[发明专利]一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法

说明书

本发明公开了一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法，属于计算机技术领域。该方法包括如下步骤：(1)对样本数据集进行归一化和特殊值填充预处理；(2)计算任意样本对重金属间的相关性；(3)计算任意两种重金属间的相关性；(4)基于重金属间相关性对重金属集合进行自底向上的层次聚类；(5)定向解析农田重金属的污染物来源。本发明实施考虑利用每种污染源自身的特征成分，以及农田中重金属间的关联性，分析和计算出具有强关联性的重金属集合，并结合自底向上的层次聚类算法，实现定向解析农田重金属的污染物来源，为治理农田重金属环境污染提供新的途径和依据。

技术领域

本发明属于计算机技术领域，涉及一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法。

背景技术

农业不仅在我国经济发展中占据着重要地位，同时也是支撑国民生计与社会生产的重要基础。农田作为农业生产的重要用地，与人类生活息息相关，其农田结构和土壤成分直接影响农作物的产量和质量，进而影响生态稳定与可持续发展。近年来，随着城市化进程的加快，人类活动影响频繁，城市的各种工业区、生活区、山区、公路等污染物排放量显著增加，使得农田的土壤地质环境恶化，农作物产量和质量降低，并通过食物链危害人体健康，因此农田污染物溯源已经成为我国乃至全球关注的焦点问题。由于每种污染源都有自身的特征成分，如化肥中的重金属元素Cd等，因此通过农田中重金属含量与关联性可以分析和预测农田的污染源，从而有效防治农田污染，解决农作物的安全性问题，并对预防其潜在危害具有重要的指导意义。

据目前的重金属污染物溯源文献可知，定量分析重金属污染源已经提出一些初步方法，常用的重金属污染物溯源方法包括化学分析法、同位素示踪法、因子分析法、聚类分析法、主成分分析法等。化学分析法需要掌握每种污染源中重金属元素的浓度；同位素示踪法通过对比分析污染源中重金属元素的化学形态来解析污染物来源，这种方法精度较高，但需要比较所有重金属元素的形态；其余三种方法通过分析被污染样本与无污染样本之间重金属元素的关系来识别污染物来源，该方法不需要引入额外的影响因子，因此比较容易实现。本发明提出一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法，利用关联性强的金属分布特征，探究农田重金属污染物来源问题。

发明内容

基于农田中重金属间的关联性，并结合层次聚类的思想，本发明提出一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法，分析和计算出具有强关联性的重金属，并实现对农田重金属的溯源解析。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于层次聚类的农田重金属污染物溯源方法，包括如下步骤：

(1)预处理土壤样本数据集：对样本数据集进行归一化和特殊值填充预处理

由于待分析的土壤样本数据集数据格式不统一，且包含缺失值，因此在对样本进行相关性计算和聚类算法之前，即在算法执行的初始阶段，本发明首先对所有样本数据集进行归一化处理，并采用特殊值对缺失数据值进行初始化填充，具体为：将数据集中所有缺失数据属性值填充为不同于所有已知数据属性值的一个特殊值。

(2)计算任意样本对重金属间的相关性

根据任意样本对之间权重相等的思想，本发明首先计算任意样本对中重金属间的距离相关性。其次，基于学习到的距离相关性，定义并计算出任意两个重金属在样本对中的相关性分数。

(3)计算任意两种重金属间的相关性

在步骤(2)学习到相关性分数的基础上，定义并计算得到两个重金属间的相关性距离变量。之后，为了更直观地表示重金属间的相关性，进一步将相关性距离变量细化为百分比的表示形式。

(4)基于重金属间相关性对重金属集合进行自底向上的层次聚类