一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法技术

本发明专利技术公开了一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，所述方法包括：建立丰高光谱数据与红外光谱数据库；基于图神经网络、高光谱数据、红外光谱数据库分别建立高光谱、红外光谱检测模型；对目标区域进行高光谱实时监控，对可疑位置进行标记；反馈标记位置到计算机，通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围；获取高光谱与红外光谱对目标区域检测后得到的报警区域，并进行精确判断。本发明专利技术利用高光谱遥测克服了传统大气遥测速度慢、范围小、不能大面积检测的问题；降低高光谱报警下限的同时使用红外光谱二次检测减少了误报、漏报的情况，大大提高准确率。

A method of atmospheric telemetry combined with chemical imaging and hyperspectral

【技术实现步骤摘要】
一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法
本专利技术涉及化学成像
和高光谱
，尤其涉及一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法。
技术介绍
近年来，大气污染问题越来越受到国家的重视。其中有机污染物(多环芳烃、挥发性有机物、醛类化合物)是影响较为严重的一类。以挥发性有机化合物(VOC)为例，VOC是指沸点范围在50℃一260℃、室温下饱和蒸气压超过的易挥发性化合物，是光化学烟雾的决定性前体物，也是主要前体物。因此，对于VOC防控治理是提高空气质量的重要途径之一。但是现有的VOC检测仪大部分都是针对室内VOC进行检测，对大气中VOC的检测较少，且存在着检测准确度不高或检测时间较长等缺陷。因此将高光谱技术与红外光谱技术进行联用，利用二次检测提高检测效率与精度。首先，大气中的VOC都是不可见的气团，因此普通的图像无法对大气中VOC进行检测。而高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息。利用大气中的VOC在长波红外范围内具有鉴别性的光谱特征体，使用高光谱成像技术可以对大气中的VOC大范围的遥测。其次，高光谱技术虽然可以大范围的对大气中VOC进行遥测，但是准确度并不高，常有误报，漏报的情况。利用傅氏转换红外线光谱分析仪(FITR)具有高灵敏度和分辨率的特点，可以对大气中VOC进行准确定点检测。同时FTIR可进行实时的多组分同时遥测，所以在多种遥测技术中，FTIR遥测具有其独特的优势，被各国科研人员深入研究用于大气污染的定性定量监测。因此通过高光谱与红外光谱联用可以更快速准确的对大气中的VOC进行遥测。
技术实现思路
本专利技术提供了一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，本专利技术利用高光谱遥测克服了传统大气遥测速度慢、范围小、不能大面积检测的问题；降低高光谱报警下限的同时使用红外光谱二次检测减少了误报、漏报的情况，大大提高准确率，详见下文描述：一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，所述方法包括：建立丰富的高光谱数据与红外光谱数据库；基于图神经网络、高光谱数据、红外光谱数据库分别建立高光谱、红外光谱检测模型；对目标区域进行高光谱实时监控，对可疑位置进行标记；反馈标记位置到计算机，通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围；获取高光谱与红外光谱对目标区域检测后得到的报警区域，并进行精确判断。其中，所述建立高光谱、红外光谱检测模型具体为：使用梯度下降求导迭代对输入函数进行求解，对状态及输出值进行迭代；根据输出值获取输出函数，所述输出函数即为光谱遥测的预测模型；将采集到的光谱图代入得到需要预测光谱图像的状态，最终带入预测模型，设定阈值，当预测值大于阈值时则为检测到目标气体并进行标记。进一步地，所述方法还包括：通过偏最小二乘回归的化学计量学进一步获取监测地区气体成分与浓度信息。其中，所述通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围具体为：利用计算机控制红外光谱仪对报警区域进行逐点扫描报警区域，对报警区域进行准确定点检测。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术具有显著的优势，不仅可以对目标区域进行大范围的实时检测，有效降低系统误报和漏报的情况，而且可以根据预采集的光谱数据库，结合化学计量学的方法获得目标区域气体的成分信息和浓度信息，实现多种目标气体的同时测量；2、由于高光谱数据量较大，传统的处理需要十几分钟，本实验室开发了配套算法可以实现高光谱实时遥测；3、大气遥测技术是利用高光谱技术与红外光谱技术对大气进行二次检测，实现对目标气体的大范围精准实时检测：第一，利用高光谱技术速度快，范围广的特点，对目标区域进行低阈值快速检测，克服了传统大气遥测不能大面积检测的问题，对可疑目标进行标记；第二，利用红外光谱技术对标记区域进行准确定点检测，解决了高光谱遥测准确度不高、误报、漏报的问题，从而获取更精确数据。附图说明图1是本专利技术提供的一种红外光谱与高光谱联用的大气遥测方法的流程图；图2为本设计的结构框图；图中，(1)为遥测区域，(2)为高光谱仪，(3)为计算机，(4)为红外光谱仪。图3为利用本设计对大气中的丙酮进行遥测的示意图；其中，(a)为进行遥测的目标区域；(b)为丙酮在波谱范围为3.0-3.6μm的波形图；(c)为通过高光谱仪在3.0-3.6μm波谱范围对丙酮低阈快速检测所确定的报警区域图；(d)为丙酮波谱范围为4.0-8.5μm的波形图；(e)为利用红外光谱仪对利用高光谱的报警区域二次精确检测示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例并不是对现有的高光谱与红外光谱技术的简单叠加，原理如下：首先高光谱对大气遥测数据量较大，现有的高光谱数据处理较慢且精度较低，而红外光谱技术普遍使用扫描式，对于大面积的大气遥测速度很慢，本专利技术实施例利用高光谱技术对目标区域进行定位，大大的缩小了检测范围，使得红外光谱检测可以在小范围内定点检测，因此可以实现大范围快速，高精度检测。实施例1本专利技术实施例提供了一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，以大气中的VOC遥测为例，本专利技术利用高光谱对目标区域进行快速大范围的实时监测，识别并上传可疑位置，再通过红外光谱对标记位置进行二次检测，提高大气遥测的准确度，参见图1，该方法包括以下步骤：101：建立丰富的高光谱数据与红外光谱数据库；102：基于图神经网络、高光谱数据建立高光谱检测模型；103：基于图神经网络、红外光谱数据库建立红外光谱检测模型；104：对目标区域进行高光谱实时监控，对可疑位置进行标记；105：反馈标记位置到计算机，通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围；获取高光谱与红外光谱对目标区域检测后得到的报警区域，并进行精确判断。实施例2下面结合图2和图3对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：根据国际上对VOC的定义，针对所有的100余种VOC进行光谱的数据采集，并且将所采集的所有数据建立丰富的红外光谱数据库与高光谱数据库。利用获得的红外光谱数据库与高光谱数据库分别建立模型，结合化学计量学的方法获得目标区域气体的成分信息和浓度信息。图2示出了本设计的结构框图，目标气体为大气中的VOC。本设计利用计算机协调控制快照式高光谱成像仪与红外光谱仪。将采用高光谱仪对目标区域进行检测，检测波段为3-4μm，对目标区域进行实时扫描，将采集到的高光谱数据传输到计算机，利用已经建立的高光谱模型和化学计量学方法，分析目标区域气体的成分信息和浓度信息。降低高光谱检测对目标气体的报警阈值，即假定系统被设定当大气中丙酮含量超过0.01％时会进行报警，在高光谱检测阶段会标记所有丙酮含量超过0.008％的区域，从而防止系统漏报。将所有标记区域都记录下来并存储在计算机上。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，其特征在于，所述方法包括：/n建立丰高光谱数据与红外光谱数据库；/n基于图神经网络、高光谱数据、红外光谱数据库分别建立高光谱、红外光谱检测模型；/n对目标区域进行高光谱实时监控，对可疑位置进行标记；/n反馈标记位置到计算机，通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围；获取高光谱与红外光谱对目标区域检测后得到的报警区域，并进行精确判断。/n

【技术特征摘要】
1.一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，其特征在于，所述方法包括：
建立丰高光谱数据与红外光谱数据库；
基于图神经网络、高光谱数据、红外光谱数据库分别建立高光谱、红外光谱检测模型；
对目标区域进行高光谱实时监控，对可疑位置进行标记；
反馈标记位置到计算机，通过计算机控制红外光谱仪的扫描范围；获取高光谱与红外光谱对目标区域检测后得到的报警区域，并进行精确判断。


2.根据权利要求1所述的一种化学成像与高光谱联用的大气遥测方法，其特征在于，所述建立高光谱、红外光谱检测模型具体为：
使用梯度下降求导迭代对输入函数进行求解，对状态及输出值进行迭代；
根据输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇峰，崔泽霖，马翔云，王慧捷，吕海岳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12