動態(tài)因子分析在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合處理中的應用

冀翔

（大連市生態(tài)環(huán)境事務服務中心，遼寧 大連116021）

近年來伴隨著公眾的環(huán)保意識逐漸提升，人們開始越來越關注自己周邊的自然環(huán)境。為了客觀地衡量生態(tài)環(huán)境的總體質(zhì)量及其發(fā)生變化的規(guī)律和趨勢，我國已經(jīng)開展了大范圍的環(huán)境監(jiān)測工作。在不同的地域設置有多種級別的環(huán)境監(jiān)測基站，并通過長年累月的監(jiān)測和收集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出污染物排放、氣象和水文等層面的環(huán)境變化規(guī)律。通過對相應參數(shù)的聯(lián)合調(diào)用和對數(shù)理模型的再次整理，使獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠真實地反映出生態(tài)環(huán)境的變化規(guī)律，并對未來一段時間內(nèi)的變化趨勢進行預測，這也能夠為相關部門的環(huán)保治理力度的增強和政府的一系列政策的落實提供明確的導向。動態(tài)因子分析作為降維時間序列的典型應用，能夠通過對多元的變量及其衍生出的變化趨勢對響應變量的影響程度進行數(shù)值量化，再結(jié)合特定參數(shù)條件下的擬合效果即可得出動態(tài)因子分析方法在相應生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領域應用的實際效果。

1 動態(tài)因子分析理論概述

關于動態(tài)因子分析理論的研究可以結(jié)合卡爾曼濾波和最大期望參數(shù)估計法進行。針對普通時間變量的變化模式，多元的響應變量之間存在著復雜的相互作用。并且，這些物理量還會受外界因素變化而出現(xiàn)明顯的波動。通過對這些物理量波動規(guī)律的進行動態(tài)因子分析，就可以得出其變化的規(guī)律，進而填補一定范圍內(nèi)的缺失值并預測出未來的數(shù)據(jù)變化趨勢。研究者只需利用原始數(shù)據(jù)并配合相應的模擬軟件對原始數(shù)據(jù)進行分析，即可獲得較短時間內(nèi)或非平穩(wěn)時間內(nèi)的數(shù)據(jù)序列。這對于彌補環(huán)境監(jiān)測領域中缺失的物理量數(shù)據(jù)或預測非平穩(wěn)時間內(nèi)生態(tài)環(huán)境參數(shù)變化趨勢都有著重要的應用和研究價值。

動態(tài)因子的算法利用降維的統(tǒng)計原理，能夠?qū)⒍鄠€線性組合與環(huán)境數(shù)據(jù)的變化趨勢相融合，從而推算出潛在的未知變量，并能有效地消除由觀測誤差所造成的環(huán)境變化趨勢誤判斷。在數(shù)據(jù)預處理的過程中，根據(jù)動態(tài)變量變化的規(guī)律可準確排除環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的異常。在進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析前能夠提前消除季節(jié)的影響，進而將顯性的環(huán)境變化趨勢和真實有效的物理量信息關聯(lián)重組，得到更為精準的環(huán)境觀測數(shù)據(jù)。應用標準分數(shù)法和多層級變量的統(tǒng)計還能夠?qū)⒂^測值最大化的接近于真實值。配合方差膨脹因子和多重共線性計算的綜合利用，可進一步排除無關變量對于環(huán)境變化趨勢產(chǎn)生的預測干擾。在應用動態(tài)因子分析時，數(shù)學模型的選擇要格外慎重。首先，表達式中的物理量的個數(shù)和類型要盡可能貼近實際環(huán)境物理量的個數(shù)和類型。其次，為了避免過度擬合或擬合效果失真等情況，可建立輔助的擬合評估體系，用于診斷監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合過程是否存在異?；驀乐氐钠畹?。當評估結(jié)果與擬合值越接近時，則表明模型得出的環(huán)境變化預測結(jié)果越接近于真實的環(huán)境演化過程。

2 動態(tài)因子分析理論在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應用

2.1 動態(tài)因子分析在地表水環(huán)境監(jiān)測中的應用

動態(tài)因子分析法在地表水生態(tài)環(huán)境研究中已經(jīng)有十余年的應用歷史。在實際的應用中，如何選擇響應變量和解釋變量對實際應用效果有著決定性的影響。為了能夠真實的反應出監(jiān)測區(qū)域地表水環(huán)境的質(zhì)量和變化趨勢，研究者必須根據(jù)相應區(qū)域的污染程度和地域特點選擇匹配度最高的響應變量和解釋變量。通過與環(huán)境中微生物、水溫、鹽度和氣象等條件的關聯(lián)，從而確定近海岸、中海岸、遠海岸等不同區(qū)域水質(zhì)的所需的監(jiān)測指標。通過對監(jiān)測所得到的大量數(shù)據(jù)進行經(jīng)過嚴謹周密的計算和模型擬合后，研究者能夠了解監(jiān)測時間段內(nèi)該區(qū)域內(nèi)地表水環(huán)境的真實的整體變化情況。

2.2 動態(tài)因子分析在地下水環(huán)境監(jiān)測中的應用

由于地理條件等特殊原因，地下水環(huán)境監(jiān)測的結(jié)果會受到更多環(huán)境因素的影響。地下水水質(zhì)會因降雨、水位、土壤的化學成分、河水水質(zhì)等外部因素而發(fā)生變化。因此可以將這些影響因子作為解釋變量，參與到地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集過程中。研究者通過大量的數(shù)據(jù)采集和分析得出，地下水水質(zhì)、該地區(qū)土壤的化學成分與該地區(qū)降雨情況三者之間存在的隱含的關聯(lián)關系，由此進而制定出一系列的地下水環(huán)境治理措施。動態(tài)因子在地下水環(huán)境監(jiān)測中的靈活應用對農(nóng)業(yè)地區(qū)地下水環(huán)境的研究提供了一種更為高效的監(jiān)測和管理方式。通過數(shù)據(jù)的實時變化和異常規(guī)律的推算，管理部門可以在自然災害發(fā)生前提前做出預警，從而最大限度的減少經(jīng)濟損失。另一方面，通過對各類不同的影響因子進行動態(tài)因子分析，發(fā)現(xiàn)地區(qū)地下水水質(zhì)還與該地區(qū)土壤的折射率等因素存在相互作用，進而發(fā)現(xiàn)自然界內(nèi)廣泛的物理變化都可以作為一種解釋變量，與該地區(qū)地下水水質(zhì)和土壤含水率產(chǎn)生聯(lián)系。例如，將蒸發(fā)量、降雨量、樹冠露水的滴落量作為解釋變量研究地下水水質(zhì)、土壤含水率的變化規(guī)律。通過更加細致和深層次的分析，使得動態(tài)因子分析在地下水環(huán)境監(jiān)測中的作用效果更加貼近真實情況。

2.3 動態(tài)因子分析在大氣污染治理中的應用

一般情況下提到環(huán)境監(jiān)測，人們更容易聯(lián)想到空氣污染。在環(huán)境監(jiān)測領域，針對大氣污染所進行的專項物理量監(jiān)測和大氣污染物濃度的分析預警往往占據(jù)了大量的時間。從動態(tài)因子分析的角度，可以從氣象因子的層面對大氣環(huán)境中不同污染物之間的關系進行探討。例如，大氣的關鍵影響因子包含二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、pm2.5、pm10 濃度等，將它們作為響應變量配合其他解釋變量，再結(jié)合諸如風速、相對濕度等客觀氣象條件就能夠準確地模擬出大氣污染的全過程。此外，通過對大量大氣污染過程的數(shù)據(jù)進行計算也能夠充分量化并模擬出不同污染物造成的動態(tài)污染過程。這種方式既是動態(tài)因子分析在大氣污染治理領域應用成果的證明，又作為一種全新的數(shù)據(jù)模型，擴展了動態(tài)因子分析在其他領域環(huán)境污染治理方面的應用渠道，為此類技術(shù)在不同環(huán)境監(jiān)測領域中的發(fā)展和技術(shù)的成熟應用奠定了堅實的基礎。通過對不同因子載荷間的關聯(lián)和作用關系的研究，也使動態(tài)因子分析理論的應用進一步擴展到對大氣污染中其他污染類型形成原因的分析層面。另一方面，與之類似地分析和推演思路也適用于統(tǒng)計學領域物理化學轉(zhuǎn)化過程，動態(tài)因子和統(tǒng)計學模型的綜合應用開辟了環(huán)境監(jiān)測的新途徑。

3 總結(jié)與展望

為了更加靈活準確的應用動態(tài)因子分析技術(shù)，使其在環(huán)境監(jiān)測相關問題中發(fā)揮實際作用，應從動態(tài)因子模型的架構(gòu)及變量設置等方面進一步細化。結(jié)合具體的環(huán)境監(jiān)測項目和目標成分，確定動態(tài)因子的響應變量及解釋變量。并按照科學的劃分策略對其進行區(qū)分，分析各變量間的主次因果關系。對于未知的物理量可借助神經(jīng)網(wǎng)絡模型對目標物理量的變化規(guī)律進行預測。對于空間和時間尺度的變量，可應用動態(tài)因子在多維空間的優(yōu)勢，進一步擴大時間序列的作用范圍。