基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷分析方法及系统，解决传统单波长、多波长法在测量总氮总磷浓度较低的海水时存在的检测精度低及仪器检测下限较低的问题，主要包括数据获取，吸光度转换，平滑滤波，特征位置选取，特征峰面积计算，回归模型和浓度数据输出共七部分，利用特征峰面积，能将临近仪器检测下限的微弱吸光度信号可用信息量进行放大，能提升临近仪器检测下限时仪器的检测能力。

【技术实现步骤摘要】
基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷分析方法及系统
本专利技术涉及一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析方法及系统。
技术介绍
海水总氮总磷是反映海水受污染及富营养化程度的重要指标之一。实现海水总氮总磷在线监测，能为生态监测及赤潮、绿潮等生态灾害的预警提供长期连续的实时监测数据，提高预报时效性和准确度。基于吸收光谱法的海水水质在线监测技术，是一种以水中特定物质对特定波长的光产生吸收作用为原理，通过测量物质的分子吸收光谱，来间接的测量水质参数的方法。光谱法由于不需要化学试剂，相比传统的化学检测方法，能做到实时的在线原位测量。传统的吸收光谱法主要利用单波长、多波长法测量海水总氮总磷。单波长法通常通过水体在540nm和880nm处的吸光度，通过线性回归的方法来测量海水总氮和总磷。多波长法在单波长的基础上，增加了矫正波长，来矫正水体测试时环境因素的干扰，采用540nm、551nm、671nm等多处波长的吸光度，通过加权分析的方法，建立海水总氮总磷预测模型进行总氮总磷检测。上述单波长、多波长的方法可用的信息量不足，仅是该波长的吸光度，如总氮总磷浓度较低对应吸光度较小时，很难检测到，导致仪器检测下限较低且检测精度不高。
技术实现思路
为了解决传统单波长、多波长法在测量总氮总磷浓度较低的海水时存在的检测精度低及仪器检测下限较低的问题，本专利技术针对海水总氮在线监测仪器对高精度、高实时性的要求，提出了一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析方法，通过计算吸收光谱特征峰面积进行建模，在保证实时性的同时，能有效的增加仪器检测精度及检测下限。本专利技术的技术解决方案是提供一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析方法，包括以下步骤：步骤一、获取光谱数据；采集被测水体的紫外-可见-近红外光谱曲线数据和人工海水的紫外-可见-近红外光谱曲线数据；步骤二、吸光度转换；采用公式(1)计算被测水体的吸光度曲线A：式中IA为被测水体的透射光谱，IB为人工海水的透射光谱；步骤三、平滑滤波；将吸光度A进行扩充，然后进行平滑滤波，获得被测水体中总氮与总磷的吸收光谱曲线B_N，B_P；步骤四、选取特征位置，确定特征光谱；将总氮吸收光谱曲线B_N特征峰的初始像元点位置作为总氮特征位置的初始点，记为Start_N，终止像元点位置作为总氮特征位置的终止点，记为End_N；对于总氮，特征光谱D_N＝g(B_N，Start_N，End_N)，特征光谱D_N中共包含End_N-Start_N+1的像素点，其中函数g(X，a，b)为一种截取函数，对其输入函数W从起始位置索引a到终止位置索引b进行截取得到其输出；即在总氮吸收光谱曲线B_N上截取从Start_N到End_N之间的光谱曲线作为总氮的特征光谱D_N；D_N＝{A1，A2，...，AEnd}，其中，A1为Start_N对应的吸光度，A2为Start_N+1对应的吸光度，AEnd为End_N对应的吸光度；将总磷吸收光谱曲线B_P特征峰的初始像元点位置作为总磷特征位置的初始点，记为Start_P，终止像元点位置作为总磷特征位置的终止点，记为End_P；对于总磷则特征光谱D_P＝g(B_P，Start_P，End_P)，特征光谱D_P中共包含End_P-Start_P+1的像素点；其中函数g(X，a，b)为一种截取函数，对其输入函数X从起始位置索引a到终止位置索引b进行截取得到其输出；即在总磷吸收光谱曲线B_P上截取从Start_P到End_P之间的光谱曲线作为总磷的特征光谱D_P；D_P＝{A1′，A2′，…，AEnd′}，其中，A1′为Start_P对应的吸光度，A2′为Start_P+1对应的吸光度，AEnd′为End_P对应的吸光度；步骤五、特征峰面积计算；新建列向量C_N和C_P，对于总氮C_N＝{StartN，StartN+1，...，End_N}；对于总磷C_P＝{StartP，StartP+1…，End_P}；按照下式计算特征峰面积S_N、S_P：其中，函数f(x)为一种排序函数，把输入列向量x中的第一个元素放到最后一位，得到其输出；步骤六、回归模型；N＝8.9023*S_N+0.4902(公式5-1)P＝2.6589*S_P-52.6337(公式5-2)上式中S_N为步骤五中计算出的对于总氮的特征峰面积，N则为该次测量所得到的海水总氮浓度，S_P为步骤五中计算出的对于总磷的特征峰面积，P则为该次测量所得到的海水总磷浓度；步骤七、浓度数据输出。本专利技术还提供一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析系统，包括处理器及存储器，其特殊之处在于：上述存储器中存储计算机程序，计算机程序在处理器中运行时，执行上述的方法。本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其特殊之处在于：储存有计算机程序，计算机程序被执行时实现上述的方法。本专利技术的有益效果是：1、传统方法利用光谱特征位置进行建模，可用信息量较少，仅为其特征位置，当实际检测浓度临近仪器检测下限时，检测效果较差。本方法利用特征峰面积，能将临近仪器检测下限的微弱吸光度信号可用信息量进行放大，能提升临近仪器检测下限时仪器的检测能力。2、本方法使得总氮的决定系数相比传统方法提升了15％，均方根误差相比传统方法减少了64％；总磷的决定系数相比传统方法提高了8％，均方根误差相比传统方法减少了71％。明显提高了仪器的检测精度。3、本方法相比支持向量机、神经网络等高计算复杂度的方法计算速度快，在提升检测下限及检测精度的情况下，不会增加检测所需的时间。附图说明图1为本专利技术方法流程框图；图2a为总氮透射光谱曲线图；图2b为总磷透射光谱曲线图；图3a为总氮吸收光谱曲线图；图3b为总磷吸收光谱曲线图；图4a为滤波后总氮的吸收光谱曲线图；图4b为滤波后总磷的吸收光谱曲线图；图5a为总氮模型回归效果图；图5b为总磷模型回归效果图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步地描述。如图1，本专利技术方法主要包括数据获取，吸光度转换，平滑滤波，特征位置选取，特征峰面积计算，回归模型和浓度数据输出共七部分。第一步：数据采集。采用紫外-可见-近红外光纤光谱仪与LED光源组成的全光谱分析模组测量被测水体的紫外-可见-近红外光谱曲线和人工海水的光谱曲线如图2a与2b所示。采集被测水体的紫外-可见-近红外光谱曲线和人工海水的光谱曲线数据。第二步：吸光度转换。采用公式(1)来计算被测水体的吸光度：式中IA为被测水体的透射光谱，IB为人工海水水的透射光谱，A为被测水体的吸光度，每条光谱曲线均有4096个像素点。本步骤算出的吸收光谱曲线如图3a与图3b所示，包括总氮吸收光谱曲线与总磷吸收光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、获取光谱数据；/n采集被测水体的紫外-可见-近红外光谱曲线数据和人工海水的紫外-可见-近红外光谱曲线数据；/n步骤二、吸光度转换；/n采用公式(1)计算被测水体的吸光度曲线A：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于吸收光谱特征峰面积的海水总氮总磷定量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取光谱数据；
采集被测水体的紫外-可见-近红外光谱曲线数据和人工海水的紫外-可见-近红外光谱曲线数据；
步骤二、吸光度转换；
采用公式(1)计算被测水体的吸光度曲线A：



式中IA为被测水体的透射光谱，IB为人工海水的透射光谱；
步骤三、平滑滤波；
将吸光度A进行扩充，然后进行平滑滤波，获得被测水体中总氮与总磷的吸收光谱曲线B_N,B_P；
步骤四、选取特征位置，确定特征光谱；
将总氮吸收光谱曲线B_N特征峰的初始像元点位置作为总氮特征位置的初始点，记为Start_N，终止像元点位置作为总氮特征位置的终止点，记为End_N；在总氮吸收光谱曲线B_N上截取从Start_N到End_N之间的光谱曲线作为总氮的特征光谱D_N；D_N＝{A1,A2,…,AEnd}，其中，A1为Start_N对应的吸光度，A2为Start_N+1对应的吸光度，AEnd为End_N对应的吸光度；
将总磷吸收光谱曲线B_P特征峰的初始像元点位置作为总磷特征位置的初始点，记为Start_P，终止像元点位置作为总磷特征位置的终止点，记为End_P；在总磷吸收光谱曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘嘉诚，于涛，王雪霁，杜剑，刘宏，刘骁，张周锋，鱼卫星，胡炳樑，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61