合H；设高密度汇水分区集合H中有h个汇水分区点，将集合H中的点按建设用地占比从大到小排序，则初始化的第1、2、3、
…
、k
‑
1、k个聚类中心分别为排序等于1、h的汇水分区点；其中，floor表示向下取整。5.根据权利要求1所述的城市面源污染典型监测区聚类筛选方法，其特征在于：所述步
骤(3)具体包括：(3
‑
1)遍历所有汇水分区点到k个聚类中心点的欧式距离，将每个汇水分区点划分到距离最近的聚类簇中；其中，第i个汇水分区点(A
′
i
，C
′
i
，S
′
i
)到第j个聚类中心(x
j
，y
j
，z
j
)的欧式距离d
i,j
计算公式如下：(3
‑
2)更新聚类中心；设某一聚类中心(x,y,z)的聚类簇中有n个汇水分区点，则新的聚类中心位置计算公式如下：类中心位置计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈求稳，何梦男，陈诚，张建云，郑飞飞，崔桢，莫康乐，林育青，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：