基于移动检测平台的藻类水华短期预测方法研究

摘要

近年来，随着水体富营养化程度加剧，藻类水华频繁暴发。藻类水华不仅破坏水体生态环境，还威胁人类身体健康，并且缺少短期内的有效治理手段，因此，对水体藻类浓度进行实时预测，在水华暴发之前采取应急措施，降低治理成本，具有重要意义。
　　本文在分析了国内外预测方法的基础上，根据生长机理和通用信号处理方法各自的特点，提出了一种基于藻类水华形成机理的分段短期预测方法。同时针对国内外水质移动检测系统的不足，改进了一种低成本、便携性好、操作方便灵活、可在线检测部分水质参数的移动检测系统。并将基于藻类水华形成机理的分段短期预测模型与水质移动检测系统结合，实现对饮用水源地（地表水）的不同水域进行藻类水华实时预测。本文主要工作和特色如下:
　　(1)建立了基于藻类水华形成机理的分段短期预测模型。根据藻类水华形成的过程，确定了藻类水华形成关键影响因素，即水温、光照和营养盐;参考藻类水华形成“四阶段理论”，本文将全年按月分为3个阶段，选择不同阶段的影响因子，建立藻类水华形成分段机理模型;并根据藻类短期生长趋势预测未来某个时刻的生长情况。
　　(2)完成了藻类分段短期机理预测模型的仿真实验。选用德国易北河2000年3月到10月的监测数据用于模型验证，并用粒子群优化算法动态率定模型参数。从率定数据时间跨度、率定参数组合、参数动态率定预测序列和未来三日预测序列四个角度分析了预测模型对叶绿素a浓度的预测情况，初步结论为:①选取率定数据时间跨度为7天时，预测结果最优;②光半饱和常数K1的率定对预测结果的影响要优于光系数（a）;③预测序列误差约为10％，说明该预测模型能够很好的应用于德国易北河叶绿素a浓度预测;④从未来一日到未来三日，预测误差依次增大。
　　(3)完成了水质移动检测系统的硬件和软件改进。该系统由移动检测平台、监控中心和手持终端三部分组成，移动检测平台用于对目标水域水质信息在线检测，并将检测结果发送到监控中心和手持终端，本文实现了水温和光照强度的远程检测;监控中心用于存储水质历史数据和实现藻类水华预测;手持终端用于发送相应控制命令。改进后的系统支持多种水质参数在线检测，并在移动检测平台上搭载图像传感模块，采集水样图像，通过水样颜色来快速判断藻类水华暴发情况。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 藻类水华事件

1．1．2 藻类水华危害

1．1．3 藻类水华预测研究意义

1．2 藻类水华预测方法的研究进展

1．2．1 生长机理建模预测

1．2．2 基于通用信号处理方法的预测

1．3 移动水质检测方法的研究现状

1．3．1 水质检测方法

1．3．2 水质移动检测方法研究现状

1．3．3 水质移动检测研究小结

1．4 本文研究内容和组织结构

第2章 基于藻类水华形成机理的分段短期预测模型建立

2．1 藻类水华形成关键影响因素

2．2 藻类水华形成机理

2．2．1 藻类水华形成的“四阶段理论’’

2．2．2 藻类水华形成主要阶段及其主导因子

2．3 藻类水华形成分段短期机理预测模型构建

2．3．1 藻类生长机理模型构建

2．3．2 藻类水华形成机理模型构建

2．3．3 藻类水华形成分段机理模型构建

2．3．4 藻类水华短期预测机理

2．3．5 预测模型的评价指标

2．4 本章小结

第3章 藻类分段短期机理预测模型的仿真实验

3．1 德国易北河水质数据监测概况

3．2 参数率定算法

3．3 易北河叶绿素a浓度预测

3．3．1 针对易北河的分段机理模型

3．3．2 参数率定组合

3．3．3 率定数据时间跨度

3．3．4 参数动态率定预测结果

3．3．5 未来三日预测

3．4 结果分析与讨论

3．4．1 预测方法比较

3．4．2 参数特性

3．4．3 参数率定

3．5 本章小结

第4章 水质移动检测系统设计

4．1 系统总体方案设计

4．1．1 系统总体架构

4．1．2 系统工作流程

4．1．3 系统优点和创新点

4．2 水质移动检测系统与预测模型的结合

4．3 移动检测平台设计

4．3．1 方案设计

4．3．2 硬件电路设计

4．3．3 软件设计

4．3．4 水样颜色快速判断藻类水华

4．4 水质采样模块设计

4．4．1 方案设计

4．4．2 硬件电路设计

4．4．3 软件设计

4．5 监控中心设计

4．5．1 监控计算机

4．5．2 监控软件设计

4．5．3 监控软件工作流程

4．5．4 监控软件养面展示

4．6 手持终端设计

4．6．1 应用程序设计

4．6．2 界面展示

4．7 本章小结

第5章 系统测试

5．1 功能模块测试

5．1．1 3G通信模块测试

5．1．2 运动控制模块测试

5．1．3 水样采集模块测试

5．1．4 水质采样模块测试

5．1．5 图像采集模块测试

5．1．6 GPS定位模块测试

5．1．7 功能模块测试结果分析

5．2 样机测试

5．3 样机展示

5．4 测试小节

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文