信息融合在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

古麗娜孜·阿布力孜　艾克拉木·麥麥提圖爾蓀

（新疆伊寧市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站新疆伊寧835000）

信息融合在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

古麗娜孜·阿布力孜艾克拉木·麥麥提圖爾蓀

（新疆伊寧市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測(cè)站新疆伊寧835000）

由于工業(yè)廢水和生活用水的大量排放，我國水資源污染相當(dāng)嚴(yán)重，已嚴(yán)重制約到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，威脅到人類自身的健康。因此，對(duì)水資源、水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，就顯得尤為重要，水質(zhì)監(jiān)測(cè)對(duì)于水環(huán)境水資源管理和污染控制具有重要意義。本文先闡述了水環(huán)境檢測(cè)信息融合的特點(diǎn)，又詳細(xì)介紹了水環(huán)境檢測(cè)信息融合結(jié)構(gòu)框架，最后講述了水環(huán)境檢測(cè)信息的融合方法。

信息融合；水環(huán)境；監(jiān)測(cè)

目前，我國所采用的水環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)總體效率不高、設(shè)備老化、實(shí)時(shí)性差，網(wǎng)絡(luò)布局困難，維護(hù)成本高，已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜多變的水環(huán)境檢測(cè)了。信息融合技術(shù)可以提高系統(tǒng)的測(cè)距精度和抗干擾能力，以解決多源、多尺度水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息處理問題。

1　水環(huán)境檢測(cè)信息融合的特點(diǎn)

1.1擴(kuò)大空間覆蓋范圍

多個(gè)信息源可以從不同來源、不同環(huán)境、不同層次及不同的分辨率來觀察同一個(gè)對(duì)象，得到的關(guān)對(duì)象的多源、多尺度信息更加充分，這個(gè)特性對(duì)于決策級(jí)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)是非常有意義的。

1.2擴(kuò)大時(shí)間覆蓋能力

融合監(jiān)測(cè)可以綜合利用同一流域不同時(shí)期的水質(zhì)污染指標(biāo)及3S監(jiān)測(cè)信息等可靠性信息。融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以以時(shí)間為定標(biāo)尺度，配準(zhǔn)歷史數(shù)據(jù)與當(dāng)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用合理的融合結(jié)構(gòu)和算法，達(dá)到去除冗余、克服歧義的目的，得到優(yōu)化的一致性準(zhǔn)確判別。

1.3提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性

由多個(gè)傳感器在工作中相互配合，使其保留多余的一個(gè)量來確保儀器、設(shè)備或某項(xiàng)工作在非正常情況下也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)一個(gè)傳感器發(fā)生故障不能正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的融合結(jié)果并不會(huì)產(chǎn)生影響，而且也保護(hù)了監(jiān)測(cè)設(shè)備，延長了監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用壽命。

1.4管理能力強(qiáng)，使其資源充分利用

信息融合系統(tǒng)充分考慮了傳感器不足的特點(diǎn)，建立傳感器管理模塊，充分發(fā)揮多傳感器的功能，使水環(huán)境監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確、更及時(shí)，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

2　水環(huán)境檢測(cè)信息融合結(jié)構(gòu)框架

2.1集中式結(jié)構(gòu)

在此結(jié)構(gòu)中，所有傳感器將原始信息或是將其接收到的一些多源信息傳輸?shù)饺诤现行模芍醒胩幚碓O(shè)施對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一處理，此結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了傳感器之間的互補(bǔ)性，只損失少量信息，所得精度比較高，但此方法在數(shù)據(jù)互聯(lián)方面比較困難，可靠性低，當(dāng)處理大量的信息時(shí)，對(duì)給融合中心造成較大的壓力。

2.2分布式結(jié)構(gòu)

局部融合中心首先對(duì)原始多源信息進(jìn)行局部融合處理，先由融合中心傳感器的檢測(cè)結(jié)果結(jié)合各傳感器的置信度和來進(jìn)行決策，此種方法減少了信息傳輸?shù)膲毫Γ俣容^快，即使遇到某個(gè)傳感器失效的情況，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，但同時(shí)也有不好的一面，即原始多源信息之間的交流容易被影響，從而造成部分信息丟失。

2.3分散式結(jié)構(gòu)

在這種結(jié)構(gòu)中，多源信息通過節(jié)點(diǎn)彼此相互連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可接收多源信息及其它節(jié)點(diǎn)融合的結(jié)果，將其結(jié)果從節(jié)點(diǎn)裝置發(fā)出，一些多源信息將和節(jié)點(diǎn)相連接，由于信息是由節(jié)點(diǎn)發(fā)出的，即使發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)融合系統(tǒng)的影響也會(huì)很小，此種結(jié)構(gòu)容錯(cuò)性比較好，只是節(jié)點(diǎn)繁多，相互之間的通信要復(fù)雜一些。

2.4反饋式結(jié)構(gòu)

當(dāng)對(duì)系統(tǒng)處理問題的能力要求效率的時(shí)候，則必須要忽視精度問題，否則融合速度再快都難以達(dá)到要求，此時(shí)就需要借助信息的相對(duì)穩(wěn)定性和原始積累對(duì)融合信息進(jìn)行反饋再處理，此結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是既可以接收接收多源信息，也可以接收已經(jīng)獲得的融合信息，使融合的處理精度有所提升。

3　水環(huán)境檢測(cè)信息融合方法

3.1數(shù)據(jù)層信息融合算法

3.1.1加權(quán)平均法

此種方法最容易、最易于觀察融合水環(huán)境檢測(cè)低層信息，將一組傳感器提供的冗余信息進(jìn)行平均化，對(duì)其進(jìn)行折中，以這一數(shù)字作為預(yù)測(cè)未來期間該變量預(yù)測(cè)值的一種趨勢(shì)預(yù)測(cè)法。因此，此方法所得數(shù)據(jù)較為接近正確值。

3.1.2卡爾曼濾波

此方法通過系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，從而得出計(jì)算結(jié)果。通常情況下，所測(cè)量的模型往往會(huì)有噪聲，此時(shí)利用卡爾曼濾波可以消除噪聲的影響，得到一個(gè)關(guān)于目標(biāo)的一個(gè)好的估計(jì)，卡爾曼濾波具有良好的遞推特性，這種特性使其在進(jìn)行系統(tǒng)信息處理減少大量不必要的計(jì)算，后期采用的分散卡爾曼濾波，它實(shí)現(xiàn)了信息融合完全分散化。

3.2特征層信息融合算法

僅僅是利用數(shù)據(jù)層的融合來取得信息，所得水環(huán)境檢測(cè)信息比較少，此時(shí)就需要根據(jù)檢測(cè)目標(biāo)的特征信息來進(jìn)行融合計(jì)算，特征信息可以增加其計(jì)算精度，因?yàn)樗h(huán)境的檢測(cè)信息量一直處于不斷增加的狀態(tài)，而遙感技術(shù)也不斷發(fā)展，監(jiān)測(cè)者對(duì)信息的需求正在從靜態(tài)非實(shí)時(shí)向動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，因此，基于遙感信息實(shí)時(shí)處理的目標(biāo)監(jiān)測(cè)、變化監(jiān)測(cè)及目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用已經(jīng)越來越成為監(jiān)測(cè)者迫切的需求。

3.3決策層信息融合算法

此種方法是在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)初步完成特征提取的基礎(chǔ)上，模仿人的思維，然后借助一定的規(guī)則或特定的算法，得到目標(biāo)的最后身份，是一種高層次的融合，此方法最大的特點(diǎn)是用人類的思維來進(jìn)行計(jì)算，可以直接通過決策層融合的結(jié)果來推斷出決策要素相應(yīng)的行為，決策層融合方法通常分為兩類：基于辨識(shí)的決策融合方法和基于知識(shí)的決策融合方法。基于辨識(shí)的融合方法對(duì)信息設(shè)定一定的假設(shè)前提，然后建立目標(biāo)的概率模型來，典型的方法有：貝葉斯估計(jì)、統(tǒng)計(jì)決策理論、證據(jù)推理等。而基于知識(shí)的方法則使用邏輯模板和句法上下文知識(shí)來描述、融合信息，其具體方法有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊集合理論等方法。

4　結(jié)語

綜上所述，信息融合系統(tǒng)對(duì)于獲取準(zhǔn)確的水環(huán)境狀況具有重要現(xiàn)實(shí)意義。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類監(jiān)測(cè)信息也越來越多，需要引入信息融合術(shù)，對(duì)更多的信息加以有效利用。

［1］林志貴，劉英平.建立我國水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息融合系統(tǒng)的探討［J］.，水利水文自動(dòng)化，2005，02.