城市空气污染数据的真实性判别及分析研究

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1、一.问题重述1.1问题背景空气质量问题始终是政府、环境保护部门和全国人民关注的热点问题。2016年的两会上，全国政协常委、环境保护部副部长吴晓青表示，政府工作报告中提出的今后五年地级市及以上城市空气质量优良天数比率超过80%的目标必须完成。此外，吴晓青表示,很高兴在今年的“十三五”规划草案里看到增加了环境质量的考核指标，并指出增加的指标有几个特点：一是对坏境质量的指标考核更加全面、更加完善。二是和老百姓息息相关，切身利益更加贴近、更加结合。三是更加严格。其中，优良天数比率指的是：区域内城镇空气质

2、量优良以上的监测犬数占全年监测总犬数的比例。然而，由丁各种主客观原因，会使所采集到的数据序列体现岀一定的异常现彖。1.2问题提出在上述问题背景的基础上，结合题目所给资料，要求建立数学模型讨论下列问题：1、搜集相关空气质量和气候数据，分析空气质量数据的真实性，建立数学模型或者相应指标来确定是否存在数据不真实的现象。2、在此过程中，或利用污染物之间的相关性、或利用污染物变化的连续性、或自行设计指标在时间、空间等各层次上进行对比，來确定数据不真实是否存在并讨论其严重性。3、通过模型分析数据不真实的类型

3、、原因，最终为环境保护和政策制定提供支撑。4、进一步的讨论可以加入社会因索，例如分析空气质量与工业生产（例如钢产量）等数据Z间的和关性，分析是否可以通过空气质量数据的变化來展示工业生产（例如钢产量）等数据的实际情况。二.问题分析本文的主要内容是完成城市空气污染数据的真实性的判别建模，然后根据模型结果，得到京津冀，长三角，珠三角空气污染数据存在的不真实性。针对问题1,通过分析京津冀，长三角，珠三角三个地区中的空气污染数据的波动性，认定空气污染数据的城市具有代表性。根据前而数据波动判断的真实数据，以

4、各个时间的PM10、CO、NO2、SO2四个指标数据作为输入，输出的是PM2.5的指标数据作为输岀建立BP神经网络模型。将英他城市的PM10、CO、NO2、SO2四个指标数据代入BP神经网络，得到预测的PM2.5的指标数据。通过比较预测值和实际值的差异性，判断城市空气污染数据的真实性。针对问题2,木文利用相关系数分析法找出各污染物之间的相关性，而后从时间、空间角度进行分析。对于时间角度，我们可以做出各地区污染物随时间变化的趋势；对于空间角度，我们可以对各地区的污染程度进行取平均值。针对问题3,本

5、文通过模型分析数据不真实的类型、原因，最终为环境保护和政策制定捉供支撑。对于数据不真实的类型，我们可以从相关性差异、是否连续来讨论；对于数据不真实原因，我们可以从技术层面、人为层面进行分析。针对问题4,本文主要采用搜集到的各个地区的钢产量和煤炭产量数据，通过钢产量数据和空气质量数据的和关性，判断城市空气污染数据的真实性。三、模型假设1、假设京津冀，长三角，珠三角空气污染数据没有经过二次处理；2、假设AQI指标中的PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2具有一定的相关性，某一个指标增加，其他指标

6、也会增加；3、假设可由钢产量和煤炭产量数据来代表社会因素。4、钢产量和煤炭产量数据与空气质量貝有很强的相关性。5、同一个区域的城市由丁空间的连续性会导致空气质量相差不大。6、空气污染数据处于平均的城市真实性较高。7、AQI指数可以代表空气质量的好坏。8、城市空气污染数据的真实性具有吋间连续性，如果这个月数据真实，可以认为下个月数据也真实。符号解释说明AQ1平均值叫n的中间值YBP神经网络输出X神经网络输入Network1根据廊坊空气建立BP神经网络X2北京的网络输入y2北京的网络输出五、模型的

7、建立与求解5.1空气污染数据处理本文搜集到了京津冀，长三角，珠三角空气污染数据(部分)，主要包括不同日期(从2013/11/1到2015/2/28)的AQI指数、质量等级、当天AQI排名、PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2,为了简化问题，根据AQI指数定性分析空气质量的初步真实性。京津冀地区北京、天津、石家庄、唐山、保定、廊坊、邢台、张家口、秦皇岛、衡水、邯郸、承德、沧州的从2013/11/1到2013/12/31的AQI指数如表1所示。表1京津冀地区AQI指数tl期北京天津石家庄唐山保

8、定廊坊邢台张家口秦皇岛衡水邯郸承德沧州2013/11/12311892882932662453021641282312431041732013/11/22942602632763282822281722302401881482232013/11/38013114419213513315043170132169781402013/11/4578213481168781406878137161631042013/11/51841312141482001891909513211513896107201