1.一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,包括地势模型构建模块、水流历史数据收集模块、环境监测点设置模块、排放点位训练数据收集模块、排放点位预测模型生成模块以及污染源定位模块;其中,各个模块之间电性连接;
地势模型构建模块,用于预先收集乡村地理数据,并基于乡村地理数据构建数字高程模型,并将数字高程模型发送至水流历史数据收集模块;
水流历史数据收集模块,用于基于数字高程模型,获得所有水质监测水体;基于水质监测水体,使用水流收集装置对水量进行测量,以收集历史降雨后的水流历史数据,并将水流历史数据发送至环境监测点设置模块;
环境监测点设置模块,用于基于水流历史数据,在水质监测水体边缘选择环境监测点进行水质监测,并将所有水质监测水体对应的环境监测点的位置发送至排放点位训练数据收集模块;
排放点位训练数据收集模块,用于预先对乡村中的污染源区域进行单位监测区域划分,并基于单位监测区域和环境监测点,收集排放点训练数据,并将排放点训练数据发送至排放点位预测模型生成模块;
排放点位预测模型生成模块,用于基于排放点训练数据训练出预测污水排放点位置的贝叶斯网络模型,并将贝叶斯网络模型发送至污染源定位模块;
污染源定位模块,用于实时接收每个环境监测点处的水体水质监测仪收集的水质数据,并基于水质数据和贝叶斯网络模型,输出对污染源的预测定位;
所述在水质监测水体边缘选择环境监测点进行水质监测的方式为:将水质监测水体的编号标记为i,将第i个水质监测水体对应的水流收集装置的编号标记为iz;其中,iz=1,2,3...IZ;其中,IZ为第i个水质监测水体对应的水流收集装置的数量;
将收集的每次降雨的编号标记为r,将第r次降雨时,第iz个水流收集装置收集的水量标记为Lriz;
对于第r次降雨时,第i个水质监测水体的每个水流收集装置的水量进行归一化;
计算第iz个水流收集装置在r次降雨中的平均水量LAriz;对于第i个水质监测水体,将其对应的所有水流收集装置按平均水量从大到小进行排序;
预设监测点比例 ;对于第i个水质监测水体,从排序后的水流收集装置中选择前个水流收集装置所在的位置作为环境监测点;
在每个环境监测点的位置安装一台水体水质监测仪。
2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述预先收集乡村地理数据的方式为:使用遥感技术收集构建数字高程模型所需要的地理特征数据作为乡村地理数据;
所述地理特征数据包括乡村的高程数据;
所述基于乡村地理数据构建数字高程模型包括:
将离散的高程数据经过插值法转化为连续的表面模型;
通过插值后的表面模型,生成数字高程模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述获得所有水质监测水体包括:收集乡村中的所有水体位置和范围;
收集乡村中具有排放污水可能性的污染源区域集合;
对于每片水体,若满足地势流向条件,则将该水体作为水质监测水体。
4.根据权利要求3所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述使用水流收集装置对水量进行测量,以收集历史降雨后的水流历史数据包括:在每片水质监测水体的邻接污染源区域的边缘线上,每隔预设的采集距离设置一个水流收集装置;
在每次降雨后预设的采集时长后,收集每个水流收集装置内的水量;
所述水流历史数据包括每次降雨后,收集的每片水质监测水体对应的所有水流收集装置内的水量。
5.根据权利要求4所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述基于单位监测区域,收集排放点训练数据包括:将每个污染源区域中的单位监测区域进行编号;
进行N1次水流排放实验;
在每次所述水流排放实验中,任意选择N2个污染源区域中的N3个单位监测区域作为测试污染源;其中,N1、N2以及N3分别为选择的水流排放实验次数、污染源区域数量以及单位监测区域的数量;
在每个选择的单位监测区域处排放大于排放量阈值的无污染水源,并在排放后统计所有环境监测点位置的水流收集装置所收集的水量;
所述排放点训练数据包括每次水流排放实验中,选择的测试污染源以及所有水流收集装置收集的水量。
6.根据权利要求5所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述训练出预测污水排放点位置的贝叶斯网络模型的方式为:构造贝叶斯网络结构;
将排放点训练数据转化为模型训练数据;
基于模型训练数据,训练贝叶斯网络模型。
7.根据权利要求6所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述构造贝叶斯网络结构的方式为:构造层数为3层的贝叶斯网络模型;
将第一层的节点数量设置为所有水质监测水体的数量;第一层中每个节点对应一片水质监测水体;
将第二层的节点数量设置为所有环境监测点的数量;第二层中的每个节点对应一个环境监测点;
将第三层节点数量设置为所有单位监测区域的数量;第三层中的每个节点对应一个单位监测区域;
对于第一层中每个节点,从第二层节点中获取所有第一指向节点;所述第一指向节点为该第二层节点对应的环境监测点属于第一层节点对应的水质监测水体,第一层中每个节点具有一条有向边指向任意一条所述第一指向节点;
对于第二层中每个节点,从第三层中获取所有第二指向节点,所述第二指向节点为:与第二层节点之间存在流向关系的第三层节点;第二层中每个节点具有一条有向边指向任意一条所述第二指向节点;所述存在流向关系是指第三层节点对应的污染源区域的地势高于第二层节点对应的环境监测点的地势。
8.根据权利要求7所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述将排放点训练数据转化为模型训练数据的方式为:对于排放点训练数据中的每次水流排放实验:
将所有水流收集装置收集的水量进行归一化操作后作为训练水量;
对于每个污染源区域,设置第一污染标签;若该污染源区域内存在任意一个水流收集装置的训练水量大于预设的污染比值阈值,则将该污染源区域对应的第一污染标签标记为
1;否则,将该污染源区域对应的第一污染标签标记为0;将所有污染源区域的第一污染标签组合为第一层输入向量;
将所有环境监测点对应的水流收集装置的训练水量组合为第二层输入向量;
对于每个单位监测区域,设置第二污染标签;所述第二污染标签的取值范围为[0,1];
若该单位监测区域为测试污染源,则将该单位监测区域对应的第二污染标签设置为1;否则,将该单位监测区域对应的第二污染标签设置为0;将所有单位监测区域的第二污染标签组合为第三层预测向量;
所述模型训练数据包括所有第一层输入向量、第二层输入向量和第三层预测向量。
9.根据权利要求8所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述基于模型训练数据,训练贝叶斯网络模型的方式为:将每组第一层输入向量和第二层输入向量分别作为贝叶斯网络模型的第一层和第二层的输入,将对每个第三层节点的预测的第二污染标签作为贝叶斯网络模型的输出,以第三层预测向量作为贝叶斯网络模型的预测输出;以最小化贝叶斯网络模型的预测误差之和作为预测目标;对贝叶斯网络模型进行训练,直至预测误差之和达到收敛时停止训练。
10.根据权利要求9所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统,其特征在于,所述输出对污染源的预测定位包括:步骤S11:对于任意一种污染物,若在所有水体水质监测仪中,存在任意一台水体水质监测仪收集的水质数据中该污染物的浓度超过预设的污染浓度阈值,则转至步骤12;
步骤S12:将所有水质数据中该污染物的浓度进行归一化后作为输入浓度;
步骤S13:基于污染比值阈值,收集每个污染源区域对应的第一污染标签,并将所有第一污染标签组成第一层输入向量;
步骤S14:将所有环境监测点对应的水质数据中,该污染物的输入浓度组成第二层输入向量;
步骤S15:将第一层输入向量和第二层输入向量输入至贝叶斯网络模型中,获得贝叶斯网络模型输出的第三层预测向量;
步骤S16:将第三层预测向量中的每个第二污染标签按从大到小的顺序进行排序。
11.一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测方法,其基于权利要求1‑10中任意一项所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测系统实现,其特征在于,包括以下步骤:预先收集乡村地理数据,并基于乡村地理数据构建数字高程模型;
基于数字高程模型,获得所有水质监测水体;基于水质监测水体,使用水流收集装置对水量进行测量,以收集历史降雨后的水流历史数据;
基于水流历史数据,在水体边缘选择环境监测点进行水质监测;
预先对乡村中的污染源区域进行单位监测区域划分,并基于单位监测区域,收集排放点训练数据;
基于排放点训练数据训练出预测污水排放点位置的贝叶斯网络模型;
实时接收每个环境监测点处的水体水质监测仪收集的水质数据,并基于水质数据和贝叶斯网络模型,输出对污染源的预测定位;
所述在水质监测水体边缘选择环境监测点进行水质监测的方式为:将水质监测水体的编号标记为i,将第i个水质监测水体对应的水流收集装置的编号标记为iz;其中,iz=1,2,3...IZ;其中,IZ为第i个水质监测水体对应的水流收集装置的数量;
将收集的每次降雨的编号标记为r,将第r次降雨时,第iz个水流收集装置收集的水量标记为Lriz;
对于第r次降雨时,第i个水质监测水体的每个水流收集装置的水量进行归一化;
计算第iz个水流收集装置在r次降雨中的平均水量LAriz;对于第i个水质监测水体,将其对应的所有水流收集装置按平均水量从大到小进行排序;
预设监测点比例 ;对于第i个水质监测水体,从排序后的水流收集装置中选择前个水流收集装置所在的位置作为环境监测点;
在每个环境监测点的位置安装一台水体水质监测仪。
12.一种电子设备,其特征在于,包括:处理器和存储器,其中:所述存储器中存储有可供处理器调用的计算机程序;
所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序,在后台中执行权利要求11所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测方法。
13.一种计算机可读存储介质,其特征在于,其上存储有可擦写的计算机程序;
当所述计算机程序在计算机设备上运行时,使得所述计算机设备在后台中执行权利要求11所述的一种基于大数据的智慧数字乡村环境监测方法。