地理國情監測數據驅動的城市內水環境監測方法研究

摘要：城市內水環境的安全與居民的生活、經濟活動息息相關，考慮其監測困難的問題，提出基于地理國情監測數據的方法。通過分析波段反射率比值與水環境監測指標關系，引入波段參數確保數據準確性。在水環境數據獲取中，結合監測指標與反演參數，確定具體參數。測試結果表明：輸出的水體污染面積占比誤差低于0.03%，可靠性高，從而有效提升了城市內水環境監測的效率和準確性，為環境管理提供了有力支持。

關鍵詞：地理國情監測數據 城市內水環境 目標監測區域 波段反射率比值 相關性 數據反演

中圖分類號：P237

Research on Data-Driven Monitoring Methods for Urban Water Environment Based on Geographical and National Monitoring

CUI Congjian

Guizhou Zhongse Lantu Technology Co.， Ltd.， Guiyang， Guizhou Province， 550081 China

Abstract： The safety of urban water environment is closely related to the lives and economic activities of residents. Considering the difficulty of monitoring it， a method based on geographical and national monitoring data is proposed. By analyzing the relationship between band reflectance ratio and water environment monitoring indicators， band parameters are introduced to ensure data accuracy. In the acquisition of water environment data， specific parameters are determined by combining monitoring indicators with inversion parameters. The test results show that the output error of the proportion of water pollution area is less than 0.03%， and the reliability is high， which effectively improves the efficiency and accuracy of urban water environment monitoring， and provides strong support for environmental management.

Key Words： Geographical and national monitoring data; Urban water environment; Target monitoring area; Band reflectance ratio; Correlation; Data inversion

對水環境進行監測時，影響其可靠性因素是多方面的[1]。在時間、資金及人力資源方面，環境監測涉及大量的采樣和分析工作，這些工作需要消耗時間、資金及人力資源[2]。例如：采樣和分析人員不足或設備維護不當都可能影響監測數據的可靠性。除此之外，在實際操作過程中，采樣人員對水環境的規范化和標準化的理解可能存在差異[3]，這將會影響監測數據的準確性。同時，手工采樣無法滿足樣品采集后立即分析的要求[4]，大部分樣品需要加固定劑進行保存，這也可能引入誤差[5]。

本文提出地理國情監測數據驅動的城市內水環境監測方法研究，并通過實際應用測試的方式，分析驗證了設計監測方法的性能。

1城市內水環境監測方法設計

1.1地理國情監測數據反演

從城市內水環境的角度分析，與其相關的地理國情監測數據大多是以影像的形式存在的[6]，直接利用其對水環境進行分析的難度較大，且圖像形式的地理國情監測數據對于面積、分布等直觀參數的體現更加直接[7]，而對于具體的狀態參數，則需要對其進行進一步分析。基于此，本文結合地理國情監測數據的成像原理，對其進行反演。

首先，本文以目標監測區域的水環境為基點，對波段反射率比值與對應水環境監測指標之間的相關性進行分析，具體的計算方式可以表示為

式（1）中，表示目標監測區域波段反射率比值參數；表示相關性系數；表示目標監測區域的水環境地理國情監測數據信息；表示相關性殘差。

按照上述所示的方式，將原始的水環境地理國情監測數據信息轉化為對應的反演參數信息。但是需要注意的是，由于水環境地理國情監測數據信息采集階段的具體波段組合可能存在不同程度的差異，因此，在確定目標監測區域的水環境具體反演參數時，結合具體的波段組合情況進行有針對性的計算是保障最終數據可靠性的關鍵。為此，本文在式（1）的基礎上，引入了波段參數，最大限度地保障反演輸出的水環境地理國情監測數據信息絕對誤差在允許范圍內。其中，具體的反演如下。

式（2）中，表示水環境地理國情監測數據信息獲取階段的波段組合。

由此，實現對水環境地理國情監測數據信息的反演，為后續的水環境狀態分析提供數據基礎。

1.2水環境狀態監測

地理國情監測在水環境監測中發揮著關鍵作用，它依賴于地表覆蓋、國情要素和地理單元等多方面的數據成果。這些數據不僅反映了地表自然和人文特征，還提供了關于湖泊、河流等水體的詳細信息。通過遙感技術獲取的高分辨率影像，可以準確地識別水體位置、形狀和周邊環境，結合氣象、水文等其他數據源，可以對水環境進行全面、綜合的分析。地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術的應用，進一步提高了數據處理的效率和準確性，使得水環境監測結果更為直觀和易于理解。結合1.1小節中的公式計算得到水環境地理國情監測數據反演結果，本文對于具體的水環境狀態分析主要是通過擬合對應水環境指標參數與地理國情監測數據信息反演數值之間的關系實現，采用的具體算法為線性回歸算法。

對于進行擬合計算的線性回歸模型，本文對其的表示形式為

式（3）中，表示進行水環境指標參數與地理國情監測數據信息反演數值擬合計算的線性回歸模型；表示在整體地理國情監測數據信息反演數值中；表示參數權重，該參數的大小主要取決于繞波段反射率的應用情況，其中，波段反射率的應用程度越大，對應反演數值在整體地理國情監測數據信息中的比重越大；相反的，波段反射率的應用程度越小，對應反演數值在整體地理國情監測數據信息中的比重越?。槐硎镜乩韲楸O測數據信息對應的波段總數。

以此為基礎，本文通過最小化線性回歸模型與實際值之間的誤差估計具體的水環境指標參數，對應的計算方式可以表示為

式（4）中，表示水環境指標參數的計算結果；表示最小化線性回歸模型在連續波段采集結果中的差值。但是需要注意的是，在1.1小節對原始地理國情監測數據信息進行反演計算時，是圍繞波段反射率比值開展的，在實際的地理國情監測數據信息中，在不同環境下應用的波段會存在一定的差異。因此，在利用式（3）、式（4）確定水環境指標參數時，需要根據實際情況對進行針對性調整。

按照上述所示的方式，實現對水環境指標參數的獲取，結合地理國情監測數據信息的不斷更新，實現對水環境發展情況的監測。

2測試與分析

2.1測試環境

以某市A區的水環境為測試環境，開展了對比測試。A區擁有豐富的水網資源，包括多條河流、湖泊和人工水渠，且這些水體的健康狀況直接關系到該區域居民的生活質量和生態環境。利用地理國情下發的高分1號2 m分辨率、北京3號0.5 m分辨率的遙感數據，結合地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術，準確測量A區內河流的總長度。結合歷史流量數據、實時水位監測數據和流域降水數據，通過水文模型計算出河流的平均流量。利用地面水質監測站點的數據，結合遙感數據中的水體光譜信息，對水質進行綜合評價，并劃分等級。通過高分辨率的遙感影像，結合GIS分析，提取出河流的寬度信息?；跀底指叱棠Ｐ停―igital Elevation Model，DEM）數據，通過GIS軟件分析，計算出A區內河流的流域面積。由此獲得A區的地理國情監測數據信息，統計如表1所示。

在A區內選擇具有代表性的5個監測點，分別位于主要河流、湖泊和人工水渠的交會處或關鍵位置。每個監測點的大小設定為半徑50 m的圓形區域，以確保監測數據的準確性和代表性。

以一年期為一個周期，采用多期地理國情監測數據分析。（1）時間序列分析：收集過去5年的地理國情監測數據，對河流長度、平均流量、水質等級等指標進行時間序列分析，了解水環境的變化趨勢。（2）空間分布分析：利用GIS軟件，將各監測點的水質監測數據進行空間插值，得到整個A區的水質空間分布圖，從而識別出水質較差的區域和潛在的污染源。（3）變化監測：對比不同年份的地理國情監測數據，分析河流長度、流域面積等指標的變化情況，以及這些變化對水質的影響。

2.2測試結果與分析

在上述基礎上，本文以水體污染面積占比作為具體的指標，分別統計了不同方法的檢測結果與人工檢測結果之間的關系，得到數據結果如圖2所示。

分析圖2，在3種不同監測方法下，對于測試水環境水體污染面積占比的監測結果與實際人工檢測結果之間的誤差存在較為明顯差異。在本文設計監測方法下，輸出水體污染面積占比與人工檢測結果之間的誤差始終低于0.03%，具有較高的可靠性和準確性。結合上述的分析結果可以得出結論，本文設計的城市內水環境監測方法具有良好的實際應用價值，能夠實現對水環境狀態的精準監測。

3結語

由于環境監測中心規定的監測頻率可能較低，導致在2次監測期間，若出現水質超標或其他突發情況，環保部門可能無法及時獲取信息并做出響應。為此，本文提出地理國情監測數據驅動的城市內水環境監測方法，實現了對水環境狀態的連續有效監測，對于水環境管控具有良好的輔助作用。在之后的研究中，可以進一步深化對于地理國情監測數據維度的分析，從更加全面的角度對水環境的狀態進行綜合監測，保障監測結果能夠更加全面地反饋水環境的實際情況。

參考文獻

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