[发明专利]多模态光学成像水质遥感检测装置与污染特征提取方法

说明书

本发明公开了一种多模态光学成像水质遥感检测装置与污染特征提取方法，装置包括：白光光源与荧光激发光源组合的光源，成像相机与滤光轮组合的图像采集装置；采用滤光轮切换窄带滤光片，获取不同波长光谱成像信号，实现吸收光谱与荧光光谱相结合的多模态光学成像方式；各个成像相机得到的图像编程为数字信号传输至数据采集与处理系统进行处理，提取污染物特征。方法包括：采用仿射边能换方法，对测量到的吸收光谱及荧光光谱图像进行配准，实现图像测量范围及分辨率的一致；逐个统计融合后的图像特征；以灰度均值、方差、灰度共生矩阵的能量和相关性为特征向量，采用支持向量机对融合后的图像特征进行分类，从而实现广阔水域中不同污染特征的提取。

技术领域

本发明涉及水质在线监测领域，尤其涉及一种多模态光学成像水质遥感检测装置与污染特征提取方法。

背景技术

水资源是地球生态系统中不可缺少一部分，也是人类文明发展赖以生存的一环。基于中国国情，我国的淡水资源总量名列世界第四位，但是我国的人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。在中国人均水量不足的情况下，全国人民的生活、农业、人工生态用水量依然很大。我国正面临水资源严重不足的问题，水资源的污染也很严重。据《2018年中国水资源公报》，受到严重污染的劣V类水质所占比例较高，严重污染的浅层地下水、河流、湖泊分别占比46.9％，5.5％，16.1％。如此严重的水资源污染使得本就稀少的淡水资源的处境雪上加霜。

目前我国面临的水资源污染问题主要体现在工业废水与农业污染水处理不当和水资源监测、治理管理体系不够健全。水中污染物主要分成物理性、化学性和生物性污染物。物理性污染物主要是悬浮颗粒、放射性物质；化学性污染物分成磷，氮等无机污染物和苯类，油类等有机污染物；生物性污染物主要是生活污水、废水。

为了对水资源进行合理的开发和使用，水质监测已经刻不容缓，目的是通过定量分析其中各种污染物含量，掌握水质的实时动态变化，掌握其变化情况与规律，为政府相关部门提供监测及水污染防治的科学依据。在线常规水质监测水质参数如下：常规五参数(pH、水温、溶解氧、浊度、电导率)、氧化还原电位(ORP)、总有机碳(TOC)、化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、总氯、硝氮、硬度、盐度等。目前常用的监测方法包括化学法，电化学法，生物传感器法，光谱法。化学法是目前应用最多分析方法，如利用重铬酸钾或高锰酸钾作为氧化剂来测量化学需氧量(COD)。这种方法有着明显的缺陷：检测速度慢，存在二次污染，成本较高，不能实现实时在线检测。电化学法利用溶液中物质的电化学反应来检测物质的含量，测量时间短，测量结果准确，但是电极使用寿命较短。生物传感器法是基于酶、微生物等分子识别元件来识别不同的生物活性物质，局限于生物响应的稳定性。

光谱法是当今广泛使用的仪器分析法之一。在水质参数检测中，利用光谱检测原理实现水质污染成分检测的技术主要包括吸收光谱法，荧光光谱法，原子吸收光谱法，拉曼光谱法。荧光光谱法的原理是利用不同物质经过特定波长时所发生的荧光特性和强度，但并不是所有的物质均能产生荧光，可检测物质种类较少。原子吸收光谱法(AAS)是在待测元素的特定波长下，由样品所产生的原子蒸汽的吸收程度来检测该元素的浓度。AAS测量准确度高，操作简单，但是AAS不能对难溶元素，非金属元素进行测定，主要用于金属元素的检测。拉曼光谱法是通过检测待测物质的拉曼散射光谱，获得分子结构特性，其优点是特异性好，检测灵敏度高。目前，拉曼光谱法与其他技术相结合，广泛用于测量不同水样的所含杂质浓度。吸收光谱测量常与化学计量学等建模分析方法相结合，可以有效提高水质参数在线检测精度及可靠性。其中，紫外-可见全谱段测量覆盖光谱范围 200nm-800nm，在该范围内可测量的物质包括：饱和烃类有机化合物等水中大部分有机物，水中碳含量，硝酸盐氮，水中颗粒物等。2010年，Christos M.等人使用一组探针，基于紫外吸收光谱去卷积方法，确定COD、悬浮固体、硝酸盐的含量，快速评估废水质量。Jingwei Li等人研究了紫外-可见光谱在测量COD时，受到浊度干扰后的补偿方法。Ke Wang等人开发了一种使用紫外-可见光谱技术的污染物检测方法，结合概率分布，消息传递算法和贝叶斯理论的优点，以更高的概率检测污染事件。