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专利号: 2024105630792
申请人: 成都慧翠甄网络科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:授权未缴费
更新日期:2024-10-10
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种采用高光谱分析的水质检测方法,其特征在于,包括:收集水体的光谱数据,对水体的光谱数据进行基线校正处理;

对校正后的水体的光谱数据进行特征提取,得到特征向量;

基于特征向量,构建多模态联合反演模型,计算水质参数估计值,根据水质参数估计值,计算基准参考光谱数据;

采集实时光谱数据,根据实时光谱数据与基准参考光谱数据的差异度,判断水质状态;

所述对水体的光谱数据进行基线校正处理,包括:定义水体的光谱数据 ,其中表示不同的波段;

对于第 个波段光谱数据,基线校正公式表示为:;

其中, 是最终校正后的基线光谱数据, 是水体的光谱数据,是对原始光谱数据应用 平滑处理的结果, 是对原始光谱数据做一阶导数,是利用最小二乘回归对上述处理过的数据进行基线校正估计;

所述对校正后的水体的光谱数据进行特征提取,包括多分辨率分析与特征提取、多尺度特征融合与冗余去除和特征降维与归一化,得到特征向量,具体如下:利用离散小波变换提取不同层次和频率的特征,具体表达式为:;

其中, 是第 层小波分解后得到的第 个子带系数, 是最终校正后的基线光谱数据, 是小波母函数在第 层的低通滤波器系数, 是光谱数据的波段数;

采用稀疏表示融合不同层次的特征,并通过正则化去除冗余,具体表达式为:;

其中, 是所有子带系数构成的向量, 是某种预定义的过完备字典矩阵, 是稀疏表示向量, 是正则化参数;

应用局部保持投影进行非线性降维,并进行归一化,具体表达式为:;

其中,  是最终的特征向量, 是融合特征向量, 是通过LPP计算得到的特征向量和对应的特征值分解, 是 范数归一化;

所述构建多模态联合反演模型,计算水质参数估计值,包括定义模态向量和模态特征向量融合,计算水质参数估计值,具体如下:基于特征向量,定义多模态光谱数据的模态向量为 ,其中 为模态数量,将各模态特征向量进行融合,形成联合特征向量,具体表达式为:;

其中, 是联合特征向量, 为第 个模态的特征向量, 为第 个模态的特征向量, 是第 个模态的核函数, 是第 个模态的核函数, 表示张量积,是通过优化得到的权值矩阵元素;

水质参数估计值的表达式为:

其中, 是水质参数估计值, 是水质参数, 是深度学习模型的最后一层权重矩阵,是深度学习模型的隐层表示,依赖于水质参数 , 是联合特征向量, 是 正则化参数, 是贝叶斯正则化的惩罚参数, 是基于贝叶斯优化选择的正则化项;

所述根据水质参数估计值,计算基准参考光谱数据,水质参数估计值 包含浊度和氨氮浓度,将浊度和氨氮浓度作为输入值,计算基准参考光谱数据,表示为:;

其中, 是基准参考光谱数据, 是光源的初始强度, 是与波长 相关的浊度吸收系数, 是浊度, 是氨氮浓度 对光谱产生的修正因子, 是氨氮浓度;

所述采集实时光谱数据,根据实时光谱数据与基准参考光谱数据的差异度,判断水质状态的具体方式为:定义实时光谱数据为 ,结合基准参考光谱数据 ,设定安全限值为 ,计算差异度,表示为:

其中, 表示实时光谱数据与基准参考光谱数据的整体差异度, 是测量光谱数据的波长范围的最大值, 是测量光谱数据的波长范围的最小值, 表示波长 的一个无限小的增量;

当 时,水质状况判定为“优质”,表示实时光谱数据与基准参考光谱数据较为接近,水质稳定且优良;

当 时,水质状况判定为“良好”,表明水质虽有轻微波动但仍处于可控范围内;

当 时,水质状况判定为“中等”,意味着水质已经开始偏离理想状态;

当 时,水质状况判定为“极差”,反映出水质已严重退化。

2.如权利要求1所述的采用高光谱分析的水质检测方法,其特征在于:所述水体的光谱数据包括可见光光谱数据、近红外线光谱数据、红外线光谱数据和紫外线光谱数据。

3.一种采用高光谱分析的水质检测系统,基于权利要求2所述的采用高光谱分析的水质检测方法,其特征在于:包括数据收集模块、特征提取模块、基准参考模块和水质状态判断模块;

所述数据收集模块用于收集水体的光谱数据,对水体的光谱数据进行基线校正处理;

所述特征提取模块用于对校正后的水体的光谱数据进行特征提取,得到特征向量;

所述基准参考模块用于基于特征向量,构建多模态联合反演模型,计算水质参数估计值,根据水质参数估计值,计算基准参考光谱数据;

所述水质状态判断模块用于采集实时光谱数据,根据实时光谱数据与基准参考光谱数据的差异度,判断水质状态。