[发明专利]富营养化水体中氮磷物质含量现场快速检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实时、便捷、可靠的富营养化水体中氮磷物质含量现场快速检测方法及低成本现场检测装置，安装在海洋无线测控网络或水产物联网中。

背景技术

常规的水质富营养化监测是通过采集水样、过滤、萃取以及分光光度计分析，以确定叶绿素浓度。因而大区域的水环境监测是一项极费人力物力和时间的工作，采样方法也不可能对大型湖泊内的藻类分布作全面的调查。

遥感技术作为一种区域性水环境调查和监测手段日益受到重视，北美和欧洲的一些国家早已开展了利用航空遥感数据监测湖泊群内叶绿素分布的研究。叶绿素遥感一般是通过实验研究水体反射光谱特征与叶绿素浓度之间的关系建立叶绿素算法。其困难在于，水体中其它污染物质，如无机悬浮物质和有机溶解性物质(黄色物质)光学效应的干扰，以及藻类及其它污染物质特性的地域性、甚至季节性的差异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于富营养化水体中氮磷物质含量现场快速检测方法及低成本现场检测装置，研究含藻类水体的高光谱反射率特性及其与藻类叶绿素浓度之间的关系，在此基础上建立适合中国湖泊特点的叶绿素高光谱定量遥感模型。

为了实现以上目的，对水体中氮磷物质含量的光谱反演进行了模拟研究，将光谱信号对色差的作用进行了有效的融合。在此基础上，建立了一个较为完整的对可溶性有机物、化学需氧量、总氮、总磷等富营养化表征参数的光谱特性信息的样本集，作为基准图库；基准图库的完整性是决定整个检测模型准确与否的关键所在。基准图库包含灰度，图像边缘、轮廓、表面、谱线等突出特征。最后，通过将所得到的图(包括光谱信息图)与基准图库进行比对和分析，进而反演和模拟水体营养化的色差，推出氮磷物质总含量。本项发明提供了利用光谱测量水体中氮磷物质含量，给出了数据对应关系，解决了原位测量难题。

本发明的有益效果为：发明利用了虚拟现实技术中的光处理技术，更加真实地模拟了光在人类肉眼对灰度图及色差辨别中的关键作用，有力支持了水体中氮磷物质含量的谱图识别技术。此外，为了更加有效地实现计算机对色差及特征谱线的识别，引入了互信息结合粒子群优化算法，以应付多重目标和优化约束的存在，这两者都有重要的贡献。同时，本模型将不同时期(以天为单位)，以及同一日期(以天为单位)不同时刻的光亮度变化进行了量化，可以在不同时刻不同光环境下(自然日照可以灯光)对水体中氮磷物质含量等进行合理的识别。经检验发现具有较高的准确性和较强的预测性，从而大大增加了该模型的普适性。

附图说明

图1为本发明的组成模块示意图。

图2为本发明的硬件设计示意图。

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实例对本发明作进一步描述。

水体中氮磷物质含量快速检测装置，其组成模块由显示模块、存储模块、信号源及硅检测器模块。微处理的IO口P0.10-P0.17用来作为液晶屏的8位数据线，P1.20、P1.21、P1.22、P1.23作为液晶屏的控制信号线；P0.5、P0.6、P0.7作为三路输入信号端，连接硅检测器模块，TX1、RX1用来与无线传输模块之间进行通信；P0.2、P0.3用来实现与存储模块之间进行时钟和串口数据的连接。

首先，提取图像特征。对于硅检测器得到的三维图像必须进行平面化处理。模型采用匀速直线行程扫描算法结合边缘搜索实现提取图像特征。测量前，先对测量进行标定，获取测量系统对图像长度的数值上尺寸度量。标定方法采用映射方法，再在测量系统中连续采集3帧图像，对每帧图像利用图像处理算法计算水样面积在图像中所占的像素个数，这样就求得了3帧图像水样面积的像素个数平均值。

其次，光谱信息提取。为了获得稳定的光谱数据，减少外界因素的干扰，实验在一个暗室中进行。将实验样品放于一张白板，光线探头垂直照射到水样表面，距离水样表面的高度为10cm。测量时及时进行标准白板校正，标准白板的反射击率为1，这样所测得的目标物光谱是无量纲的相对反射率。采用主成分分析进行光谱信息提取，去除光谱前端和末端噪声比较大的区域，波长集中在410nm，687nm和715nm。。

再次，将经过预处理的光谱数据和水体中氮磷物质含量进行偏最小二乘法分析，得到其回归系数，在此基础上，建立样本库，即基准图库。