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

包永華

摘 要：由于人為和客觀因素影響，南美白對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖水質(zhì)極易發(fā)生污染。為及時(shí)有效掌握養(yǎng)殖水質(zhì)情況，減少對(duì)蝦養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行水質(zhì)趨勢(shì)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(cè)系統(tǒng)，收集水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)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(shì)，為養(yǎng)殖管理者提供科學(xué)、直觀、可靠的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(duì)蝦；水質(zhì)；可視化技術(shù)

中圖分類號(hào) S968.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2016）20-0083-03

Data Anaysis on Water Quality of Penaeus vannamei Farming Based on Visualization Technology

Bao Yonghua

（The Department of Applied Engineering，Zhejiang Economic and Trade Polytechnic，Hangzhou 310018，China）

Abstract：Due to human and objective factors，Penaeus vannamei pond aquaculture water is very easy to be polluted. In order for control of the quality of aquaculture water to be timely and 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 display 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 vannamei；Water quality；Visualization technology

南美白對(duì)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(qiáng)，對(duì)鹽度、溫度適應(yīng)性廣，抗病力強(qiáng)，存活率高，適合高密度養(yǎng)殖等優(yōu)點(diǎn)[1]。但在養(yǎng)殖過程中，南美白對(duì)蝦也會(huì)經(jīng)常因?yàn)闂l件不適，特別是養(yǎng)殖水質(zhì)問題而會(huì)發(fā)生多種病害，使對(duì)蝦養(yǎng)殖業(yè)蒙受巨大的損失[2]。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是保證健康養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水體pH、DO（溶解氧）、溫度等對(duì)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(jìn)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(duì)南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)控與分析，掌握養(yǎng)殖水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及影響因素，降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)南美白對(duì)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(jià)值。

可視化分析是一種通過交互式可視化界面，來輔助用戶對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(duì)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，可以得到隨時(shí)間變化的水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)氣泡圖、不同養(yǎng)殖塘隨時(shí)間變化的水質(zhì)指標(biāo)趨勢(shì)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(dòng)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(duì)象與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究以浙江省溫嶺市錦翔水產(chǎn)專業(yè)合作社養(yǎng)殖池塘為研究對(duì)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(duì)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(cè)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(jì)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(jì)發(fā)現(xiàn)軟件，可通過交互式可視化的統(tǒng)計(jì)分析來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的價(jià)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(shí)例

2.1 氣泡圖動(dòng)態(tài)分析 氣泡圖是一個(gè)將點(diǎn)表示為氣泡（或圓圈）的散點(diǎn)圖，與XY散點(diǎn)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(shí)間等），通過更改氣泡的大小和顏色，按時(shí)間變化將氣泡制成動(dòng)畫視覺效果，能使數(shù)據(jù)探索更加方便[7]。如圖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”。圖1氣泡圖為時(shí)間變量（示例中為“時(shí)刻”）從凌晨0點(diǎn)開始，一直到22點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含了DO（溶解氧）、pH值、水溫3個(gè)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(diǎn)，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(shí)采取增氧補(bǔ)救措施。

圖1氣泡圖為時(shí)間變量（示例中為“時(shí)刻”）從凌晨0點(diǎn)開始，一直到22點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含了DO（溶解氧）、pH值、水溫3個(gè)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(diǎn)，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(shí)采取增氧補(bǔ)救措施。

點(diǎn)擊執(zhí)行可以使氣泡圖產(chǎn)生所有時(shí)刻的循環(huán)動(dòng)畫。隨著時(shí)間的變化，水體的DO（溶解氧）值在3.84～9.51變化，pH的變化與DO的變化趨勢(shì)大致相似。在下午至夜間緩緩下降，而白天逐漸上升，到14：00達(dá)到最高值，總體在7.40～7.86浮動(dòng)，夜間在7.60以下。水溫最高為18：00時(shí)的30.5℃，最低為4：00時(shí)的23.8℃。從紅色小三角菜單中，選擇尾跡氣泡，可以查看它隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。隨著動(dòng)畫的播放，“氣泡”留下了氣泡尾跡來演示氣泡的運(yùn)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(gè)控制臺(tái)，是進(jìn)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(dòng)用最能揭示數(shù)據(jù)信息的圖形進(jìn)行分析。

圖3為養(yǎng)殖水體不同塘號(hào)的pH變化曲線圖，在JMP的“圖形生成器”中，用戶將關(guān)注的變量“水質(zhì)指標(biāo)pH”、“時(shí)間”和“塘號(hào)”變量拖入作圖區(qū)域，就可以直觀地看到各個(gè)養(yǎng)殖塘號(hào)的pH隨時(shí)間變化的曲線趨勢(shì)。由圖3可知，pH值的總體波動(dòng)范圍為7.40～8.88。養(yǎng)殖初期，1#～6#每個(gè)養(yǎng)殖塘的pH值相對(duì)較大，在養(yǎng)殖0～80d期間，pH值基本處于8.00以上。但隨著養(yǎng)殖時(shí)間的延長，pH值呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)轲B(yǎng)殖中后期池塘底部的殘餌和懸浮有機(jī)物大量積累，它們?cè)谖⑸镒饔孟路纸猱a(chǎn)生有機(jī)酸所引起[8]。pH值降低會(huì)使DO降低，同時(shí)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(jìn)行調(diào)控。

2.3 圖形數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接 圖形數(shù)據(jù)動(dòng)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(dòng)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(bào)告和圖形中。通過動(dòng)態(tài)鏈接的關(guān)聯(lián)分析，可以即時(shí)查看所有變量發(fā)生變化的整體效果，進(jìn)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(gè)圖形之間、圖形和數(shù)據(jù)表之間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接的特點(diǎn)，將時(shí)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(diǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)，數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)也同時(shí)被相應(yīng)地選中。從中可知，“水質(zhì)狀態(tài)不正?！睂?duì)應(yīng)的是凌晨4點(diǎn)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℃。這樣，借助圖形數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接，可以同時(shí)從多種圖形的角度來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)蝦養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用多種表達(dá)方法，將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形、動(dòng)畫等交互分析的形式。

（1）實(shí)例研究證明，JMP作為一款大眾型統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軟件，有著簡(jiǎn)單方便、易上手的優(yōu)點(diǎn)，它強(qiáng)大的圖形功能，可以讓初學(xué)者不需太多的統(tǒng)計(jì)理論知識(shí)，就可以很快學(xué)會(huì)利用JMP提供的統(tǒng)計(jì)工具解決實(shí)際問題。

（2）借助氣泡圖動(dòng)態(tài)分析、圖形生成器數(shù)據(jù)探索和圖形數(shù)據(jù)動(dòng)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(dòng)態(tài)的展示數(shù)據(jù)潛在的趨勢(shì)和內(nèi)在的特性，更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化效果。

對(duì)蝦養(yǎng)殖過程中，水體環(huán)境復(fù)雜多變，多個(gè)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(duì)蝦養(yǎng)殖池塘水體環(huán)境的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，為增氧機(jī)、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(jìn)南美白對(duì)蝦養(yǎng)殖的健康發(fā)展。

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[9]為何選擇JMP?？[DB/OL].https：//www.jmp.com/content/dam/jmp/documents/zh/software/jmp/jmp12/why-jmp12-zh.pdf.