无线传感器网络连续监测湿地水质异常数据的检测与处理-以西溪湿地为例

无线传感器网络连续监测湿地水质异常数据的检测与处理——以西溪湿地为例陈平林1,2，蒋锦刚1,2，刘婷1,2*(1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江杭州310036；2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州310036)摘要：为了保证无线传感网水质连续观测数据的有效性，针对数据序列中存在的异常数据问题，提出了基于差分分析的数据分段处理方法。该方法在连续观测数据一阶、二阶差分平稳性特征的基础上，利用差分序列分段统计参数进行质量控制。该方法主要针对全局差分统计质量控制的缺点，根据不同时间段的数据特征，进行有效的数据异常信息检测与质量控制。选取西溪湿地水质指标叶绿素a和蓝藻的监测数据进行分析验证，结果表明，文中提出的方法能对异常数据进行有效地检测和处理。关键词：无线传感器网络；连续观测数据；质量控制；差分；西溪湿地中图分类号：X832文献标识码：A文章编号：1672-5948(2014)05-618-06水环境状况是湿地生态环境健康最重要的影响因子[1,2]，湿地水环境影响着湿地生态系统的理化性质、维持生态系统的能量循环，并能调节湿地的植被群落结构和特征及下垫面性质[3]。湿地水体监测是保护水资源环境的重要手段，通过湿地水体监测能及时了解湿地水质改善状况，有效保护湿地环境并恢复重建生态功能[4,5]。传统的水质监测方法主要是人工采样分析法，可以获得较高精度的数据，但是由于人力和物力等条件的限制，监测工作仅限于方便采样的地点，监测频率较少，间隔时间长，无法及时监测水污染的情况[6]。无线传感器网络是面向应用的系统，被认为是近年来最具影响力的技术之一。在环境监测领域，无线传感器网络的研究越来越多，包括室内环境监测、对动植物的生长和活动环境的监测、检测土壤保证农作物质量以及泥石流和洪水监测等[7]。针对湿地水域面积较小、水域数量较多和水环境复杂的特点，将无线传感网应用到湿地水质监测上逐渐成为研究的热点。它具有系统成本低，监测点分布范围广，对湿地生态环境影响小等特点。无线传感器网络监测也存在一定的缺点，高频连续的监测获得的大量数据往往具有一定的误差，还有可能出现异常值，为了得到更可靠的数据分析结果，需要研究合适的异常数据处理方法。目前常用的异常数据处理方法包括极值法、一致性检验、3δ检验法和相关性检验等。本研究在差分分析的基础上，针对监测数据的特点，提出了利用数据序列的变化特点进行分段处理，改进了差分相关的异常数据检测与处理方法。以西溪湿地水体叶绿素a和蓝藻为例进行试验分析，结果表明该方法对于离异点的检测和处理非常有效，可以为传感网连续监测数据的异常信息检测与处理提供参考。1材料与方法1.1研究区西溪湿地位于杭州市西部，是中国乃至世界上为数不多的典型城市湿地[8]。西溪湿地公园是国内第一个也是唯一一个集城市湿地、农耕湿地和文化湿地于一体的国家湿地公园[9]，是杭州陆地生态系统的重要组成部分，也是杭州城区唯一保护较好的河流湿地[10,11]。收稿日期：2013-11-20；修订日期：2014-08-18基金项目：浙江省重点科技创新团队项目(2010R50039和2012R10039-15)、国家自然科学基金项目(41101371和41101039)和大学生创新创业孵化项目(2012R421061)资助。作者简介：陈平林(1989-)，女，山东省济宁人，硕士研究生，研究方向为湿地无线传感器网络水质监测。E-mail:doitmakeit@163.com*通讯作者：刘婷，讲师。E-mail:yats521@163.com第12卷第5期湿地科学Vol.12No.52014年10月WETLANDSCIENCEOctober2014DOI:10.13248/j.cnki.wetlandsci.2014.05.012西溪湿地位处亚热带季风气候区北缘，季节交替规律明显，夏季多偏南风，冬季多偏北风，光照充足，雨量充沛，动植物资源丰富，具有调节城市小气候、保护城市生物多样性等重要的生态功能，它还具有为人类提供观光休闲和生态体验的重要社会功能[12]。西溪水网属于运河水系，地域内主要河流由西向东为西溪、严家港，由南向北为五常港、蒋村港、紫金港，这些河流最终向北均汇入余杭塘河，区内河流密布，池塘众多，水面覆盖率高达50%[4]。西溪湿地土壤以水稻土类、脱潜水稻土Ⅱ类青紫泥田土属和潮土类、潮土类堆叠土属为主[13]。1.2数据本研究数据采用布设于西溪湿地区域的水质监测无线传感网络数据，实验的测量项目、测量仪器及仪器测量准确度、采样的频率和采样地点等见表1。采集到的数据通过GPRS无线通讯方式实时传递到数据监控中心并入库。表1数据采集的基本信息Table1Basicinformationofdataacquisition测量项目叶绿素a蓝藻仪器micr