利用主成分分析法提取水体信息

基于主成分分析及聚类分析的太湖水质评价应用与解析摘要本文利用SPSS软件，将主成分分析运用于部分年份太湖水质的评价分析，并用k均值聚类及分层聚类的方法对分析结果进行了佐证。

本文在此仅作为样本间的优劣比较和定性分析，并据此解析其变化趋势。

关键词主成分分析；聚类分析；SPSS；太湖水质在研究复杂的实际问题时，往往需要对影响事物的多个变量进行大量的观测，这样的研究方法在提供丰富信息的同时，其许多变量间都存在相关性，因而统计数据反映的信息在一定程度上有重叠。

利用主成分分析可以很好的解决这一问题。

主成分分析和聚类分析在各领域都有广泛的应用，利用SPSS软件进行数据处理后即可得到建模参数，计算后一般可获得比较清晰且可信的分析结果。

本文仅以2000年后太湖水质评价分析为例，说明主成分分析在实际问题中的运用，此外，利用聚类分析为主成分分析的结果提供参考和佐证。

1 原理1.1 主成分分析主成分分析可以通过变量变换的方法将众多线性相关的指标转换为少数线性无关的指标，在保证信息比较完整的情况下实现对数据的降维，便于进行评价分析。

1.2 聚类分析聚类分析一般用样本或变量间的空间距离和相似系数，来描述差异的大小，进而归类。

基本原则就是使类内部差异最小的同时类间差异尽量大。

常用的聚类算法有k均值聚类和分层聚类，后者又可分为R聚类（对变量进行聚类）和Q聚类（对样本进行聚类）。

以上分析多可以借助SPSS软件进行。

2 实证分析水质监测指标包括了水温（WT）、水深、透明度（SD）、高锰酸盐指标（CODMn）、溶解氧（DO）、总氮（TN）、硝态氮（NO3-N）、总磷（TP）、化学耗氧量（CODcr）、水中氨氮含量指标（NH3-N）、五日生化需氧量（BOD5）以及重金属等。

根据前人的论文研究，在上述指标中选取了水质分析比较重要的六类指标作为本文的分析数据。

注：数据引自于太湖水资源保护局2000-2005《太湖流域及东南诸河地区省界水体水资源质量状况通报》2.1 主成分分析2.1.1 数据处理将表1数据经过标准化处理，利用得到的系数矩阵可以求解出协方差矩阵，进而求得特征值及特征向量。

污水处理厂进水数据特征识别与案例分析污水处理厂进水数据特征识别与案例分析一、引言污水处理是现代城市建设中不可或缺的环境保护工作之一。

在污水处理过程中，对进水特征进行准确的识别与分析，能够提供重要依据和指导，使得处理工作更加高效和可靠。

本文通过对污水处理厂进水数据的特征识别与案例分析，探讨如何有效地提取出污水处理厂进水的特征，并利用实际案例进行分析。

二、污水处理厂进水数据特征识别方法1. 数据采集与准备为了进行进水数据特征识别，首先需要对污水处理厂的进水数据进行采集和准备。

常见的数据采集方式包括传感器实时监测、历史数据收集等。

采集到的数据要经过初步处理，如去除异常值、缺失值填充等，以保证数据质量的可靠性。

2. 数据特征提取在进水数据中，包含了许多可用于识别与分析的特征。

常见的特征包括水量、浓度、水质等，这些特征对于判断水体的污染程度以及对应的处理方法具有重要意义。

通过统计方法和数学模型，可以对进水数据进行特征提取，提取出有代表性的特征指标。

3. 特征分类与识别在进行特征分类与识别时，需要根据实际情况选择合适的分类方法和识别模型。

常见的方法包括主成分分析、聚类分析、支持向量机等。

根据不同的研究目的和需求，可以选择合适的方法进行特征分类和识别，进而获得对进水数据特征的清晰认知。

三、案例分析以某污水处理厂的进水数据为例，进行特征识别与分析。

1. 数据采集与准备通过在污水处理厂设置的传感器，获取了进水数据，包括水量、COD浓度、氨氮浓度等。

经过初步处理，得到一份完整可用的进水数据。

2. 数据特征提取以水量、COD浓度、氨氮浓度等指标为例，对进水数据进行特征提取。

分别计算平均值、方差、峰度等统计指标，得到每个指标的特征值。

3. 特征分类与识别采用主成分分析方法对特征进行分类与识别。

通过计算特征矩阵的协方差矩阵、特征值和特征向量，得到主成分分析的结果。

根据主成分分析结果，确定不同特征所代表的含义和权重，进而进行特征分类与识别。

常用水环境质量评价方法分析（白云鹏陈永健）陈永健的个人资料水环境质量评价，就是通过一定的数理方法与手段，对某一水环境区域进行环境要素分析，对其作出定量描述通过水环境质量评价，摸清区域水环境质量发展趋势及其变化规律，为区域环境系统的污染控制规划及区域环境系统工程方案的制定提供依据。

1．指数评价法指数评价法可分为单因子污染指数法和水质综合污染指数法，单因子污染指数表示单项污染物对水质污染影响的程度，水质综合污染指数表示多项污染物对水质综合污染的影响程度。

1．1单因子污染指数法单因子污染指数法是将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较以确定水质类别的方法。

即将每个水质监测参数与《国家地面水环境质量标准》(GB3838—2002)进行比较，确定水质类别，最后选择其中最差级别作为该区域的水质状况类别。

1．2水质综合污染指数法水质综合污染指数法是指在求出各个单一因子污染指数的基础上，再经过数学运算得到一个水质综合污染指数，据此评价水质，并对水质进行分类的方法。

对分指数的处理不同，决定了指数法的不同形式，有诸如简单迭加型指数、算术平均型指数、加权平均型指数、罗斯水质指数、内梅罗指数、黄浦江污染指数、豪顿水质指数等。

单因子污染指数只能代表一种污染物对水质污染的程度，不能反映水质整体污染程度；综合污染指数法是对整体水质做出的定量描述，这样的评价结果只能定性地说明污染程度是轻、严重还是非常严重，不能确定其功能类别为几类。

但是，只要项目、标准、监测结果可靠，综合评价在总体上是可以基本反映水体污染性质与程度的，而且便于同一水体在时间上、空间上的基本污染状况和变化的比较，所以现在进行水质污染评价时常采用这种方法。

2．基于模糊理论的水环境评价法由于水体环境本身存在大量的不确定因素，各个项目的级别划分、标准确定都具有模糊性。

因此，模糊数学在水质综合评价中得到广泛应用。

具有代表性的方法有：模糊综合评判法、模糊概率法、模糊综合指数法等，其中应用较多的是模糊综合评判法，这种方法根据各污染物的超标情况进行加权，但污染物毒性与浓度不成简单的比例关系，因此，这种加权不一定符合实际情况。

废水有机污染综合指标分析与评价引言：在现代工业和农业发展的过程中，废水有机污染已成为一个严重的环境问题。

有机污染物的排放不仅影响水体生态环境，还对人类健康造成潜在的威胁。

因此，对废水有机污染的综合指标进行分析与评价是非常必要的。

一、废水有机污染的常见指标1.化学需氧量（COD）：COD是一个衡量废水中有机污染程度的指标。

它表示在强氧化剂存在下，废水中有机物氧化所需的氧气量。

2.生化需氧量（BOD）：BOD是评价废水中有机物可生物降解性的指标，表示生物在一定条件下对废水中有机物进行氧化分解所消耗的氧气量。

3.总有机碳（TOC）：TOC是测量废水中全部有机碳的指标，包括溶解性和非溶解性有机碳。

4.氨氮（NH3-N）：氨氮是来自于废水中氨的形式存在的氮，它主要源自于废水中的有机物的降解过程。

5.挥发性有机物（VOCs）：VOCs主要是指易挥发的有机化合物，它们通常是有机溶剂、燃料、涂料等物质中的成分。

二、综合指标分析方法1.聚合法：将多个指标按照一定的比例进行加权求和，得到一个综合指标。

加权的比例可以根据废水污染物的程度和对环境的影响程度来确定。

2.主成分分析法：主成分分析是一种用于降维和数据压缩的统计方法，通过找到数据中主要变量的组合来代替原始数据。

它可以将多个指标转化为少数几个相互独立的综合指标。

3.灰色关联度法：灰色关联度法是一种将多个指标之间的关联度进行比较的方法。

通过计算每个指标与其他指标之间的关联度，从而确定各个指标对综合评价的贡献程度。

三、综合指标评价方法1.标准对比法：将废水综合指标的数值与国家和地方的相关标准进行对比，从而评价废水有机污染的程度。

2.等级划分法：根据废水综合指标的数值，将其分为不同的等级，如优、良、中、差等，以评价废水有机污染的严重程度。

3.相对评价法：将废水的综合指标与参照物进行对比，这个参照物可以是同一工业行业的其他企业的废水排放情况，也可以是同一水域以前的监测数据。

水体提取方法简单归纳总结一、基于MODIS影像的几种提取方法。

最常用的水体提取方法：波段阈值法、谱间关系法（波段组合法）和多光谱混合分析法单波段阈值法是提取水体的最简单易行的方法。

基本原理：是利用水体在近红外波段上反射率较低,易与其它地物区分的特点,选取单一的红外波段, 通过反复试验, 确定一个灰度值,作为区分水体与其它地物的阈值即可。

缺点：是无法将水体与山区阴影区分开来,提取的水体往往比实际要多。

有些文献中叙述由于阀值随时间、地点变化的不确定性使得该方法具有局限性,但对于非山区的特定时相和区域里,尤其像MODIS 这样高光谱的遥感数据, 首先应选用阈值法进行试验,因为光谱的细分已经将上述问题大大减弱。

若能获得较满意的提取效果,则很容易实现水体的自动提取。

对于用阈值法确实得不到理想效果的,则可以考虑谱间关系法和多光谱混合分析法。

利用谱间关系可建立的模型很多,如对波段进行如下组合运算CH7/CH6 ,CH7/CH5, CH6/CH5, 从而找出组合图像上水陆分界非常明显的影像。

以CH7/CH6为例,可以采用如下方法剔除非水体: 在ENVI 软件下输入CH7 及CH6 波段, 运用波段计算功能,将公式CH7/CH6输入,载入影像, 在放大窗口中,手工裁取明水水域范围, 生成多边形,对各多边形赋予一个感兴趣区( AOI) 文件, 并将其输出为EN-VI 等矢量文件即可。

对波段进行组合运算的目的,是为了增强水陆反差。

MODIS 数据的波段 1 是红光区( 0. 62 ～0.67um) ,水体的反射率高于植被, 波段2 是近红外区( 0. 841 ～0. 876um) ,植被的反射率明显高于水体,因此, 采用归一化植被指数NDVI( Normalized Difference Vegetation Index) 来进行处理可以增强水陆反差,其计算公式为:DNVI= (CH2- CH1)/(CH2+ CH1) ( 1)( 1) 式中CH1 ,CH2 分别为MODIS 数据波段1,2 的地表反射率。

浙江省水资源承载力的主成分分析浙江省水资源承载力是指在一定时空范围内，水资源供需之间的平衡状态。

水资源承载力的大小直接关系到地区水资源的合理利用和可持续发展。

针对浙江省水资源承载力的主成分分析，可以帮助我们更好地了解水资源的分布情况、利用状况和未来发展趋势，为合理配置水资源提供科学依据。

一、浙江省水资源承载力概述浙江省地处中国东南沿海地区，拥有丰富的水资源，包括江河湖泊水和地下水等。

随着人口增加、经济发展和城市化进程加快，水资源的供需矛盾日益加剧，严重影响了地区的可持续发展。

分析浙江省水资源承载力的主成分，有助于找出瓶颈因素，指导水资源的可持续利用。

1. 水资源总量水资源总量是衡量水资源承载力的重要指标之一。

浙江省地处长江三角洲经济区，水资源总量较为丰富，主要分布在各地的江河湖泊和地下水中。

地下水资源较为丰富，但受地质构造和人类开采等因素影响很大，容易受到污染和过度开采。

如何合理利用和保护地下水资源成为浙江省水资源管理的重要课题之一。

2. 水资源利用效率水资源利用效率是指单位面积的水资源输入能够产生多少产值或满足多少人口用水需求。

评价水资源利用效率的主要指标有灌溉水利用率、工业用水利用率、生活用水利用率等。

在浙江省，由于高效节水灌溉技术的推广，农业用水效率得到了明显提升。

工业和生活用水的节水意识也在逐渐增强，这些都对提高水资源利用效率起到了积极作用。

3. 水资源供需平衡水资源供需平衡是浙江省水资源承载力的核心内容之一，也是制约地区水资源可持续发展的重要因素。

随着人口增长和经济发展，浙江省面临着水资源供需矛盾的挑战。

建立健全的水资源调度和管理机制，提高水资源利用效率，扩大水资源利用规模，是解决水资源供需矛盾的关键。

4. 水资源污染状况水资源污染是地区水资源承载力的重要影响因素之一。

浙江省作为经济发达地区，面临着水资源污染严重的问题，主要包括工业废水、生活污水和农业面源污染等。

水质恶化不仅对生态环境造成直接威胁，也严重影响了农业生产和人民生活用水。

景观水水质评价是指评估景观水体（如湖泊、河流和湿地）的质量，以帮助政府、社区和其他利益相关者确定管理策略，改善景观水体质量。

在这些评估方法中，主成分分析（PCA）和熵值法（EV）是一种有效的技术，可以评估和管理景观水资源。

首先，PCA可以用来对水质数据进行多变量分析。

这种方法可以使用多种化学和物理参数，如溶解氧、氨氮、总磷和 pH，来分析水体的质量状况。

通过将这些参数的数据可视化，可以显示出它们在多变量空间中的关系。

这样可以更快地找出分离或相关性高的重要变量，从而更容易确定反映水体质量特征的重要参数。

其次，EV可以用来评估水体质量状况，是一个优秀的工具来识别不同水质组合，并对其进行类别划分，用于建立水质评价模式。

熵值法采用水质参数和水体质量分类，将水体分成几个分类，根据其熵值的大小，可以进一步判断质量的好坏程度，并可用于评估湖泊、河流和湿地的水质水平。

因此，PCA和EV是研究景观水质评价的有力工具，它们可以帮助政府、社区和其他利益相关者根据水质评价结果制定有效的治理措施，从而保护景观水资源，促进环境可持续发展，改善景观水质。

水体样本提取的方法水体样本提取的方法手提（细菌细胞直径约0.5um，长度约0.5~5um）将300-500ml水样通过0.45um或者0.22um的滤膜如果水样中不可溶解的颗粒较多，需要使用2-5um孔径的滤膜将不可溶解的颗粒杂质滤去，滤膜孔径大于水体微生物细胞直径。

用于水体微生物富集的滤膜的选择：常用的滤膜孔径大小有45mm和22mm两种，孔径太小滤膜容易阻塞，45mm的孔径大小透水性较好，提样的时候可根据客户的需要，选择45mm或22mm孔径的滤膜。

滤膜材质有很多种，常用的三种为聚苯醚砜滤膜、混合纤维素酯薄膜、氧化铝薄膜。

聚苯醚砜滤膜（Polyethersulfone）：最结实的滤膜之一，可以过滤比其它滤膜更多的水样。

使用真空泵可快速抽干，易于折叠不易撕破。

能抵受真空泵长时间高压力的滤过。

若需要过滤大量低微生物含量的清亮水样，0.22mm滤膜的更合适。

在提取核酸时，得率可与PowerWater? DNA 和RNA Isolation Kits中自带的混合纤维素酯滤膜相媲美。

混合纤维素酯滤膜（膜醋酸纤维素、硝酸纤维素）: 0.45μm孔径最合适材质。

如果水样浑浊，使用0.22μm滤膜过滤缓慢容易堵塞时，建议使用0.45μm孔径的滤膜。

纤维素滤膜吸水性强，不好处理。

有文献显示杀虫剂和除草剂很容易吸附到纤维素滤膜上。

若样品含有杀虫剂和除草剂，最好避免使用这类滤膜。

聚碳酸酯滤膜（Polycarbonate）: 这种滤膜很薄且容易起褶皱，所以不太好用。

通常用0.45μm孔径的滤膜来预防过滤时发生阻塞。

不像聚醚砜膜（PES）和混纤膜（MCE），水样中微生物会停留在滤膜表面。

使得滤膜很容易阻塞，本该滤过的小颗粒也会截留下来。

实验证明，珠磨研磨破碎强度越小，获得DNA分子量越大。

如果样品只是用来做PCR，可以采用强力的研磨方法提高得率，暂时忽略片段破碎。

样品富集之后按照以下方法进行提取：1. 滤膜剪碎，溶于500ul水中，液氮反复冻融（或用超低温冰箱）（从-70℃拿出来后在65℃水中冻融，小心操作，防止管子炸裂）【裂解细胞】2. 将水样于13000rpm下离心，10min，收集沉淀3. 沉淀溶于100ul 1×TE，重悬4. 加入30ul溶菌酶（工作浓度50mg/ml）37℃1h5. 加入500ul SDS（10%），及10ul蛋白酶K（20mg/ml），37℃过夜6. 加入200ul 5mol/l 氯化钠7. 加入预热至65℃的 CTAB/NaCl 100ul，65℃ 1h8. 加入等体积酚氯仿 13000rpm 10min，两次，将上清移至新管9. 加入等体积异丙醇 -20℃防止1h，13000rpm 30min10. 70%乙醇清洗一次，自然晾干溶于30ul无菌水中试剂盒MOBIO PowerSoil? DNA Isolation KitFastDNA? Spin Kit for Soil（MP bio土壤基因组DNA提取试剂盒）。