基于可视化技术的南美白对虾养殖水质的数据分析研究

包永华

摘 要：由于人为和客观因素影响，南美白对虾池塘养殖水质极易发生污染。为及时有效掌握养殖水质情况，减少对虾养殖风险，进行水质趋势分析等研究显得非常重要。该文利用集中式养殖水质在线监测系统，收集水质指标监测数据，应用JMP可视化分析技术，将分析结果以图形化方式显示养殖水体的水质变化趋势，为养殖管理者提供科学、直观、可靠的水质监测及预警数据，为提前预判及调控提供科学有效的技术措施。

关键词：南美白对虾；水质；可视化技术

中图分类号 S968.22 文献标识码 A 文章编号 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

南美白对虾是迄今世界上养殖产量最高的三大优良虾种之一，它具有生活力强，对盐度、温度适应性广，抗病力强，存活率高，适合高密度养殖等优点[1]。但在养殖过程中，南美白对虾也会经常因为条件不适，特别是养殖水质问题而会发生多种病害，使对虾养殖业蒙受巨大的损失[2]。

水质监测是保证健康养殖的关键环节，主要目的是监测养殖水体pH、DO（溶解氧）、温度等对养殖品种生长环境有重大影响的水质参数，根据需要进行水质调节，为水产品提供最佳的生长环境[3]。近年来，随着水产养殖智能化程度的不断提高，对南美白对虾养殖水质参数进行有效监控与分析，掌握养殖水质的动态变化趋势及影响因素，降低养殖风险，实现南美白对虾养殖产业可持续发展具有重要的科学意义和应用价值。

可视化分析是一种通过交互式可视化界面，来辅助用户对大规模数据进行分析推理的科学与技术[4]。数据可视化有非常重要的意义，用它来分析数据不但直观易懂，且效果较好，目前已在实践中得到广泛的应用。本文采用JMP数据可视化分析工具，对养殖水质监测数据进行可视化处理，可以得到随时间变化的水质指标动态气泡图、不同养殖塘随时间变化的水质指标趋势曲线图，还可以得到养殖水体水质指标数据的动态链接图，为养殖管理者提供直观易读、方便灵活的水质分析结果。

1 研究对象与方法

1.1 数据来源 本研究以浙江省温岭市锦翔水产专业合作社养殖池塘为研究对象，采用合作社与某电子公司合作研发的集约化水产养殖在线监控系统获取的南美白对虾养殖生态环境数据作为数据源[5]。该系统可连续不间断在线监测养殖水体中的DO、pH值、水温等水质指标，采样周期为2016年5月12日至8月31日。

1.2 分析工具 交互式可视化统计发现软件JMP11。JMP是SAS旗下重要品牌，是一款大众型统计发现软件，可通过交互式可视化的统计分析来发现数据背后的价值。JMP软件被广泛应用于业务可视化、探索性数据分析（EDA）、数据挖掘等[6]。

2 应用实例

2.1 气泡图动态分析 气泡图是一个将点表示为气泡（或圆圈）的散点图，与XY散点图类似，但可表现的数据信息量更多，最多可以表示五维以上（x位置、y位置、大小、颜色和时间等），通过更改气泡的大小和颜色，按时间变化将气泡制成动画视觉效果，能使数据探索更加方便[7]。如图1，为合作社7月份某天的养殖水体水质指标“气泡图”。图1气泡图为时间变量（示例中为“时刻”）从凌晨0点开始，一直到22点的数据，数据包含了DO（溶解氧）、pH值、水温3个水质指标。当前凌晨4：00的气泡图显示，DO值为3.84mg·L-1，处于最低点，气泡颜色为红色，显示为水质不正常状态。一般认为良好溶解氧水平应在4.00mg·L-1以上[8]，因此应及时采取增氧补救措施。

图1气泡图为时间变量（示例中为“时刻”）从凌晨0点开始，一直到22点的数据，数据包含了DO（溶解氧）、pH值、水温3个水质指标。当前凌晨4：00的气泡图显示，DO值为3.84mg·L-1，处于最低点，气泡颜色为红色，显示为水质不正常状态。一般认为良好溶解氧水平应在4.00mg·L-1以上[8]，因此应及时采取增氧补救措施。

点击执行可以使气泡图产生所有时刻的循环动画。随着时间的变化，水体的DO（溶解氧）值在3.84～9.51变化，pH的变化与DO的变化趋势大致相似。在下午至夜间缓缓下降，而白天逐渐上升，到14：00达到最高值，总体在7.40～7.86浮动，夜间在7.60以下。水温最高为18：00时的30.5℃，最低为4：00时的23.8℃。从红色小三角菜单中，选择尾迹气泡，可以查看它随时间的变化趋势。随着动画的播放，“气泡”留下了气泡尾迹来演示气泡的运行历史轨迹，展示结果如图2所示。

2.2 图形生成器数据探索 “图形生成器”是JMP软件制图的一个控制台，是进行探索性数据分析的最佳选择[9]。通过将用户关注的变量用鼠标随意拖入拖出“图形生成器”作图区域，JMP能自动用最能揭示数据信息的图形进行分析。

图3为养殖水体不同塘号的pH变化曲线图，在JMP的“图形生成器”中，用户将关注的变量“水质指标pH”、“时间”和“塘号”变量拖入作图区域，就可以直观地看到各个养殖塘号的pH随时间变化的曲线趋势。由图3可知，pH值的总体波动范围为7.40～8.88。养殖初期，1#～6#每个养殖塘的pH值相对较大，在养殖0～80d期间，pH值基本处于8.00以上。但随着养殖时间的延长，pH值呈现明显下降的趋势，这主要是因为养殖中后期池塘底部的残饵和悬浮有机物大量积累，它们在微生物作用下分解产生有机酸所引起[8]。pH值降低会使DO降低，同时也可使有毒的硫化氢增加，根据水质情况必须采取相应措施进行调控。

2.3 图形数据动态链接 图形数据动态链接是指在可视化数据分析过程中，数据所选部分可以动态地链接到该数据的其他部分，并将这种链接同步地展现在所有相关报告和图形中。通过动态链接的关联分析，可以即时查看所有变量发生变化的整体效果，进而深入了解其他软件无法轻易揭示的信息[9]。

利用JMP软件的各个图形之间、图形和数据表之间实时动态链接的特点，将时间、pH值、DO（溶解氧）、T通过软件的直方图创建数据图形，当用户点击任何图形，该图形代表的数据在其他图形和数据表中的相应部分也同时被加亮选中，这可以帮助发现数据之间的隐含关系。图4为养殖水体水质指标数据的动态链接图。

由图4可以看出，如果选中直方图中代表“水质状态不正常”的“柱子”，不仅“水质状态不正常”的数据在其他直方图中的分布一目了然，同时，数据表中的数据也同时被相应地选中。从中可知，“水质状态不正常”对应的是凌晨4点的水质指标，状态数据分别为pH值7.4、DO值3.84、水温T23.8℃。这样，借助图形数据动态链接，可以同时从多种图形的角度来对数据进行可视化的分析。

3 结论

本研究以可视化数据分析为技术核心，采用集约化水产养殖在线监控系统获取南美白对虾养殖生态环境数据，综合运用多种表达方法，将各种数据转化为图形、动画等交互分析的形式。

（1）实例研究证明，JMP作为一款大众型统计发现软件，有着简单方便、易上手的优点，它强大的图形功能，可以让初学者不需太多的统计理论知识，就可以很快学会利用JMP提供的统计工具解决实际问题。

（2）借助气泡图动态分析、图形生成器数据探索和图形数据动态链接工具，可以轻松方便的把将水质指标数据，以图形化的方式直观动态的展示数据潜在的趋势和内在的特性，更好的实现数据可视化效果。

对虾养殖过程中，水体环境复杂多变，多个水质参数相互之间影响。应用数据可视化分析，有助于了解对虾养殖池塘水体环境的内在规律，对水质指标进行及时预警，为增氧机、水泵等设备的智能化调控和养殖过程中的精细化管理决策提供有效的技术支持，从而有效促进南美白对虾养殖的健康发展。

参考文献

[1]唐啸尘.温度对南美白对虾的影响[J].海洋科学，2001，27（10）：79-80.

[2]杭小英，周志明，李倩，等.不同养殖模式对南美白对虾生长、病害发生与水质的影响[J].江苏农业科学，2014，42（05）：191-192.

[3]周旋，包罗清，王荣扬.水产养殖环境无线网络智能监控系统[J].科技视界，2014，15：41-42.

[4]Thomas JJ，Cook CA.Illuminating the Path：The Research and Development Agenda for Visual Analytics.Los Alamitos：IEEE Computer Society，2005.1?180.

[5]“智能”养虾 点点鼠标控水质[DB/OL].http：//www.wl.gov.cn/web/zwgk/zwzx/zjdt/201411/t20141111_154761.shtml，2014-11-11.

[6]卡弗.探索性数据分析：基于JMP软件[M].上海财经大学出版社，2013.

[7]徐沛原.基于移动终端日志数据的人群特征可视化研究[D].杭州：浙江大学，2015.

[8]孔巧香，李仁伟，张宾，等.南美白对虾养殖水质理化因子的初步研究[J].环境化学，2012，31（11）：1823-1824.

[9]为何选择JMP?？[DB/OL].https：//www.jmp.com/content/dam/jmp/documents/zh/software/jmp/jmp12/why-jmp12-zh.pdf.