基于主成分分析的BP神经网络在水华预测中的应用
Application of BP Neural Network Based on Principal Component Analysis in Algal Bloom Prediction
摘要: 随着淡水生态系统水体污染和富营养化进程的加剧,诱发了大面积水华,其不仅破坏生态系统,而且造成巨大的经济损失。因此,根据水体各个理化因子对水华的发生进行预测就显得尤为重要。首先根据池塘1~15周的数据,利用主成分分析法对影响浮游生物总量的13个理化因子进行主要影响因子分析,得到池塘水华发生的主要影响因子为:总氮、透明度、溶解氧、铵态氮、盐度、总磷,溶氧。其次,根据确定的7个主要理化因子作为BP神经网络的输入层,浮游生物量作为输出层来对水华发生进行预测。结果表明基于主成分分析的BP神经网络模型的预测结果与真实值的拟合系数高达0.9912。为此,本文的研究方法可有效地预测水华的发生。
Abstract: With the intensification of water pollution and eutrophication of freshwater ecosystems, large areas of algal bloom have been included, which not only destroy the ecosystems, but also cause huge economic losses. Therefore, it is very important to predict the occurrence of algal bloom according to the physical and chemical factors of water body. Firstly, according to the data of the pond for 1~15 weeks, the main influencing factors of 13 physical and chemical factors affecting the total plankton were analyzed based on principal component analysis (PCA). The main influencing factors of algal blooms were total nitrogen, transparency, dissolved oxygen, ammonium nitrogen, salinity, total phosphorus and dissolved oxygen. Secondly, according to the main seven physical and chemical factors identified as the input layer of BP neural network, the plankton biomass was used as the output layer to predict the occurrence of algal bloom. The results show that the fitting coefficient between the predicted result and the true value of the BP neural network model based on principal component analysis is as high as 0.9912. Therefore, the research method in this paper can effectively predict the occurrence of algal bloom.
文章引用:夏杰, 吴文青, 许海洋. 基于主成分分析的BP神经网络在水华预测中的应用[J]. 世界生态学, 2018, 7(2): 53-60. https://doi.org/10.12677/IJE.2018.72008

参考文献

[1] 窦明, 谢平, 夏军, 沈晓鲤, 方芳. 汉江水华问题研究[J]. 水科学进展, 2002, 13(5): 557-561
[2] 陈云峰, 殷福才, 陆根法. 水华爆发的突变模型——以巢湖为例[J]. 生态学报, 2006, 26(3): 878-883.
[3] 杜桂森, 王建厅, 张为华, 冯伶亲, 刘静. 官厅水库水体营养状况分析[J]. 湖泊科学, 2004, 16(3): 277-281.
[4] 全为民, 严力蛟, 虞左明, 焦荔. 湖泊富营养化模型研究进展[J]. 生物多样性, 2001, 9(2): 168-175.
[5] 郝启文, 王小艺, 许继平, 刘载文, 盛璐, 何多多. 湖库水质监测与水华预警信息系统[J]. 计算机工程, 2013, 39(1): 287-289+293.
[6] 孔繁翔, 马荣华, 高俊峰, 吴晓东. 太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践[J]. 湖泊科学, 2009, 21(3): 314-328.
[7] 仝玉华, 周洪亮, 黄浙丰, 张宏建. 一种自优化RBF神经网络的叶绿素a浓度时序预测模型[J]. 生态学报, 2011, 31(22): 6788-6795.
[8] 姚俊杨, 许继平, 王小艺, 黄振芳. 基于深度学习的湖库藻类水华预测研究[J]. 计算机与应用学, 2015, 32(10): 1265-1268.
[9] 李大刚, 王小艺, 刘载文, 许继平, 赵星, 戴军. 过程神经网络水华预测方法研究[J]. 计算机与应用化学, 2011, 28(2): 173-176.
[10] 桑慧茹, 王丽学, 陈韶明, 孙娟, 李司瑾. 基于主成分分析的RBF神经网络在需水预测中的应用[J]. 水电能源科学, 2017, 35(7): 58-61.
[11] 苏键, 陈军, 何洁. 主成分分析法及其应用[J]. 轻工科技, 2012, 28(9): 12-13+16.
[12] 万金保, 曾海燕, 朱邦辉. 主成分分析法在乐安河水质评价中的应用[J]. 中国给水排水, 2009, 25(16): 104-108.
[13] 任黎, 董增川, 李少华. 人工神经网络模型在太湖富营养化评价中的应用[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2004, 32(2): 147-150.