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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳盈守
研究生(外文):Ying-Shou Chen
論文名稱:支援向量機於水域生態環境評估
論文名稱(外文):Application of Support Vector Machine in Assessment of Aquatic Ecological Environment
指導教授:張斐章張斐章引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:生物環境系統工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:支援向量機魚類評估指標水域生態
外文關鍵詞:Support vector machinefish indexesaquatic ecological
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本研究結合水文與水質等多項因子與魚類調查資料作為河川水域生態之評估項目,首先將樣區魚類出現的種類轉化為魚類評估性指標,再藉由支援向量機(SVM)來模擬魚類評估指標和水域環境監測因子之間的相互關係,以建立水域生態評估模式。支援向量機(SVM)為一新興之機械學習方法,具有完備的統計理論與最佳化過程,近年來被廣泛應用於各項科學之資料分類或推估問題;本研究以支援向量機理論為依據建構水域評估模式,並與K-means、Fuzzy C-means、Discrimination等傳統分類或辨識模式作比較。
本研究選用嘉義縣的赤蘭溪和台中縣的筏子溪作為研究區域,經赤蘭溪資料驗證結果顯示,支援向量機(SVM)於水域生態之評估,效果明顯優於其他傳統分類模式。使用赤蘭溪和筏子溪的資料進行測試,其正確率亦高達85%,顯示支援向量機(SVM)的確能有效地利用過去環境的水文與水質監測資料配合魚類調查資料來建立良好的水域生態評估模式。
The main purpose of this study is to propose an aquatic ecological assessment model by the Support Vector Machine (SVM). A number of hydrological factors and water quality with investigated information of fishes are first collected and used as the base of assessment of river ecological condition. The type of collected fishes in a specific river section is then transferred into fish indexes to indicate the suitability of the investigating aquatic ecology. The SVM is then used to construct the aquatic assessment model based on the hydrological factors and water quality information.
The SVM is a linear machine rooted in the statistical learning theory to construct a hyperplane as the decision surface in such a way that the margin of separation between positive and negative examples is maximized. The SVM has been broadly used in solving many scientific problems, especially in pattern classification and nonlinear regression. For the purpose of comparison, three traditional classifying methods, i.e. K-means, fuzzy C-mean, and discrimination, were also used to construct the assessment model.
The measured hydrological data and investigated fishes data obtained in Chihlan creek and Fazih creek River were used to train and test the models. The results demonstrate that the SVM get much better performance than the three traditional classify methods. The cross validation results of accuracy in both creeks obtained by SVM are over 91%. The results suggest that the SVM is a powerful and suitable tool for building an aquatic ecological assessment model.
摘 要 I
Abstract II
章節目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VII
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 4
2.1生態基流量(Minimum instream flow) 4
2.2 溪流增量法(Instream Flow Incremental Methodology ,IFIM) 6
2.2.1 HEC-RAS 模式 8
2.2.2 RHABSIM (Riverine Habitat Simulation software) 10
2.3 生物整合指數(Index of Biotic Integrity ,IBI) 18
第三章 基本理論 22
3.1水域生態評估標準 22
3.2 模式因子選取 27
3.3模式建構之程序與策略 30
第四章 SVM 理論概述 35
4.1簡介 35
4.2 理論內容 36
第五章 實例應用 52
5.1樣區概述 52
5.2 模式比較 67
5.3 模式驗證 79
第六章 結論與建議 86
6.1結論 86
6.2 建議與討論 87
參考文獻 89
附錄A 赤蘭溪資料 96
附錄B 筏子溪資料 100
附錄C 赤蘭溪基本統計資料 104
附錄D 筏子溪基本統計資料 105







表目錄

表1-1 生態工法之考量因子權重表 2
表2-1 IBI評估項目表 19
表3-1 魚類環境容忍度分級表 25
表5-1-1 K-means分2類結果表 69
表5-1-2 K-means分3類結果表 69
表5-1-3 K-means分4類結果表 70
表5-1-4 K-means分5類結果表 71
表5-1-5 K-means分類總結果表 71
表5-2-1 Fuzzy C-means分2類結果表 73
表5-2-2 Fuzzy C-means分3類結果表 74
表5-2-3 Fuzzy C-means分4類結果表 74
表5-2-4 Fuzzy C-means分5類結果表 75
表5-2-5 Fuzzy C-means分類總結果表 76
表5-3-1 判別分析之分類矩陣結果 76
表5-3-2 Jackknifed判別分析分類矩陣結果 77
表5-4 SVM赤蘭溪驗證結果 78
表5-5 各分類方法結果比較 78
表5-6 赤蘭溪交叉驗證結果 81
表5-7 筏子溪交叉驗證結果 83
表5-8 赤蘭溪測試結果 84
表5-9 筏子溪測試結果 84
表5-10 SVM整體模式正確率 85
附表A 赤蘭溪資料 96
附表B 筏子溪資料 100
附表C-1 赤蘭溪交叉驗證資料統計 104
附表C-2 赤蘭溪測試資料統計 104
附表C-3 赤蘭溪變異係數 105
附表D-1 筏子溪交叉驗證資料統計 105
附表D-2 筏子溪測試資料統計 106
附表D-3 筏子溪變異係數 106












圖目錄
圖2.1 水流斷面圖 9
圖2.2 適合度曲線示意圖 11
圖2.3 鯉科魚類適合度曲線 12
圖2.4 平鰭鰍科魚類適合度曲線 13
圖2.5 IFIM整體流程圖 16
圖2.6 IBI評估項目給分細節 20
圖3.1 魚類指標判定流程圖 26
圖3.2 SVM於水域生態分類評估之整體架構流程圖 31
圖3.3 輸入資料示意圖 32
圖3.4 3-fold cross validation示意圖 33
圖4.1 hyperplanes示意圖 37
圖4.2 權重(法向量)示意圖 38
圖4.3 Margin區間大小比較圖 39
圖4.4 SRM理論示意圖 44
圖4.5 SVM整體架構圖 45
圖4.6 SVM訓練架構流程圖 48
圖4.7 複雜資料點分布圖 50
圖4.8 SVM渦狀分類圖 50
圖4.9 SVM高維度切割示意圖一 51
圖4.10 SVM高維度示意圖二 51
圖5.1 赤蘭溪流域圖 52
圖5.2 赤蘭溪採樣區位置圖 53
圖5.3 赤蘭溪樣區一上游 54
圖5.4 赤蘭溪樣區一河道流況 54
圖5.5 赤蘭溪樣區二於94年3月施工情況 55
圖5.6 赤蘭溪樣區二河道水流情況 56
圖5.7 赤蘭溪樣區三之河道兩岸和水流情形 56
圖5.8 赤蘭溪樣區四上游段之河道情形 57
圖5.9 赤蘭溪樣區四農地引用河川水灌溉 57
圖5.10 筏子溪流域圖 58
圖5.11 筏子溪採樣區位置圖 59
圖5.12 筏子溪第一樣區之河道流況 60
圖5.13 筏子溪樣區二之河道情況和港尾子溪之匯流處 61
圖5.14 筏子溪第二樣區岸邊遭人丟棄的垃圾 61
圖5.15 筏子溪東海橋下游 62
圖5.16 筏子溪樣區三附近的水道 63
圖5.17 筏子溪樣區三的河道水流流況 63
圖5.18 筏子溪樣區五之河道流況 64
圖5.19 筏子溪樣區五砂石廠積砂河道 65
圖5.20 筏子溪樣區五附近工廠排放廢水 65
圖5.21 赤蘭溪參數網格搜尋圖一 80
圖5.22 赤蘭溪參數網格搜尋圖二 80
圖5.23 筏子溪參數網格搜尋圖一 82
圖5.24 筏子溪參數網格搜尋圖二 82
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