基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對城市空氣污染數(shù)據(jù)真實性的判別
摘要:目的針對城市空氣污染數(shù)據(jù)的真實性,收集并處理京津冀、長三角和珠三角地區(qū)的空氣質(zhì)量數(shù) 據(jù),判別數(shù)據(jù)的真實性,并給出提高空氣污染數(shù)據(jù)真實性的建議。方法使用因子分析、多元統(tǒng)計等方法構(gòu)建 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多元線性回歸模型,利用MATLAB、SPSS和excel等軟件,分析空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的波動性,得到 各個城市空氣污染物數(shù)據(jù)的真實性結(jié)果。結(jié)果天津、滄州、上海、東莞等城市的空氣污染數(shù)據(jù)較為真實,而 保定、邢臺、鎮(zhèn)江、揚州、舟山,珠海等城市空氣污染數(shù)據(jù)的不真實性嚴重。結(jié)論應(yīng)當注重基層環(huán)境統(tǒng)計工 作,加強基層和媒體對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的關(guān)注,完善軟件技術(shù)設(shè)施。
關(guān)鍵詞:空氣質(zhì)量;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);MATLAB
空氣質(zhì)量始終是政府、環(huán)境保護部門和人民關(guān)注的熱點問題。近期頻繁爆發(fā)的霧霾危機也使得人們?nèi)?益關(guān)注有關(guān)監(jiān)測部門發(fā)布的空氣質(zhì)量指標情況。去年“兩會”代表和委員紛紛指責中國部分城市偽造空氣 監(jiān)測數(shù)據(jù),治霾政策的制定受到來自利益相關(guān)者的阻力[1]。2016年的兩會上,全國政協(xié)常委、環(huán)境保護 部副部長吳曉青表示,很高興在今年的“十三五”規(guī)劃草案中看到增加了環(huán)境質(zhì)量的考核指標。自中國提 出空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測以后,部分地方政府頻繁曝出監(jiān)測數(shù)據(jù)在改善,而環(huán)境質(zhì)量卻在持續(xù)惡化的新聞。地 方政府大氣監(jiān)測數(shù)據(jù)真實性的問題逐漸受到人們的關(guān)注。
?。毕嚓P(guān)文獻回顧
張錫穎等[2]從空氣質(zhì)量與氣候的關(guān)系角度研究了這個問題。首先搜集京津冀、長三角、珠三角各個地區(qū)的氣候和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),然后對各個影響因素進行歸一化處理,最后得出判別中國地方政府上報監(jiān)測數(shù) 據(jù)真實性的方法,并且得出數(shù)據(jù)真實性的不同類型。王妮妮[3]以空氣污染類型為切入點,首先搜集上海市 國控子站的日監(jiān)測數(shù)據(jù),其次對上海市空氣質(zhì)量進行綜合評價,然后利用虹橋機場氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)對上海 市的氣象情況進行綜合評價,最后得出上海市空氣質(zhì)量狀況良好,并且得出了以單點位、單因子為主,多 點位、單因子為輔的空氣質(zhì)量異常數(shù)據(jù)聯(lián)合篩選體系。
?。矓?shù)據(jù)的獲取及假設(shè)
數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站[4],為了便于解決問題,提出以下假設(shè):(1)城市空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的真實性 具有連續(xù)性,即這個時間段數(shù)據(jù)真實,則下個時間段數(shù)據(jù)也真實;(2)多元線性回歸中隨機誤差項ε是一 個平均值或期望值為零的隨機變量;(3)解釋變量的所有觀測值,隨機誤差項的方差都是相同的;(4)忽 略除了空氣污染物含量外其他影響AQI的因素;(5)不考慮極端天氣對空氣污染物含量的影響。
?。酬P(guān)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
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以京津冀、長三角和珠三角地區(qū)代表城市不同時間的PM10、CO、NO2、SO2的4個指標作為輸入數(shù) 據(jù),PM2.5作為輸出數(shù)據(jù)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;接著將該地區(qū)其他城市的PM10、CO、NO2、SO24個指 標輸入到前面構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中,得到這些城市PM2.5的預(yù)測數(shù)值,通過這些預(yù)測PM2.5的數(shù)值 與代表城市PM2.5真實數(shù)據(jù)比較,最后篩選出該地區(qū)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)比較真實的城市。
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?。拢猩窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),一般存在等于或者大于三層神經(jīng)元。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要包括 輸入層、中間層和輸出層三部分,上、下層之間是全鏈接,而同一層的相互之間沒有鏈接。標準的BP神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法核心是“負梯度下降原理”,即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差總是沿著誤差降落最迅速的目標進行調(diào)整。 建立空氣質(zhì)量污染指標數(shù)據(jù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(圖1)。
4城市空氣污染數(shù)據(jù)的真實性判別
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用SPSS進行因子分析,利用污染物之間的相關(guān)性減少污染物變量的個數(shù),進行降維處理,然后建立 多元線性回歸模型,對各個城市的犃犙犐指數(shù)進行預(yù)測,最后進行誤差分析及擬合優(yōu)度檢驗,比較確定空 氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的真實性。
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因子分析是指研究從變量群中提取公共因子的統(tǒng)計技術(shù),可以在許多變量中找出隱藏的、具有代表性 的因子,還可以用來檢驗變量間關(guān)系的假設(shè)。因子分析是一種十分實用的降低變量維數(shù)的方法。因子分析 的主要步驟有:①確認待分析的原始變量是否適合作因子分析;②構(gòu)造因子變量;③利用旋轉(zhuǎn)方法使因子 變量具有可解釋性;④計算每個樣本的因子變量得分。 因子分析模型中,假定每個原始變量由兩部分組成:共同因子和唯一因子。共同因子是各個原始變量 所共有的因子,解釋變量之間的相關(guān)關(guān)系。唯一因子是每個原始變量所特有的因子,表示該變量不能被共 同因子解釋的部分。原始變量與因子分析時抽出的共同因子的相關(guān)關(guān)系用因子負荷表示。
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根據(jù)城市空氣污染數(shù)據(jù)的真實性判別分析結(jié)果,針對空氣污染數(shù)據(jù)真實性問題,提出以下建議。
1)重視基層環(huán)境統(tǒng)計工作,強化人員配置,提高統(tǒng)計人員的思想意識,把統(tǒng)計工作放在首要位置, 認真對待,耐心負責,同時設(shè)置專職統(tǒng)計的各項崗位,挑選業(yè)務(wù)能力強、掌握統(tǒng)計學相關(guān)知識的專業(yè)人才 擔任統(tǒng)計相關(guān)工作,加強對統(tǒng)計人員專業(yè)知識和職業(yè)道德的教育,努力提高基層統(tǒng)計人員的綜合素質(zhì)和能 力。
?。玻┘訌娀鶎雍兔襟w對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的監(jiān)測,隨著社會的發(fā)展和人民群眾監(jiān)督意識的加強,公眾參與統(tǒng)計 工作的訴求也越來越強,對加大環(huán)境信息公開的范圍和力度都有所上升。政府通過鼓勵各大門戶網(wǎng)站或者 地方媒體對各級政府公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行監(jiān)督檢驗,來提高統(tǒng)計數(shù)據(jù)的真實性。要加強基層環(huán)保監(jiān)測能 力,使統(tǒng)計數(shù)據(jù)能夠反映真實的情況,建立統(tǒng)計各部門的溝通機制,有序高效的將統(tǒng)計數(shù)據(jù)分配給各部 門,每個部門互相監(jiān)督,避免“越位”現(xiàn)象發(fā)生。 3)完善軟件技術(shù)設(shè)施,定期培訓和檢測,要進一步完善軟件建設(shè),加強統(tǒng)計人員統(tǒng)計軟件技術(shù)的培 訓和學習教育,并定期對軟件的正確性進行檢測和維修,使統(tǒng)計人員工作效率得以提高,統(tǒng)計的真實性得 以加強。
參考文獻:
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[3]王妮妮.上海市空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)律研究及在數(shù)據(jù)審核中的應(yīng)用[D].上海:東華大學,2010.
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作者陳璐璐1,陳富媛2,楊鵬輝2,黃艷紅2,陳夢倩2
《基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對城市空氣污染數(shù)據(jù)真實性的判別》
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