基于可視化技術(shù)的南美白對蝦養(yǎng)殖水質(zhì)的數(shù)據(jù)分析研究

1、基于可視化技術(shù)的南美白對蝦養(yǎng)殖水質(zhì)的數(shù)據(jù)分析研究摘 要：由于人為和客觀因素影響，南美白對蝦池塘養(yǎng)殖水質(zhì)極易發(fā)生污染。為及時有效掌握養(yǎng)殖水質(zhì)情況，減 少對蝦養(yǎng)殖風(fēng)險，進行水質(zhì)趨勢分析等研究顯得非常重要。該文利用集中式養(yǎng)殖水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，收集水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測 數(shù)據(jù)， 應(yīng)用 JMP 可視化分析技術(shù)， 將分析結(jié)果以圖形化方式 顯示養(yǎng)殖水體的水質(zhì)變化趨勢，為養(yǎng)殖管理者提供科學(xué)、直 觀、可靠的水質(zhì)監(jiān)測及預(yù)警數(shù)據(jù)，為提前預(yù)判及調(diào)控提供科 學(xué)有效的技術(shù)措施。關(guān)鍵詞：南美白對蝦；水質(zhì)；可視化技術(shù)中圖分類號 S968.22 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號1007-7731（2016）20-0083-03Data Anay

2、sis on Water Quality of Penaeus vannameiFarming Based on Visualization TechnologyBao YonghuaThe Department of Applied Engineering ，ZhejiangEconomic and Trade Polytechnic ， Hangzhou 310018 ， China ）Abstract ： Due to human and objective factors ， Penaeusvannamei pond aquaculture water is very easy to

3、be polluted. In order for control of the quality of aquaculture water to be timelyand effective ， trend analysis on water quality of appears very important. Using the centralized aquaculture water quality monitoring system ， the collected water quality monitoring data were analyzed in graphically di

4、splay by visual analytical technology of JMP. The display of water quality trend could provide scientific ， intuitive ， reliable data of forecasts and monitoring for aquaculture manager ，and scientific and effective technical approach to predict in advance.Key words ：Penaeus vanname；i Water quality

5、；Visualizationtechnology南美白對蝦是迄今世界上養(yǎng)殖產(chǎn)量最高的三大優(yōu)良蝦種之一，它具有生活力強，對鹽度、溫度適應(yīng)性廣，抗病力 強，存活率高， 適合高密度養(yǎng)殖等優(yōu)點 1 。但在養(yǎng)殖過程中，南美白對蝦也會經(jīng)常因為條件不適，特別是養(yǎng)殖水質(zhì)問題而會發(fā)生多種病害，使對蝦養(yǎng)殖業(yè)蒙受巨大的損失2。水質(zhì)監(jiān)測是保證健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是監(jiān)測養(yǎng)殖水體pH、DO （溶解氧）、溫度等對養(yǎng)殖品種生長環(huán)境有 重大影響的水質(zhì)參數(shù)，根據(jù)需要進行水質(zhì)調(diào)節(jié)，為水產(chǎn)品提 供最佳的生長環(huán)境 3 。近年來，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖智能化程度的 不斷提高，對南美白對蝦養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)進行有效監(jiān)控與分 析，掌握養(yǎng)殖水質(zhì)的動態(tài)

6、變化趨勢及影響因素，降低養(yǎng)殖風(fēng) 險，實現(xiàn)南美白對蝦養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值?？梢暬治鍪且环N通過交互式可視化界面，來輔助用戶對大規(guī)模數(shù)據(jù)進行分析推理的科學(xué)與技術(shù) 4 。數(shù)據(jù)可視化有 非常重要的意義，用它來分析數(shù)據(jù)不但直觀易懂，且效果較 好，目前已在實踐中得到廣泛的應(yīng)用。 本文采用 JMP 數(shù)據(jù)可 視化分析工具，對養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化處理，可以 得到隨時間變化的水質(zhì)指標(biāo)動態(tài)氣泡圖、不同養(yǎng)殖塘隨時間 變化的水質(zhì)指標(biāo)趨勢曲線圖，還可以得到養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo) 數(shù)據(jù)的動態(tài)鏈接圖，為養(yǎng)殖管理者提供直觀易讀、方便靈活 的水質(zhì)分析結(jié)果。1 研究對象與方法1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究以浙江

7、省溫嶺市錦翔水產(chǎn)專業(yè)合作社養(yǎng)殖池塘為研究對象，采用合作社與某電子公司合作研 發(fā)的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖在線監(jiān)控系統(tǒng)獲取的南美白對蝦養(yǎng)殖 生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源 5 。該系統(tǒng)可連續(xù)不間斷在線監(jiān)測 養(yǎng)殖水體中的 DO 、pH 值、水溫等水質(zhì)指標(biāo)， 采樣周期為 2016年 5 月 12日至 8 月 31 日。1.2 分析工具 交互式可視化統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)軟件JMP11。JMP是 SAS 旗下重要品牌， 是一款大眾型統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)軟件，可通過交互式可視化的統(tǒng)計分析來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的價值。JMP 軟件被廣泛應(yīng)用于業(yè)務(wù)可視化、探索性數(shù)據(jù)分析（ EDA ）、數(shù)據(jù) 挖掘等 6 。2 應(yīng)用實例2.1 氣泡圖動態(tài)分析 氣泡圖是一個將點表

8、示為氣泡圓圈）的散點圖，與 XY 散點圖類似，但可表現(xiàn)的數(shù)據(jù)信息 量更多，最多可以表示五維以上（ x 位置、 y 位置、大小、 顏色和時間等） ，通過更改氣泡的大小和顏色，按時間變化 將氣泡制成動畫視覺效果，能使數(shù)據(jù)探索更加方便 7 。如圖。圖1 ，為合作社 7 月份某天的養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo)“氣泡圖”1 氣泡圖為時間變量（示例中為“時刻” ）從凌晨 0 點開始，DO 值為直到22點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含了 DO （溶解氧）、pH值、水 溫3個水質(zhì)指標(biāo)。當(dāng)前凌晨 4：00 的氣泡圖顯示，3.84mg?L-1 ，處于最低點，氣泡顏色為紅色，顯示為水質(zhì)不 正常狀態(tài)。一般認(rèn)為良好溶解氧水平應(yīng)在 4.00mg?

9、L-1 以上8 ，因此應(yīng)及時采取增氧補救措施。圖 1 氣泡圖為時間變量（示例中為“時刻” ）從凌晨 0點開始，直到22點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含了 DO （溶解氧）、pH 值、水溫 3 個水質(zhì)指標(biāo)。當(dāng)前凌晨 4：00 的氣泡圖顯示，DO 值為 3.84mg?L-1 ，處于最低點，氣泡顏色為紅色，顯示 為水質(zhì)不正常狀態(tài)。一般認(rèn)為良好溶解氧水平應(yīng)在4.00mg?L-1 以上8 ，因此應(yīng)及時采取增氧補救措施。點擊執(zhí)行可以使氣泡圖產(chǎn)生所有時刻的循環(huán)動畫。隨著時間 的變化，水體的 DO （溶解氧）值在 3.849.51變化，pH的變化與 DO 的變化趨勢大致相似。在下午至夜間緩緩下降，而白天逐漸上升，到14:

10、00達(dá)到最高值，總體在 7.407.86浮動，夜間在7.60以下。水溫最高為18 : 00時的305C,最低為4: 00時的23.8C。從紅色小三角菜單中，選擇尾跡氣泡， 可以查看它隨時間的變化趨勢。 隨著動畫的播放， 泡”留下了氣泡尾跡來演示氣泡的運行歷史軌跡，展示結(jié)果 如圖 2 所示。2.2 圖形生成器數(shù)據(jù)探索 “圖形生成器”是 JMP 軟件制圖的一個控制臺，是進行探索性數(shù)據(jù)分析的最佳選擇 9 。通過將用戶關(guān)注的變量用鼠標(biāo)隨意拖入拖出“圖形生成器” 作圖區(qū)域， JMP 能自動用最能揭示數(shù)據(jù)信息的圖形進行分 析。圖 3 為養(yǎng)殖水體不同塘號的 pH 變化曲線圖，在 JMP 的圖形生成器” 中,

11、用戶將關(guān)注的變量“水質(zhì)指標(biāo)pH ”、“時間”和“塘號”變量拖入作圖區(qū)域，就可以直觀地看到各個 養(yǎng)殖塘號的 pH 隨時間變化的曲線趨勢。 由圖 3 可知， pH 值 的總體波動范圍為 7.408.88。養(yǎng)殖初期， 1#6#每個養(yǎng)殖塘的 pH 值相對較大，在養(yǎng)殖 080d 期間， pH 值基本處于8.00 以上。但隨著養(yǎng)殖時間的延長， pH 值呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，這主要是因為養(yǎng)殖中后期池塘底部的殘餌和懸浮有機 物大量積累，它們在微生物作用下分解產(chǎn)生有機酸所引起8。 pH 值降低會使 DO 降低，同時也可使有毒的硫化氫增 加，根據(jù)水質(zhì)情況必須采取相應(yīng)措施進行調(diào)控。2.3 圖形數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接 圖形數(shù)據(jù)動

12、態(tài)鏈接是指在可視化數(shù)據(jù)分析過程中，數(shù)據(jù)所選部分可以動態(tài)地鏈接到該數(shù)據(jù)的其他部分，并將這種鏈接同步地展現(xiàn)在所有相關(guān)報告和圖形中通過動態(tài)鏈接的關(guān)聯(lián)分析，可以即時查看所有變量發(fā)生變化的整體效果，進而深入了解其他軟件無法輕易揭示的 信息 9 。利用 JMP 軟件的各個圖形之間、 圖形和數(shù)據(jù)表之間實時動態(tài)鏈接的特點，將時間、pH值、DO （溶解氧）、T通過軟 件的直方圖創(chuàng)建數(shù)據(jù)圖形，當(dāng)用戶點擊任何圖形，該圖形代表的數(shù)據(jù)在其他圖形和數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)部分也同時被加亮選中，這可以幫助發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的隱含關(guān)系。圖4 為養(yǎng)殖水體水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)的動態(tài)鏈接圖。由圖 4 可以看出，如果選中直方圖中代表“水質(zhì)狀態(tài)不正常”的“柱

13、子” ，不僅“水質(zhì)狀態(tài)不正?！钡臄?shù)據(jù)在其他 直方圖中的分布一目了然，同時，數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)也同時被 相應(yīng)地選中。從中可知， “水質(zhì)狀態(tài)不正常”對應(yīng)的是凌晨點的水質(zhì)指標(biāo)，狀態(tài)數(shù)據(jù)分別為pH 值 7.4、DO 值 3.84、水溫T23.8 C。這樣，借助圖形數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接，可以同時從多種圖形的角度來對數(shù)據(jù)進行可視化的分析。3 結(jié)論 本研究以可視化數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心，采用集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖在線監(jiān)控系統(tǒng)獲取南美白對蝦養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合運用多種表達(dá)方法，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、動畫等交互分 析的形式。1 ）實例研究證明， JMP 作為一款大眾型統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)軟件，有著簡單方便、易上手的優(yōu)點，它強大的圖形功能，可 以

14、讓初學(xué)者不需太多的統(tǒng)計理論知識，就可以很快學(xué)會利用JMP 提供的統(tǒng)計工具解決實際問題。2）借助氣泡圖動態(tài)分析、圖形生成器數(shù)據(jù)探索和圖形數(shù)據(jù)動態(tài)鏈接工具，可以輕松方便的把將水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)， 以圖形化的方式直觀動態(tài)的展示數(shù)據(jù)潛在的趨勢和內(nèi)在的 特性，更好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化效果。對蝦養(yǎng)殖過程中，水體環(huán)境復(fù)雜多變，多個水質(zhì)參數(shù)相互之間影響。應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化分析，有助于了解對蝦養(yǎng)殖池 塘水體環(huán)境的內(nèi)在規(guī)律，對水質(zhì)指標(biāo)進行及時預(yù)警，為增氧 機、水泵等設(shè)備的智能化調(diào)控和養(yǎng)殖過程中的精細(xì)化管理決 策提供有效的技術(shù)支持，從而有效促進南美白對蝦養(yǎng)殖的健 康發(fā)展。參考文獻1 唐嘯塵溫度對南美白對蝦的影響 J.海洋科學(xué)，2

15、001 ,27（ 1 0）： 79-80 .2 杭小英， 周志明， 李倩， 等.不同養(yǎng)殖模式對南美白對蝦生長、病害發(fā)生與水質(zhì)的影響 J .江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2014， 4205）： 191-192.3 周旋，包羅清，王榮揚 .水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng) J. 科技視界， 2014，15：41-42.4 Thomas JJ， Cook CA.Illuminating the Path ： TheResearch and Development Agenda for Visual Analytics.LosAlamitos ： IEEE Computer Society ，2005.1?180.5 “智能”養(yǎng)蝦