problem

背景：
光污染用于描述過(guò)度或不良使用人造光。我們稱(chēng)之為光污染的一些現(xiàn)象包括光侵入、過(guò)度照明和光雜波。在大城市，太陽(yáng)落山后，這些現(xiàn)象最容易在天空中看到:然而，它們也可能發(fā)生在更偏遠(yuǎn)的地區(qū)。
光污染會(huì)改變我們對(duì)夜空的看法，對(duì)環(huán)境造成影響，并影響我們的健康和安全。例如，植物成熟可能會(huì)延遲或加速，野生動(dòng)物的遷徙模式也會(huì)受到影響。過(guò)度的人造光可能會(huì)擾亂我們的晝夜節(jié)律，導(dǎo)致睡眠質(zhì)量下降，可能還會(huì)導(dǎo)致身心健康問(wèn)題。人造燈光引起的眩光可
能會(huì)導(dǎo)致一些機(jī)動(dòng)車(chē)事故。社區(qū)官員或地方團(tuán)體可以實(shí)施干預(yù)策略，以減輕光污染的負(fù)面影響。然而，人造光具有積極和消極的影響，以不同的方式影響不同的位置。例如，為了避免上述光污染的負(fù)面影響,一些社區(qū)選擇了光線較低的社區(qū)，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致犯罪增加。光污染的影響可能取決于當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展水平、人口、生物多樣性、地理和氣候等因素。因此，評(píng)估任何干預(yù)策略的影響程度和潛在影響必須針對(duì)特定地點(diǎn)。

要求：
COMAP 組委會(huì)的照明控制任務(wù) (ICM) 正在努力提高對(duì)光污染影響的認(rèn)識(shí)，并制定干預(yù)策略以減輕這些影響。為了支持 ICM 的這項(xiàng)工作，您的任務(wù)是解決測(cè)量和減輕不同地點(diǎn)光污染的影響，同時(shí)考慮人類(lèi)和非人類(lèi)的問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，您應(yīng)該:

• 制定一個(gè)廣泛適用的指標(biāo)，以確定一個(gè)地點(diǎn)的光污染風(fēng)險(xiǎn)水平。
• 根據(jù)以下四種不同的類(lèi)型應(yīng)用度量并解釋其結(jié)果位置:
  o 受保護(hù)的土地位置，
  o 農(nóng)村社區(qū)，
  o郊區(qū)社區(qū)，以及
  o 城市社區(qū)。
• 描述解決光污染的三種可能的干預(yù)策略。討論實(shí)施每項(xiàng)戰(zhàn)略的具體行動(dòng)，以及這些行動(dòng)對(duì)光污染總體影響的潛在影響。
• 選擇您的兩個(gè)地點(diǎn)，并使用您的度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定您的干預(yù)策略中哪一個(gè)對(duì)他們最有效。討論所選擇的干預(yù)策略如何影響所在地的風(fēng)險(xiǎn)水平。
• 最后，針對(duì)您確定的一個(gè)地點(diǎn)及其最有效的干預(yù)策略，制作一張 1 頁(yè)傳單，宣傳該地點(diǎn)的策略。

總頁(yè)數(shù)不超過(guò) 25 頁(yè)的 PDF 解決方案應(yīng)包括:

• 一頁(yè)匯總表。
• 目錄。
• 您的完整解決方案。
• 一頁(yè)促銷(xiāo)傳單。
• 參考列表。
• 注:ICM 競(jìng)賽有 25 頁(yè)的限制。您提交的所有方面都達(dá)到了 25 頁(yè)的限制(匯總表、目錄、報(bào)告、一頁(yè)促銷(xiāo)傳單、參考列表和任何附錄)。你必須引用你的想法、圖片和報(bào)告中使用的任何其他材料的來(lái)源。

solution1

• 問(wèn)題1：
  首先我們要知道光污染以兩種形式存在:天空輝光也稱(chēng)為人造天空輝光、光穹或逃逸光) 是由散射在大氣中的人為光使夜空變亮眩光是光線的直接照射，這兩種形式都會(huì)影響人類(lèi)對(duì)夜空、自然景觀和夜晚其他微弱特征的感知。
  要制定一個(gè)廣泛適用的指標(biāo)來(lái)確定一個(gè)地點(diǎn)的光污染風(fēng)險(xiǎn)水平,該指標(biāo)應(yīng)考慮到地點(diǎn)的發(fā)展水平、人口、生物多樣性、地理和氣候等因素。這些因素可能包括該地點(diǎn)的光照強(qiáng)度、光源類(lèi)型、光照持續(xù)時(shí)間、光照頻率以及對(duì)周?chē)h(huán)境和生物體的影響。我們可以通過(guò)回歸分析來(lái)制定光污染風(fēng)險(xiǎn)水平指標(biāo)的方法，以確定與給定位置的光污染最密切相關(guān)的變量。一旦開(kāi)發(fā)了回歸模型，它就可以用于根據(jù)各種數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入來(lái)計(jì)算預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)水平。其實(shí)用綜合評(píng)價(jià)比較好，但我估計(jì)大多數(shù)人都是用的這種方法哈
  也可以考慮下面這幾個(gè)因素:
  skyglow: 人造光在夜空中產(chǎn)生輝光的程度光侵入: 光溢出到不需要或不需要的區(qū)域的程度
  眩光:燈光造成不適或妨礙視力的程度
  照度: 特定區(qū)域的人造光水平。
  我們可以優(yōu)先通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)得到可視化圖，例如人口密度、土地使用和夜間衛(wèi)星圖像，以創(chuàng)建一個(gè)合成地圖，直觀地顯示光照風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域污染我們可以在美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)，還有光污染科學(xué)技術(shù)研究所 (LPSTI面得到全球光污染的程度，制圖如下圖所示:

• 問(wèn)題2：
  使用第一問(wèn)的指標(biāo)，我們可以評(píng)估四種不同類(lèi)型地點(diǎn)的光污染風(fēng)險(xiǎn)水平:受保護(hù)土地位置:國(guó)家公園或野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)等受保護(hù)土地位置應(yīng)具有低光污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別這意味著天光極少，光侵入不存在，眩光也極少，同時(shí)照度水平保持在最低水平，以避免破壞自然棲息地和生態(tài)系統(tǒng)。
  農(nóng)村社區(qū):農(nóng)村社區(qū)也應(yīng)該具有低光污染風(fēng)險(xiǎn)水平,但它的照度水平可能略高于保護(hù)區(qū)位置重點(diǎn)應(yīng)放在減少天光和光侵入，同時(shí)盡量減少眩光以確保公共安全。郊區(qū)社區(qū): 由于路燈、商業(yè)地產(chǎn)和住宅照明的結(jié)合，郊區(qū)社區(qū)可能具有中等光污染風(fēng)險(xiǎn)水平重點(diǎn)應(yīng)放在減少天光和光侵入上，同時(shí)管理照度水平以平衡安全問(wèn)題與對(duì)一定水平光的需求
  城市社區(qū):由于照明設(shè)備和路燈密度高，城市社區(qū)可能具有較高的光污染風(fēng)險(xiǎn)水平。重點(diǎn)應(yīng)放在減少天光和光侵入上，同時(shí)管理照度水平以平衡安全問(wèn)題與對(duì)一定水平光的需求

• 問(wèn)題3
  使用運(yùn)動(dòng)傳感器和計(jì)時(shí)器:一種干預(yù)策略是使用運(yùn)動(dòng)傳感器和計(jì)時(shí)器來(lái)控制人工照明的使用該策略將通過(guò)確保僅在需要時(shí)使用燈來(lái)幫助減少光污染。例如，運(yùn)動(dòng)傳感器可用于在檢測(cè)到汽車(chē)或行人時(shí)打開(kāi)路燈，而定時(shí)器可用于在特定時(shí)間后關(guān)閉燈。使用高效照明: 另一種策略是使用能提供充足光線同時(shí)最大限度減少光污染的高效光源。這可能涉及用耗能更少、光污染更少的 LED 燈替換傳統(tǒng)燈泡。社區(qū)教育: 第三個(gè)策略是就光污染的負(fù)面影響以及如何減少光污染對(duì)社區(qū)進(jìn)行教育。包括有關(guān)使用屏蔽以最大限度地減少光侵入的重要性、使用運(yùn)動(dòng)傳感器和計(jì)時(shí)器的好處以及選擇旨在減少眩光的照明燈具的重要性的信息。

• 問(wèn)題4:
  要確定哪種干預(yù)策略對(duì)每個(gè)位置最有效,我們可以應(yīng)用上述指標(biāo)并考慮每個(gè)位置的獨(dú)特特征例如,天輝度較低的農(nóng)村社區(qū)可能會(huì)從使用運(yùn)動(dòng)傳感器和計(jì)時(shí)器以降低照度水平中獲益更多.而天輝度較高的城市社區(qū)可能會(huì)從使用高效照明以降低整體光輸出中獲益更多。

• 問(wèn)題5：
  制作一頁(yè)的傳單《以宣傳對(duì)其中一個(gè)已確定地點(diǎn)的最有效干預(yù)策略。此傳單應(yīng)根據(jù)具體位置量身定制，并突出不預(yù)策略的好處。完成這個(gè)問(wèn)題需要全面了解光污染的影響和促成光污染的因素，以及制定和實(shí)施有效干預(yù)策略的能力。還需要強(qiáng)大的溝通技巧才能有效地推廣針對(duì)特定位置的最有效策略。其實(shí)就是總結(jié)前面的策略.

solution2

• 問(wèn)題一
  要求開(kāi)發(fā)一個(gè)廣泛適用的指標(biāo)，以確定位置的光污染風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。這一問(wèn)非常非常明確，同時(shí)又非常重要，將奠定全文基礎(chǔ)，可使用的方法也比較多。對(duì)于指標(biāo)，大家一定要多選且不要糾結(jié)，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，選相關(guān)的即可，先選的多，比較全面，之后再進(jìn)行指標(biāo)的進(jìn)一步處理。舉個(gè)例子，一開(kāi)始選取10 個(gè)一級(jí)指標(biāo)、50 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，之后再用PCA 降維和因子分析等進(jìn)行融合、降維處理即可，注意要廣泛適用！通過(guò)較多的指標(biāo)，來(lái)體現(xiàn)廣泛！確定光污染的級(jí)別，則需要對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)（建議對(duì)全球各國(guó)進(jìn)行評(píng)價(jià)，相比只有一個(gè)國(guó)家的數(shù)據(jù)而言，這種更具有代表性，在此體現(xiàn)出廣泛適用），各種評(píng)價(jià)算法，如層次分析、熵權(quán)法和TOPSIS法等，也可以進(jìn)行組合使用（沒(méi)有最好的方法，只有最好的邏輯），之后進(jìn)行分級(jí)處理，分級(jí)處理可以使用數(shù)據(jù)編碼、三分位數(shù)劃分等，或者是自己定義劃分原則，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行劃分。層次分析是最好用的，

• 問(wèn)題2
  要求應(yīng)用問(wèn)題1 的指標(biāo)，解釋在不同類(lèi)型地點(diǎn)的結(jié)果。對(duì)于問(wèn)題2，可以使用決策樹(shù)模型，為了增加亮點(diǎn)，可以在決策樹(shù)的基礎(chǔ)上使用優(yōu)化算法，如PSO 算法等，建議基于粒子群算法優(yōu)化的決策樹(shù)模型。除了建立模型之外，問(wèn)題2 重在分析，四個(gè)不同類(lèi)型地點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果不同，結(jié)合所建立的模型分析為什么出現(xiàn)差異，并且在摘要中進(jìn)行一定的說(shuō)明，這將是一個(gè)加分項(xiàng)?？梢允褂玫臎Q策樹(shù)有很多，如C4.0、C4.5 等。決策樹(shù)是工樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，它從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)不同的結(jié)果將數(shù)據(jù)樣本劃分成不同的數(shù)據(jù)樣本子集，每個(gè)數(shù)據(jù)樣本子集構(gòu)成子節(jié)點(diǎn)。構(gòu)造決策樹(shù)的目的是找出屬性和類(lèi)別間的關(guān)系，用它預(yù)測(cè)將來(lái)未知類(lèi)別。C4.5 算法能夠處理離散型和連續(xù)型的屬性類(lèi)型，通過(guò)信息增益率來(lái)選擇劃分特征，克服了用信息增益選擇的不足。

• 問(wèn)題3：
  問(wèn)題3：對(duì)于問(wèn)題3，要求描述解決光污染的干預(yù)策略，并討論實(shí)施每種策略的具體行動(dòng)以及對(duì)光污染的潛在影響。對(duì)于這一個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該結(jié)合問(wèn)題2 建立的決策樹(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，此處可以使用SHAP 模型。SHAP 模型是一種新興的解釋機(jī)器模型學(xué)習(xí)方法，它通過(guò)計(jì)算每個(gè)特征的有效值來(lái)推斷模型的決策，從而得出有意義的解釋結(jié)果。該方法能夠根據(jù)用戶提供的輸入數(shù)據(jù),生成一個(gè)圖形，通過(guò)圖形展示模型的行為。與其他解釋模型方法相比，SHAP的優(yōu)勢(shì)是它可以提供對(duì)各個(gè)特征的有效貢獻(xiàn)度以及解釋模型的決策過(guò)程。SHAP 的計(jì)算公式如下：

• 問(wèn)題4：
  要求選取兩個(gè)地點(diǎn)，并使用先前建立的指標(biāo)確定的干預(yù)策略中那個(gè)最有效。這一問(wèn)的地點(diǎn)選擇比較重要，建議選取光污染差異大的地點(diǎn)，從而可以對(duì)比分析?？梢岳^續(xù)使用SHAP 模型，分析各個(gè)指標(biāo)的重要度，并得到干預(yù)措施是如何影響各個(gè)指標(biāo)的，之后進(jìn)行分析即可。這一問(wèn)的處理可以圓滑一點(diǎn)，尤其是描述結(jié)果的時(shí)候，除分析結(jié)果之外，要會(huì)說(shuō)，要側(cè)面體現(xiàn)指標(biāo)體系的合理性，所有的分析，都要體現(xiàn)這一點(diǎn)。大家注意，美賽的開(kāi)發(fā)程度很高，不要過(guò)于糾結(jié)結(jié)果的正確性，而應(yīng)該把精力放在邏輯性上，如何串起來(lái)，有頭有尾很重要！

• 問(wèn)題5：
  問(wèn)題5 實(shí)際就是前文的總結(jié)，建議可以做一些流程圖之類(lèi)的，增加美觀程度。下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，使用PPT就可以制作。