一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，涉及资源环境遥感领域；该方法包括以下步骤：首先，根据研究分析问题，调查水域水环境水生态指标以及收集历史数据，确定水域水环境水生态聚焦的重点指标以及对应的关联指标；其次，对各项指标进行空间变异度计算，按照指标变异度大小划分为不同级别，根据水环境水生态指标时空精度要求对各类指标进行空间网格单元划分；最后，采用模型对各项指标进行数值模拟计算，使得数值模拟计算的不同类别指标均能很好地刻画水环境水生态对应要素的空间格局状态及变化，大幅降低数值模拟计算在计算系统存储资源开销及计算量，进而达到水环境水生态数值模拟研究的智慧化管理。到水环境水生态数值模拟研究的智慧化管理。到水环境水生态数值模拟研究的智慧化管理。

【技术实现步骤摘要】
一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法


[0001]本专利技术涉及资源环境遥感领域，具体为一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法。

技术介绍

[0002]水环境水生态是人类社会经济赖以存续和发展的重要基石。地球地表水体提供了人类生产生活的所需基础水源、各类水产品以及休闲空间，同时也是提供了各类水生生物的生存空间和繁衍的场所。因此水环境和水生态一直是人类生存和发展的重要内容，人们消耗了大量人力、物力和资金进行了海量计算工作，以掌握水环境水生态的状态、变化及质量，为人类科学合理开发利用水环境水生态提供依据。
[0003]另一方面，随着人类社会经济及技术水平的提升，对水环境水生态认识和管控要求也不断提高。污染物总量控制从过去的年总量控制发展到目前日排放总量控制，控制区域也从流域的大尺度控制发展到小流域、子流域及控制单元的控制。特别是现阶段对水环境水生态治理提出了精准治污和高效治污的管理模式，这势必会对认识水环境水生态时空变化规律精准性以及时空变化的驱动因素准确性提出更高要求。对数值模拟而言，模型的空间分辨率与精度也要不断提高，这对数值模拟在计算机资源开销及计算量形成了巨大的挑战，如何在提高空间分辨率的同时尽可能降低计算机资源开销激增速度，这已成为不可忽视且迫切需要得到解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，针对当前水环境水生态保护、管控及综合治理要求，能够更精准更系统地认识和掌握水环境水生态指标。在时空演变特征和主要驱动要素的现实下，满足进一步提高水环境水生态数值模拟空间分辨率和精度及效益的需求，以及满足这一需求的同时，缩减水环境水生态数值模拟计算空间网格单元划分的空间步长，降低数值模拟计算对计算机缓存资源的开销和计算量的激增速度。创造性提出将水环境水生态指标根据其空间、时间变异度划分为不同级别，根据指标级别的高低，在其空间变化上利用与其变异级别相适宜的尺度网格进行表征和描述，即对空间变异小的指标用空间划分步长相对较大的网格描述，而对空间变异大的指标用空间步长相对较小的网格描述，通过大幅提高空间变异大的指标模拟精度，来促使整个水环境水生态数值模拟精度的提升，满足水环境水生态保护、管控及综合治理需求，仅小幅增加模拟计算对计算机资源开销和数值模拟计算量，就能使得前述矛盾得以较好解决。该方法包括以下步骤：
[0006]S1、调查水域水环境水生态指标以及收集历史数据；
[0007]S2、计算各项指标的空间和时间变异度；
[0008]S3、按变异度大小对各项指标进行排序分类；
[0009]S4、根据水环境水生态指标时空精度要求对各类指标进行空间网格单元划分；
[0010]S5、对各项指标进行数值模拟计算；
[0011]S6、分析数值模拟计算结果，进而验证模型。
[0012]在S1中，所述指标包括重点指标和关联指标。首先，根据研究分析问题，确定水域水环境水生态聚焦的重点指标(富营养化湖泊总磷、总氮和叶绿素a)；其次，分析对重点指标具有重要作用或影响的关联指标，关联指标从水动力指标(波浪、湖流、水位、水温和密度)、水质指标、底质指标(氨氮、硝酸盐氮、总氮、溶解性总氮、总氮、整磷酸盐磷、总磷、溶解氧、高锰酸指数、沉积物总磷、总氮、间隙水磷和氮的物质含量)和水生态系统指标(浮游植物生物量、浮游动物生物量、底栖生物生物量和水生植物生物量)进行检索；最后，确定重点指标及其关联指标后，收集相关指标的资料及历史数据，观测指标现状值。
[0013]通过上述技术方案，根据研究分析问题确定要收集的重点指标即对应的关联指标，收集这些指标的详细参数信息。
[0014]在S2中，进行水动力水环境水生态指标空间时间变异度大小计算，需要进行重点指标和关联指标的空间或时间变异度的分析。在进行空间变异度分析时，先进行指标的无量纲化处理，用空间各点指标值除以指标在空间上的最大值，将指标无量纲至0和1之间的值，然后计算无量纲化的指标在不同空间点之间的差值，计算其与两点之间距离的比值的绝对值，形成空间变化数据集。在此基础上，通过数据集中数据的两两比较，找出变化数据集的最大值、最小值、平均值和中值，采用其中一个或多个线性组合，计算指标的综合变异度。步骤如下：
[0015]S201、获得关注指标数量和种类，统计各指标在研究分析空间中的具有值点数、坐标及具体取值；
[0016]S202、找出各指标在研究分析空间的最大值、最小值及平均值；
[0017]S203、进行指标的无量纲化处理：将空间各点指标值以及对应指标在空间上的最大值当成参数带入公式中计算，得到无量纲化处理结果；计算公式如下：
[0018][0019]式中，b
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的观测值，c
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的归一化的值；
[0020]S204、然后计算无量纲化的指标在不同空间点之间的差值，计算其与两点之间距离的比值的绝对值，形成空间变化数据集，计算公式如下：
[0021][0022]或
[0023][0024]或
[0025][0026]式中，c
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的归一化的值，c
jk
为第j个指标在研究分析空间中第k点的归一化的值，d
ik
为研究分析空间中两点i,k之间距离，这里k值也可为i点附近的点，不必完全为j指标在研究分析空间中全部取值；
[0027]S205、通过数据集中数据的两两比较，找出变化数据集的最大值、最小值、平均值、中值，采用其中一个或多个线性组合，如平均值和最小值的组合，计算指标的空间变异度，计算公式如下：
[0028][0029]式中，AS
j
为第j个指标的空间变异度，j为研究分析关注指标编号或时间编号，i为关注指标j存在数值的空间点的编号，n
j
为第j个指标在研究分析空间中具值的点数，a
ji
为研究分析关注的第j个指标在第i空间点的变异度；
[0030]S206、时间变异度计算方式与空间变异度计算方式相同，计算时间变异度可以将参数带入空间变异度计算表达式中，计算得到时间变异度。
[0031]通过上述技术方案，采用各项重点指标和关联指标作为参数，通过无量纲化、差值、绝对值的方式计算出对应的空间和时间变异度。
[0032]在S3中，所有指标按照空间变异度划分为2类及以上级别，不同级别指标由当前状态计算下一时刻状态的积分计算时选用不同尺度的网格，指标级别越高选用网格尺度越小。不同指标按照变异度值的大小进行范围划分，将水环境水生态指标划分一级、二级和三级的不同级别指标；先将不同指标的变异度按从小到大顺序排列，找出变异度最小的指标和变异度最大的指标，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，其特征在于,该方法包括以下步骤：S1、调查水域水环境水生态指标以及收集历史数据；S2、计算各项指标的空间和时间变异度；S3、按变异度大小对各项指标进行排序分类；S4、根据水环境水生态指标时空精度要求对各类指标进行空间网格单元划分；S5、对各项指标进行数值模拟计算；S6、分析数值模拟计算结果，进而验证模型。2.根据权利要求1所述的一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，其特征在于：在S1中，所述指标包括重点指标和关联指标；首先，根据研究分析问题，确定水域水环境水生态聚焦的重点指标；其次，分析对重点指标具有重要作用或影响的关联指标，关联指标从水动力指标、水质指标、底质指标和水生态系统指标进行检索；最后，确定重点指标及其关联指标后，收集相关指标的资料，观测指标现状值。3.根据权利要求1所述的一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，其特征在于，在S2中，计算各项指标的空间和时间变异度步骤如下：S201、获得关注指标数量和种类，统计各指标在研究分析空间中的具有值点数、坐标及具体取值；S202、找出各指标在研究分析空间的最大值、最小值及平均值；S203、进行指标的无量纲化处理，用空间各点指标值除以指标在空间上的最大值，将指标无量纲至0和1之间的值，计算公式如下：式中，b
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的观测值，c
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的归一化的值；S204、然后计算无量纲化的指标在不同空间点之间的差值，计算其与两点之间距离的比值的绝对值，形成空间变化数据集，计算公式如下：或或式中，c
ji
为第j个指标在研究分析空间中第i点的归一化的值，c
jk
为第j个指标在研究分析空间中第k点的归一化的值，d
ik
为研究分析空间中两点i,k之间距离，这里k值也可为i点附近的点，不必完全为j指标在研究分析空间中全部取值；S205、通过数据集中数据的两两比较，找出变化数据集的最大值、最小值、平均值、中值，采用其中一个或多个线性组合，计算指标的空间变异度，计算公式如下：
式中，AS
j
为第j个指标的空间变异度，j为研究分析关注指标编号或时间编号，i为关注指标j存在数值的空间点的编号，bn
j
为第j个指标在研究分析空间中具值的点数，a
ji
为研究分析关注的第j个指标在第i空间点的变异度；S206、时间变异度计算方式与空间变异度计算方式相同，计算时间变异度可以将参数带入空间变异度计算表达式中，计算得到时间变异度。4.根据权利要求1所述的一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，其特征在于：在S3中，所有指标按照空间变异度划分为2类及以上级别，不同级别指标由当前状态计算下一时刻状态的积分计算时选用不同尺度的网格，指标级别越高选用网格尺度越小。5.根据权利要求1所述的一种提高湖泊水生态空间分辨率和精度的方法，其特征在于：在S3中，不同指标按照变异度值的大小进行范围划分，将水环境水生态指标划分一级、二级和三级的不同级别指标；先将不同指标的变异度按从小到大顺序排列，找出变异度最小的指标和变异度最大的指标，再将这两个指标的变异度带入公式运算，计算出各级别区间端点值，公式如下：R＝[B
min
,B
max
]A1:[B
min
,(B
min
+C))＝{x∈R:B
min
≤x＜(B
min
+C)}A2：[(B
min
+C)，(B
min
+2C)]＝{x∈R：(B
min
+C)≤x≤...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡维平，彭兆亮，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：