数据缺失条件下基于主导因子的条斑紫菜生长趋势预测方法研究

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条斑紫菜(Pyropia/Porphyra yezoensis)具有极高的营养价值、经济价值以及环境价值,是我国很重要的一种大型栽培海藻。但是其培育过程中还是存在着很多的问题,比如一些缺苗、烂苗以及生长环境变化带来的产量减少都时常发生,因此研究条斑紫菜生长情况的预测方法就十分必要,这有助于预测紫菜的生长趋势以提高紫菜产量。目前,条斑紫菜以及相关观测数据缺失间断极其严重,与此同时,紫菜的生长过程复杂并且受到各个环境因子不同程度且贯穿始终的影响,这些都给条斑紫菜的生长趋势预测研究造成一系列困难。本文通过分析整个生长阶段条斑紫菜及影响因子的情况,以达到解决条斑紫菜生长趋势预测问题的目的。依据实际获得但是间断缺失严重的环境因子数据与紫菜面积数据,根据其数据特征分别采用不同的数据填补方法。考虑到环境因子数据具有较强空间性的特点,提出克里金-三次样条插值法并完成数据填补。考虑到各个环境因子不同程度地影响紫菜面积数据,提出基于支持向量回归(SVR)的分段插值法并完成面积数据填补。建立支持向量机(SVM)权重模型计算得到紫菜生长过程各个影响因子的动态权重变化,给出影响紫菜生长的主导因子。结合填补得到的完整紫菜面积数据,对比分析主导因子的权重交点和紫菜整个阶段,归纳总结主导因子的变化规律,给出基于主导因子的条斑紫菜的生长趋势预测方法。为条斑紫菜培育提供更具实践意义的借鉴与指导方法,也为研究其他培育问题和海洋相关问题提供了一种新的思路与方法。总结主要的研究方法与结果如下:(1)结合紫菜生长是受到各个环境因子的影响这一事实,分析紫菜生长机制,对其生长过程中的各个阶段与对其生长有影响的环境因子进行论述总结,最终得到影响紫菜生长的环境因子包括酸碱度(PH)、化学需氧量(COD)、溶解氧(DO)、水深(D)、水温(T)、盐度(SAL),为紫菜生长趋势预测模型的建立提供了实验基础。(2)针对获得的环境因子缺失零散严重,间断且缺乏规律的情况,结合其空间性的特点,提出克里金-三次样条插值法并完成数据填补,恢复其时间上的连续性。并对插值结果进行验证,得到相对误差范围为0-12.5%,说明克里金-三次样条插值模型恢复的环境因子数据是可靠的,其对于缺失严重且具有空间特征的数据恢复有较高的精度。(3)针对紫菜面积数据缺失间断严重,并且受到各个环境因子不同程度并且持久的影响,采用了SVR分段插值模型恢复了紫菜面积的完整性。与未分段SVR插值模型结果对比表明SVR分段插值模型结果更符合紫菜的生长特性,说明该插值算法更具实践指导意义。(4)针对紫菜的生长过程复杂并且与诸多环境因子相关,采用了SVM动态权重分析法,计算得到生长过程中各个因子的动态权重变化序列,得到(酸碱度权重)WPH、(化学需氧量权重)WCOD、(溶解氧权重)WDO、(水深权重)WD、(水温权重)WT、(盐度权重)WSAL。对比分析得到以下结论:盐度、深度和PH的权重在整个生长过程中相对其他因子较大且都曾作为最大权重出现,是在培育过程中需要优先监控的主导因子。(5)结合主导因子的权重交点和紫菜整个生长阶段,得出权重交点具备了阶段节点的结论,并在此基础上归纳盐度、深度和PH三个主导因子在各阶段变化规律,给出基于主导因子的条斑紫菜生长趋势预测方法:在快速增长期,盐度与深度的比值为0-6,深度与PH的比值为0-1;在平稳期,盐度与深度的比值为5-8,深度与PH的比值为1-2;在消亡期,盐度与深度的比值为0-5,深度与PH的比值为0-1。为紫菜生长趋势预测提供了一种值得借鉴参考的方法。(6)结合条斑紫菜以及相关观测数据缺失间断严重,紫菜的生长过程复杂并且与环境因子有着复杂非线性的关系的情况,完成基于数据填补和主导因子分析的紫菜生长趋势预测系统的设计和建立,为其他的海洋问题和培育问题提供了新的借鉴方法。
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