【CN109856357A】一种基于浮标在线监测数据的赤潮短期预警方法及用途【专利】

基于机器学习的浮标实时自动化赤潮预警研究浮标实时自动化赤潮预警是一项基于机器学习算法的重要研究课题。

赤潮是一种由海水中藻类过度繁殖导致的现象，其对海洋生态和水生生物造成了巨大的危害。

因此，能够准确且及时地预测赤潮的发生对于保护生态环境和维护水生生物的健康至关重要。

本文将探讨如何基于机器学习技术，通过浮标实时数据进行赤潮预警的研究。

1. 引言赤潮是一种常见的海洋生态灾害，其引发的水体富营养化和有毒产物会导致大量海洋生物死亡，并对水产品养殖业造成严重损失。

传统的赤潮预警方法主要依靠人工观测和解译，其准确性和时效性都存在局限性。

而机器学习技术能够通过对大量数据的学习和分析，快速、准确地预测赤潮的发生。

2. 赤潮浮标数据的采集与处理为了进行赤潮预警的研究，首先需要采集和处理赤潮浮标的实时数据。

浮标可以测量水体的各项指标，如温度、盐度、浊度等，并通过无线传输技术将数据发送到数据中心进行处理。

在数据处理过程中，可以利用机器学习算法对数据进行清洗、特征提取和降维等操作，以便更好地用于预测模型的构建。

3. 机器学习算法的选择与建模在利用浮标实时数据进行赤潮预警的研究中，选择合适的机器学习算法是非常重要的。

常用的算法包括支持向量机（SVM）、决策树（Decision Tree）、随机森林（Random Forest）等。

通过对比不同算法的性能指标和准确度，选择最适合的算法用于赤潮预警模型的建立。

4. 模型评估与优化建立机器学习模型后，需要进行模型的评估与优化，以提高预测准确度和稳定性。

常用的评估指标包括准确率、召回率、F1值等。

同时，可以通过调参和特征选择等方法对模型进行优化，以提高模型的预测性能。

5. 实时化赤潮预警系统的建立与应用在模型建立和优化完成后，可以基于机器学习算法搭建实时化赤潮预警系统。

该系统可以实时接收浮标的数据，并通过机器学习模型对赤潮发生的概率进行预测。

一旦发现赤潮可能发生，系统可以及时发送预警信息给相关部门和各个利益相关方，以便他们采取相应的措施，减少赤潮对生态环境和水生生物的影响。

赤潮的高光谱监测及预警方法曹文熙;卢桂新;杨跃忠;王桂芬;赵俊;周雯;李彩;孙兆华;梁少君;柯天存【期刊名称】《热带海洋学报》【年(卷),期】2010(029)002【摘要】有害赤潮发生频度有逐年增加的趋势, 建设赤潮的早期监测和预警系统是一个难点.文章研究表明, 珠江口赤潮前后, 叶绿素a浓度和细胞密度变化范围分别为0.9-31.1mg·m-3 和1.28×104 -1.76×106cell·L-1, 优势藻为聚生角毛藻; 高光谱辐射计获取的光漫射衰减系数、遥感反射率和荧光强度可反演叶绿素a浓度和细胞密度, 其中反演叶绿素a浓度的平均相对均方根差(RRMS)为30.6%、33.8%和77.4%, 而反演细胞密度的平均RRMS为83.6%、83.9%和136.4%.因高光谱辐射计可以获取每小时或者更短时间尺度的数据, 因此, 装备了高光谱辐射计的光学浮标可用于赤潮监测与预警系统.【总页数】8页(P17-24)【作者】曹文熙;卢桂新;杨跃忠;王桂芬;赵俊;周雯;李彩;孙兆华;梁少君;柯天存【作者单位】中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学实验室,广东,广州,510301【正文语种】中文【中图分类】P733.39【相关文献】1.连云港海州湾3S辅助的赤潮预警方法研究 [J], 陈骁;赵新生;贾炀2.遗传模块化神经网络的航空高光谱赤潮监测 [J], 孙洁;周立俭3.基于支持向量机的航空高光谱赤潮监测 [J], 孙洁;张宏磊4.深圳海域红色赤潮藻赤潮在线监测数据变化及其成因分析 [J], 马方方;郭翔宇;徐丽君;桓清柳5.高光谱融合马氏距离的贮藏黄瓜腐败预警方法 [J], 张棣;殷勇;于慧春;袁云霞;李欣因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

专利名称：一种新型的赤潮预警装置
专利类型：实用新型专利
发明人：彭保进,俞芳,袁佳丽,陈晨,张加洋,王怡丹申请号：CN201320887869.3
申请日：20131231
公开号：CN203658251U
公开日：
20140618
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种新型赤潮预警装置，它是由光电转换系统、运放电路系统、分析处理系统三大系统组成，光电转换系统包括430nm的LED，待测样品池，参考样品池，400-600nm的PIN管，所述待测样品池左端和右端为光路通道一，所述参考样品池左端和右端为光路通道二，所述LED安装在光路通道一和光路通道二左端，所述PIN管安装在光路通道一和光路通道二右端，所述放大电路系统包括差分运放放大电路，所述分析处理系统包括采集卡和计算机，所述PIN管、差分运放放大电路、采集卡和计算机依次相连接，本实用新型主要用于海洋赤潮的预警，为防治赤潮提供方便，还适用于淡水湖泊水华现象的预警。

申请人：浙江师范大学
地址：321004 浙江省金华市迎宾大道688号(浙江师范大学)
国籍：CN
代理机构：北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：汤东凤
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近岸海域自动监测浮标在赤潮预警中的应用及其缺陷
李天深;蓝文陆;卢印思;谢鑫
【期刊名称】《海洋预报》
【年(卷),期】2015(032)001
【摘要】利用位于广西北部湾的自动监测站,研究2012年2月薄壁几内亚藻以及2014年2月球形棕囊藻的赤潮自动监测数据变化的差异.结果表明,薄壁几内亚藻赤潮期间pH、溶解氧以及叶绿素出现同步的变化趋势,溶解氧以及叶绿素显著升高;球形棕囊藻的赤潮期间,pH、溶解氧以及叶绿素未发生明显变化,与棕囊藻自身生理生态习性有关.自动监测浮标在硅藻等高含叶绿素种类的赤潮中能够起到较好的监控和预警作用,但在微微型、混合营养及异养赤潮种类的赤潮预警应用方面仍有待进一步验证及研究.
【总页数】9页(P70-78)
【作者】李天深;蓝文陆;卢印思;谢鑫
【作者单位】广西壮族自治区海洋环境监测中心站,广西北海536000;广西壮族自治区海洋环境监测中心站,广西北海536000;广西壮族自治区海洋环境监测中心站,广西北海536000;广西壮族自治区海洋环境监测中心站,广西北海536000
【正文语种】中文
【中图分类】X55
【相关文献】
1.水质浮标在赤潮快速监测预警中的应用研究 [J], 李忠强;王传旭;卜志国;姜希波;曲亮
2.表观增氧量在近岸海域赤潮快速评价与预警中的应用 [J], 许昆灿;暨卫东;周秋麟;吴省三;陈宝红;蓝虹
3.遥感技术在近岸海域赤潮监测中的应用研究 [J], 梁静
4.水质监测浮标在广西近岸海域水质评价中的应用 [J], 刘保良; 陈旭阳; 魏春雷; 李斌
5.海上自动监测浮标在赤潮预警中的应用研究 [J], 孙标
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海洋在线监测浮标在赤潮监测中的应用研究陈旭阳;刘保良【期刊名称】《热带海洋学报》【年(卷),期】2018(037)005【摘要】利用布设在广西区钦州湾的GX11、GX13两套实时在线监测浮标,研究钦州湾2016年5月发生的红色赤潮藻(Akashiwo sanguinea)赤潮前后实时监测数据的变化情况.结果表明赤潮的暴发与消退受水文气象因素影响,当寒流过后,出现风速降低、气温迅速回升,尤其是气温呈现昼夜温差小的天气状况时,应重点监控实时在线浮标监测数据的变化.赤潮过程中pH、溶解氧浓度、叶绿素浓度存在明显的昼夜变化规律并高于正常范围,三种环境要素具有显著的正相关;当实时在线浮标监测中发现pH、溶解氧浓度、叶绿素浓度呈现较明显联动的强烈波动,并且数值相对正常范围迅速升高时,可进行赤潮预警及布置现场调查;pH、溶解氧浓度、叶绿素浓度的实时在线监测可作为预警环境要素,为赤潮预警提供科学参考.【总页数】5页(P20-24)【作者】陈旭阳;刘保良【作者单位】国家海洋局北海海洋环境监测中心站,广西北海 536000;国家海洋局北海海洋环境监测中心站,广西北海 536000【正文语种】中文【中图分类】P715.2;X853;P761.3【相关文献】1.水质浮标在赤潮快速监测预警中的应用研究 [J], 李忠强;王传旭;卜志国;姜希波;曲亮2.广西海洋水质水文浮标在线监测数据的应用与研究 [J], 李斌;刘保良;魏春雷3.基于水质浮标在线监测的米氏凯伦藻赤潮过程及环境因子变化特征分析 [J], 赵聪蛟; 刘希真; 付声景; 姚炜民; 周燕; 马骏4.海上自动监测浮标在赤潮预警中的应用研究 [J], 孙标5.基于海洋生态在线监测浮标数据的钦州湾藻华过程研究 [J], 李斌;刘保良;陈旭阳;凌琳;高劲松因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920881091.2(22)申请日 2019.06.12(73)专利权人 海南省海洋与渔业科学院地址 571126 海南省海口市美兰区白驹大道12号(72)发明人 吴瑞　(74)专利代理机构 重庆市信立达专利代理事务所(普通合伙) 50230代理人 包晓静(51)Int.Cl.G01N 33/18(2006.01)(54)实用新型名称一种赤潮监测预警系统(57)摘要本实用新型公开了一种赤潮监测预警系统，涉及海洋环境监测技术领域，其技术方案要点是：包括多个浮标本体和与多个浮标本体通讯连接的上位机，浮标本体包括漂浮体和安装架；漂浮体底端设有数据采集装置；数据采集装置包括采样装置和传感器装置；漂浮体底端设有驱动装置；漂浮体内部设有单片机；安装架顶端设有通讯天线，通讯天线与上位机通讯连接；安装架设有与单片机连接的GPS定位装置；漂浮体内部设有电源装置。

具有能够对目标水域的各个位置的水质中的盐度、pH值、温度、溶解氧和叶绿素含量进行实时监测，从而能够对目标水域各个位置的水质进行综合性的实时监测，从而能够提高对目标水域进行赤潮实时监测与预警的精准度的效果。

权利要求书1页 说明书6页 附图2页CN 210626458 U 2020.05.26C N 210626458U1.一种赤潮监测预警系统，包括多个浮标本体(1)和与多个浮标本体(1)通讯连接的上位机(2)，其特征是：所述浮标本体(1)包括漂浮体(27)和与漂浮体(27)顶端固定连接的安装架(3)；所述漂浮体(27)底端设有数据采集装置；所述数据采集装置包括采样装置(4)和用于监测目标水域水质中盐度、pH值、温度、溶解氧和叶绿素含量信息的传感器装置(5)；所述漂浮体(27)底端设有驱动装置(6)；所述漂浮体(27)内部设有可进行数据处理与分析的单片机(7)，所述单片机(7)与数据采集装置和驱动装置(6)连接；所述安装架(3)顶端设有与单片机(7)连接的通讯天线(8)，所述通讯天线(8)与上位机(2)通讯连接；所述安装架(3)设有与单片机(7)连接的GPS定位装置；所述漂浮体(27)内部设有电源装置(10)。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010313092.4(22)申请日 2020.04.20(71)申请人 宁波海洋研究院地址 315832 浙江省宁波市北仑区梅山七星南路358号(72)发明人 李璠　林忠洲　何从颖　蒙宽宏　(74)专利代理机构 北京久维律师事务所 11582代理人 杜权(51)Int.Cl.G08B 19/00(2006.01)G08B 31/00(2006.01)G08B 21/10(2006.01)G06Q 10/04(2012.01)G06N 3/08(2006.01)G06F 30/27(2020.01)G01N 33/18(2006.01)(54)发明名称一种基于浮标监测并联合机器学习进行科学预警方法(57)摘要本发明公开了一种基于浮标监测并联合机器学习进行科学预警方法，包括步骤如下：步骤一：从数据库提取过去的数据，时间为1-2年，从里面对半筛选出发生赤潮和没发生赤潮的每日数据。

本发明方法对历史数据预处理，并基于IBM SPSS Modeler中神经网络模块找出关键因子；利用Apriori关联算法确定相关指标范围与阈值；利用三条条件发送水质变化警告；满足水质变化警告的前提下触发赤潮预警模块，筛选三种分类回归法进行分类并通过袋装的方式进一步提高预测准确率；全程实时且自动化预警，无需人工干预，且能在手机端通过datav随时随地的提供监测预警展示。

权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 111311874 A 2020.06.19C N 111311874A1.一种基于浮标监测并联合机器学习进行科学预警方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一：从数据库提取过去的数据，时间为1-2年，从里面对半筛选出发生赤潮和没发生赤潮的每日数据；以每日10点的各指标数据，当日是否发生赤潮（0或1），当日10点到前日22点12个小时内关键指标的最大值，最大差值（例如pH最大值，pH最大差值）作为神经网络输入数据，基于IBM SPSS Modeler中神经网络模块对数据进行处理，经多次调整与验证找出最优模型，根据变量重要性找出前12个影响赤潮爆发的关键因子（包含赤潮特征因子和环境因子），如图1 所示，影响赤潮的除了常用的赤潮特征因子（叶绿素a、pH、溶解氧）之外，还有12小时内的叶绿素a最大值，叶绿素a最大差值，溶解氧最大差值，pH最大差值，风速，总悬浮固体，空气湿度；步骤二：基于赤潮特征因子（叶绿素a、pH、溶解氧）以及影响赤潮爆发的环境因子（盐度，温度）对每日10点的数据进行统计和深度离散化处理，形成适合关联规则的挖掘的赤潮事物数据库，其中A、B、C、D、E分别代表数据类名，利用Apriori关联算法挖掘强关联规则，并从中筛选出合适的规则：规则1：Chl-a∈[16.57，151]→发生赤潮规则2：Chl-a∈[16.57，151]，pH∈[8.77，10.3]→发生赤潮规则3：Chl-a∈[0，3.435]，pH∈[7.99，8.35]→不发生赤潮关联规则的结果表明，当Chl-a、Ph、DO处于较高浓度时（Chl-a>16.57、pH>8.77、DO> 9.09）赤潮发生的可能性较高，以此来确定赤潮关键因子的阈值；步骤三：浮标以半个小时一次的频率采集数据，按照时间序列提取当前最新数据，以及连续12小时的目标水域叶绿素a，pH，溶解氧监测数据，根据三个指标的当前状态和历史变化趋势进行初步的水质水况预警：条件一：当前叶绿素a超过阈值，阈值为16.57或当前12小时内连续4次及以上超过阈值；条件二：当前溶解氧超过阈值，阈值为9.09，且当前12小时内连续4次及以上超过阈值；条件三：当前pH超过阈值，阈值为8.77，且当前12小时内连续4次及以上超过阈值；满足任何一条时，后台获取到信息后自动发出水质水况警告信息，提醒相关人员密切关注水质变化，其余情况不发出警告信息；步骤四：根据步骤一中神经网络挖掘出的关键因子的历史数据和当前数据生成训练样本，和测试样本（和训练样本一样的数据格式和类别），系统导入训练样本在赤潮预警模型里进行训练并生成训练模型；每日上午10点和12点，在满足步骤三中初步水质水况预警的前提下，触发赤潮预警算法模块，然后将测试样本导入训练模型进行数据验证和赤潮分类预测，最后根据预测结果决定是否需要发送正式的赤潮警报；赤潮预警模型主要实现方法是：从多种分类预测模型中选择较合适的三种模型，即KNN 近邻、SVM分类预测、BP神经网络线性预测（神经网络预测结果为[0.0，1.0]之间的实值，大于0.5判为1，否则为0），然后综合三个分类器的分类预测结果，通过装袋的方式（简单选举法）来判定最终结果；步骤五：所有的程序都是通过后台自动化处理，不需要人为干涉，后台自动从浮标获取数据，根据条件进行计算和判断，符合警告和预警条件则向相关负责人发送邮件和短信提醒，后台将当前浮标数据，赤潮状态数据更新到数据库，并通过datav进行手机端界面展示，以便随时随地的查看进行水质状况和赤潮情况。

基于移动浮标赤潮无线监测网传感器电路设计孔祥洪;郭阳雪;薛俊增;王伟杰;钱卫国;陈双云【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2013(032)012【摘要】为了尽早地预警赤潮的爆发,在近海岸附近布放分布式移动浮标无线传感网,即海洋移动浮标,在每个浮标上安装有测量海洋理化参数的传感器,包括色度、溶解氧、盐度、pH值、温度、光照强度等传感器,传感器所测量的数据通过无线射频方式,从一个浮标节点传输至另外一个浮标节点,经过多跳通信传输后,数据发送至汇聚浮标节点.汇聚浮标节点调用GPRS模块将数据发送至岸上基站.该传感网络能够实现对水体环境的实时监测,所获得的海水环境参数能够通过无线网络将信息传输到岸上基站,岸上服务器通过上位机软件直观地呈现被观测水域的变换状况,进行相应的数据分析,为赤潮预警预报提供数据依据.【总页数】6页(P75-79,108)【作者】孔祥洪;郭阳雪;薛俊增;王伟杰;钱卫国;陈双云【作者单位】上海海洋大学物理实验中心,上海201306;上海海洋大学物理实验中心,上海201306;上海海洋大学生命学院,上海201306;国家远洋渔业工程技术研究中心,上海201306;国家远洋渔业工程技术研究中心,上海201306;上海海洋大学物理实验中心,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TP23【相关文献】1.基于AD8361的无线传感器网络节点测距电路设计 [J], 王剑平;田润澜;金福禄2.基于CC1110的井下无线传感器监测网络的设计与实现 [J], 王超;李翔;袁向全;刘蕴络3.基于随机移动模型的移动sinks无线移动传感器网络性能分析与改进 [J], 余华平;郭梅;邬春学4.一种基于无线传感器的血液净化监测网络设计 [J], 王光利;代小红5.基于ZigBee技术的灵芝无线传感器监测网络 [J], 陈晶;魏胜非因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种新型的赤潮预报系统
史丽明
【期刊名称】《海洋渔业》
【年(卷),期】1986(008)003
【摘要】日本佐贺县伊万里市名村造船所，在科学技术厅和新技术开发团的委托，开发研究“一种新型预报赤潮发生的自动观测系统”，完成了栓在海上自动观察永质变化等的“水质连续自动观察浮标”和受信记录在同一浮标中观察数据的“遥测受信记录装置”。

【总页数】1页(P139)
【作者】史丽明
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】S944.349
【相关文献】
1.一种新型的公交车到站电子预报系统 [J], 李鸿强;苗长云
2.基于传感器网络的海洋水质监测及赤潮预报系统的设计 [J], 曹立杰;郭戈;靳玉峰;王其华;刘中常
3.基于传感器网络的海洋水质监测及赤潮预报系统的设计 [J], 曹立杰;郭戈;靳玉峰;王其华;刘中常;
4.赤潮监测预报系统建设亟待加强 [J],
5.赤潮监测预报系统建设亟待加强 [J],
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一种赤潮实时监测系统的设计
刘焕平;李娟;文俐
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】2004(23)4
【摘要】赤潮灾害预报技术是我国"十五"国家科技攻关计划重点项目,我们把GPS 精确授时和定位技术应用于赤潮的监测,可以建立海水的实时监测系统,并对整个海域每一点的各种参数建立数据库,对于赤潮的产生原因和动态发展提供可靠的数字依据.
【总页数】3页(P66-68)
【作者】刘焕平;李娟;文俐
【作者单位】石家庄职业技术学院机电系,河北,石家庄,050081;石家庄职业技术学院机电系,河北,石家庄,050081;国家海洋技术中心,天津,300111
【正文语种】中文
【中图分类】X55;P715
【相关文献】
1.一种基于实时监测系统设计的自动气象站 [J], 陈广彪;郑红
2.一种水雨情实时监测系统与设计 [J], 陈翠; 胡春杰; 阮聪; 牛智星
3.一种多路电压实时监测系统的设计与实现 [J], 祝勋
4.一种基于物联网技术的下肢运动实时监测系统设计与实现 [J], 孙握瑜
5.一种基于MSP430的位移实时监测系统核心板设计 [J], 游银涛;薛烨豪;高汉华;戴新云;宋杰
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