一種基于時(shí)空特征的實(shí)時(shí)估算細(xì)顆粒物濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)地細(xì)顆粒物濃度估算，更具體地涉及基于時(shí)空特征的實(shí)時(shí)細(xì)顆粒 物濃度估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)由于霧霾天氣不斷增多，人們對(duì)空氣質(zhì)量健康越來(lái)越關(guān)注。細(xì)顆粒物 (PM2. 5)濃度是評(píng)估空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。同時(shí)細(xì)顆粒物具有粒徑小，活性強(qiáng)，可吸入 性，易附帶有毒有害物質(zhì)的特征，因而對(duì)人體健康的影響更大。如何快速實(shí)時(shí)獲取細(xì)顆粒物 濃度成了人們?nèi)粘Ｉ畹钠惹行枰?。雖然政府部門(mén)在城市內(nèi)設(shè)置了空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，但 是由于土地成本，儀器成本，人力成本的各方面因素的綜合考慮，無(wú)法在城市內(nèi)部布設(shè)過(guò)多 的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。因此在遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的區(qū)域，獲取實(shí)時(shí)的可靠的空氣污染物濃度變 得十分困難。
[0003] 細(xì)顆粒污染物濃度是一種時(shí)空現(xiàn)象，但是傳統(tǒng)的基于空間特征的估計(jì)細(xì)顆粒物濃 度的方法只考慮到污染物在空間上的相關(guān)性，比如反距離法和普通克里金法。反距離法僅 僅只以相互之間距離的倒數(shù)值為已知濃度站點(diǎn)對(duì)未知濃度站點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)從而估算未知 濃度站點(diǎn)的濃度值。普通克里金法只考慮到細(xì)顆粒物濃度在空間的分布特征，在此基礎(chǔ)上 求算已知站點(diǎn)對(duì)未知站點(diǎn)影響的權(quán)重值，最終估算未知點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度值。本發(fā)明在考慮 空間分布的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮到細(xì)顆粒物濃度在時(shí)間維度的變異特征，并在時(shí)空變異的基礎(chǔ) 上引入與細(xì)顆粒物濃度相關(guān)的三大氣象因子：濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)，進(jìn)而估算未知站點(diǎn)處 的細(xì)顆粒物濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本該發(fā)明彌補(bǔ)了傳統(tǒng)空間估算方法的不足，在考慮時(shí)空相關(guān)性的基礎(chǔ)上，同時(shí)加 入風(fēng)速、濕度和大氣壓強(qiáng)三個(gè)氣象因子加權(quán)計(jì)算細(xì)顆粒物濃度，在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)無(wú)法覆蓋的區(qū) 域可以提供實(shí)時(shí)可靠的污染物濃度值，為人們出行提供空氣質(zhì)量參考信息。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于時(shí)空特征的實(shí)時(shí)估算細(xì)顆粒物濃度的方 法，其特征在于：包含3個(gè)步驟，分別為數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理步驟、擬合時(shí)空變異曲線步驟，估 算細(xì)顆粒物濃度步驟；
[0006] (1)所述數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理步驟包括：
[0007] 獲取以當(dāng)前小時(shí)為起點(diǎn)向前72小時(shí)η個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的細(xì)顆粒物濃度，以及 各個(gè)站點(diǎn)的地理位置信息，共72*η組數(shù)據(jù)；
[0008] 獲取當(dāng)前小時(shí)m個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)值，以及氣象站點(diǎn)地理 位置信息；
[0009] 將m個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)構(gòu)建泰森多邊形，將每個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 構(gòu)成的泰森多邊形一一匹配，為每個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)賦予濕度、風(fēng)速以及大氣壓強(qiáng)值；用X，y 值表示空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間位置，MpMjP M 3分別表示該空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濕度、風(fēng) 速和大氣壓強(qiáng)值；
[0010] 由于細(xì)顆粒物濃度、濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)值具有不同的量綱，為消除數(shù)據(jù)不同量 綱的影響性，使數(shù)據(jù)具有可比性，使用極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，極差法公式如下：
[0012] 式中f為標(biāo)準(zhǔn)化的新數(shù)值，X _為樣本數(shù)據(jù)最大值，X _為樣本數(shù)據(jù)最小值。
[0013] (2)所述擬合時(shí)空變異曲線步驟包括：
[0014] 對(duì)當(dāng)前小時(shí)η個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行空間變異函數(shù)擬合，以空氣監(jiān)測(cè) 站點(diǎn)間空間距離為自變量，具體為：
[0015] ?計(jì)算各個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)間的距離值以及變異函數(shù)值，計(jì)算公式分別如下：
[0017] 式中（Xl，yi)為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)i的空間位置，（X]，y])為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)j的空間位置；
[0019] 式中Z⑴和Z (j)分別為站點(diǎn)i和站點(diǎn)j細(xì)顆粒物濃度值；
[0020] ?以距離h為橫坐標(biāo)，空間變異函數(shù)YsQO值為縱坐標(biāo)，繪制空間變異函數(shù)散點(diǎn) 圖；
[0021] 魯對(duì)上述空間變異函數(shù)散點(diǎn)圖進(jìn)行球狀模型擬合，擬合公式如下：
[0023] 式中C。，a，C均為常量
[0024] 對(duì)72小時(shí)η個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行時(shí)間變異函數(shù)擬合，以時(shí)間間隔為 自變量，具體為：
[0025] 魯由于72小時(shí)細(xì)顆粒物濃度是一組具有周期的時(shí)間序列值，可分解為以下公式： Z⑴=μ (t)+s⑴+ ε⑴----公式（5)
[0026] 其中，μ (t)為趨勢(shì)項(xiàng)，s (t)為周期項(xiàng)，ε (t)為隨機(jī)誤差項(xiàng)；
[0027] 魯對(duì)72小時(shí)細(xì)顆粒物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序分解操作，去除周期項(xiàng)s (t);
[0028] 魯以匕為時(shí)間間隔計(jì)算時(shí)間變異函數(shù)，計(jì)算公式如下：
[0030] 其中，Z U1)和Z (t j)分別為tjp t對(duì)間點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度；
[0031] ?以時(shí)間間隔為橫坐標(biāo)，時(shí)間變異函數(shù)值為縱坐標(biāo)，繪制時(shí)間變異函數(shù)散點(diǎn)圖；
[0032] ?對(duì)上述時(shí)間變異函數(shù)散點(diǎn)圖以球狀模型進(jìn)行擬合。
[0033] 將空間變異函數(shù)和時(shí)間變異函數(shù)統(tǒng)一并計(jì)算時(shí)空變異函數(shù)值，具體為：
[0034] ?根據(jù)以下公式計(jì)算時(shí)空變異函數(shù)值，統(tǒng)一空間變異函數(shù)值和時(shí)間變異函數(shù)值：
[0035] γ s, t (hs，ht) = GiJk1Ct (0)) γ s (hs) + G^k1Cs (0) γ t (ht) -k! γ s (hs) γ t (ht) 公式（7)
[0036] 其中，kp M5P k3都為常量，C s(0)為自變量為0的空間協(xié)方差函數(shù)值，Ct(O)為自 變量為〇的時(shí)間協(xié)方差函數(shù)值。
[0037] (3)估算細(xì)顆粒物濃度
[0038] 計(jì)算用戶所在位置與η個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的距離值，計(jì)算公式同公式（2)，用hQn表示用戶和η號(hào)監(jiān)測(cè)站距離值；
[0039] 分別計(jì)算空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)間的距離值，計(jì)算公式同公式（2)，用hln表示1號(hào)監(jiān) 測(cè)站和η號(hào)監(jiān)測(cè)的距離，以此類(lèi)推；
[0040] 以空間距離為空間變異函數(shù)自變量計(jì)算空間變異函數(shù)，取1小時(shí)為時(shí)間變異函數(shù) 自變量計(jì)算時(shí)間變異函數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)空變異函數(shù)值；具體為：根據(jù)時(shí)空變異 函數(shù)值以及濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)值計(jì)算每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)用戶所在位置影響的權(quán)重值，計(jì) 算公式如下：
[0042] 其中hnntm是時(shí)空變異函數(shù)，Mnl，Mn2和Mn3分別為濕度，風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)，λ η為空 氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)對(duì)用戶所在位置的影響的權(quán)重值；
[0043] 分別計(jì)算各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的加權(quán)值并進(jìn)行求和，得到用戶所在位置的細(xì)顆粒物污染 濃度值，具體為：
[0045] 式中，Z (s。，t。）為用戶當(dāng)前位置的細(xì)顆粒物濃度。
[0046] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：與只考慮空間相關(guān)性的傳統(tǒng)估算方式不 同，該發(fā)明通過(guò)構(gòu)建空間變異函數(shù)和時(shí)間變異函數(shù)，同時(shí)考慮到時(shí)空兩大維度的相關(guān)性，在 此基礎(chǔ)上引入濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)三大氣象因子，可以更準(zhǔn)確地估算細(xì)顆粒物污染濃度 值。
【附圖說(shuō)明】
[0047] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0048] 圖2為本發(fā)明空間變異函數(shù)散點(diǎn)圖；
[0049] 圖3為本發(fā)明時(shí)間變異函數(shù)散點(diǎn)圖；
[0050] 圖4為本發(fā)明估算結(jié)果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0051 ] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖1-4,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、 完整地描述。
[0052] 請(qǐng)參閱圖1-4,本發(fā)明提供一種基于時(shí)空特征的實(shí)時(shí)估算細(xì)顆粒物濃度的方法，其 特征在于：包含3個(gè)步驟，分別為數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理步驟、擬合時(shí)空變異曲線步驟，估算細(xì) 顆粒物濃度步驟；
[0053] (1)所述數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理步驟包括：
[0054] 獲取以當(dāng)前小時(shí)為起點(diǎn)向前72小時(shí)η個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的細(xì)顆粒物濃度，以及 各個(gè)站點(diǎn)的地理位置信息，共72*η組數(shù)據(jù)；
[0055] 獲取當(dāng)前小時(shí)m個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)值，以及氣象站點(diǎn)地理 位置信息；
[0056] 將m個(gè)氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)構(gòu)建泰森多邊形，將每個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)與氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn) 構(gòu)成的泰森多邊形一一匹配，為每個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)賦予濕度、風(fēng)速以及大氣壓強(qiáng)值；用X，y 值表示空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間位置，MpMjP M 3分別表示該空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的濕度、風(fēng) 速和大氣壓強(qiáng)值；
[0057] 由于細(xì)顆粒物濃度、濕度、風(fēng)速和大氣壓強(qiáng)值具有不同的量綱，為消除數(shù)據(jù)不同量 綱的影響性，使數(shù)據(jù)具有可比性，使用極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，極差法公式如下：
[0059] 式中f為標(biāo)準(zhǔn)化的新數(shù)值，X _為樣本數(shù)據(jù)最大值，X _為樣本數(shù)據(jù)最小值。
[0060] (2)所述擬合時(shí)空變異曲線步驟包括：
[0061] 對(duì)當(dāng)前小時(shí)η個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站點(diǎn)細(xì)顆粒物濃度進(jìn)行空間變異函數(shù)擬合，以空氣監(jiān)測(cè) 站點(diǎn)間空間距離為自變量，具體為：
[0062] ?計(jì)算各個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)間的距離值以及變異函數(shù)值，計(jì)算公式分別如下：<