一种基于高光谱的船舶尾气测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，包括高光谱数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱数据采集模块包括线扫描的高光谱相机及设有高广角镜头的普通相机；普通相机用于定位目标船舶；高光谱相机用于实时线扫描采集目标船舶尾气的光谱数据；数据预处理模块用于对采集的高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的高光谱图像数据进行分析处理，其内设有基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，多维时序船舶尾气光谱分析模型输入目标船舶尾气的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据。本发明专利技术还公开了一种基于高光谱的船舶尾气测量方法。本发明专利技术基于支持向量机建立光谱分析模型，提高了识别速度与准确率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高光谱的船舶尾气测量系统及方法
本专利技术涉及一种船舶尾气测量
，特别涉及一种基于高光谱的船舶尾气测量系统及方法。
技术介绍
船舶排出的尾气中主要含有氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)，碳氧化物(COx)，碳氢化合物(HC)及颗粒物等。船舶尾气使温室效应、臭氧层破坏和酸雨等大气环境问题变得更为严重，在污染空气的同时，严重影响了人类日常生活的方方面面，对人们的身体健康构成极大的威胁。随着船舶发动机排放污染问题越来越突出，对船舶尾气排放进行有效的监管具有迫切的需求和重要的意义。目前，国内外研究和实际应用中可用于船舶尾气排放检测的方法主要有实验室对比分析法、船载尾气检测系统和遥测法。根据不同的工作原理，它们都有各自的适用范围和优缺点。实验室尾气比对分析法是通过尾气预处理装置采集储存船舶尾气，适用于在实验室环境下对尾气成分进行定性定量分析。实时船载尾气检测系统主要包括尾气预处理装置、气体分析仪、微机处理软件等部分，具有较高的检测精度，需要为每台船舶单独配备。遥测法可以对目标海域的船舶尾气排放进行大范围的检测，符合目前的应用需求。现有的尾气遥测技术主要是基于主动光源，受环境影响较大，且装置安装会受到一定的限制；而且现有方法的检测范围较小，难以应用于大范围的筛查监管。
技术实现思路
为进一步扩大船舶尾气的有效检测范围，本专利技术提供一种基于高光谱的船舶尾气测量系统及方法。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，包括高光谱数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱数据采集模块包括线扫描的高光谱相机及设有高广角镜头的普通相机；普通相机用于定位目标船舶；高光谱相机用于实时线扫描采集目标船舶尾气的光谱数据；数据预处理模块用于对采集的高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的高光谱图像数据进行分析处理，其内设有基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，多维时序船舶尾气光谱分析模型输入目标船舶尾气的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据。进一步地，数据预处理模块包括：用于去除高光谱图像数据中的异常点的高光谱异常点处理单元，用于提高信噪比的滤波去噪单元。进一步地，滤波去噪单元包括多进制小波滤波子单元，多进制小波滤波子单元用于对船舶尾气特征光谱进行时频多尺度分解。本专利技术还提供了一种利用上述的基于高光谱的船舶尾气测量系统的基于高光谱的船舶尾气测量方法，该方法包括如下步骤：步骤一，采用普通相机在不同角度对海面上船只进行拍摄，识别并定位目标船舶；步骤二，目标船舶定位后，将高光谱相机扫描位置设置为目标船舶上方，由高光谱相机对目标船舶的尾气进行线扫描，采集目标船舶尾气的高光谱图像数据；步骤三，由数据预处理模块对采集的高光谱图像数据进行预处理；步骤四，在光谱分析模块中建立基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，由多维时序船舶尾气光谱分析模型获得目标船舶尾气的成分数据。进一步地，在步骤一之前，对普通相机和高光谱相机进行标定及校正。进一步地，步骤三中，对采集的高光谱图像数据进行预处理的方法包括：去除高光谱图像数据中的异常点，对高光谱图像数据进行滤波及去噪。进一步地，去除高光谱图像数据中的异常点的方法包括：对高光谱图像数据进行一阶导数与二阶导数的数据融合，设置异常阈值，找出融合数据中大于异常阈值的异常点，将异常点用周围点的投票平均值代替。进一步地，步骤四中，多维时序船舶尾气光谱分析模型包括光谱维尾气光谱模型和空间维尾气光谱模型；利用高光谱数据的光谱信息存在一定的扫描时间差，先对高光谱数据进行光谱维的预识别，光谱维尾气光谱模型输入线扫描采集的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据，等到空间维高光谱数据完全扫描完成后，依照预识别的结果筛选出一部分高光谱图像数据，并输入空间维尾气光谱模型，由空间维尾气光谱模型进一步计算尾气排放的种类、含量以及分布。进一步地，综合光谱维尾气光谱模型和空间维尾气光谱模型的输出结果，采用权重投票方法得到综合结果。进一步地，步骤四中，建立船舶尾气高光谱图像数据的样本数据库，根据多维时序船舶尾气光谱分析模型的输出结果，对采集的船舶尾气高光谱图像数据进行分类标注并存入样本数据库。本专利技术具有的优点和积极效果是：利用高光谱检测技术具有检测速度快，能够实时检测、检测范围广等优势。采用线扫描的高光谱相机采集目标船舶尾气的光谱数据；通过基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型对船舶尾气进行分析，从而实现对目标船舶尾气的遥测。本专利技术提供的一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，不仅可以对船舶尾气进行大范围的实时检测，有效降低系统误报和漏报的情况，而且通过建立自分类数据库构建模式，得到有标记的船舶尾气高光谱数据库，结合化学计量学的方法获得目标海域中尾气的成分和浓度信息，实现多种尾气成分的同时测量。本专利技术的一种基于高光谱的船舶尾气测量方法，该方法基于支持向量机建立多维时序船舶尾气光谱分析模型，采用时序多维支持向量机识别方法，在传统通用的支持向量机建模基础上，提高了识别的速度与准确率。附图说明图1是本专利技术的一种基于高光谱的船舶尾气测量系统的结构示意图。图2是CO2高光谱光谱维数据图。图3是H2O高光谱光谱维数据图。图4是NO高光谱光谱维数据图。图5是NO2高光谱光谱维数据图。图6是N2O高光谱光谱维数据图。图7是CH4高光谱光谱维数据图。图8是C2H4高光谱光谱维数据图。图9是SO2高光谱光谱维数据图。图10是SO3高光谱光谱维数据图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：请参见图1至图10，一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，包括高光谱数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱数据采集模块包括线扫描的高光谱相机及设有高广角镜头的普通相机；普通相机用于定位目标船舶；高光谱相机用于实时线扫描采集目标船舶尾气的光谱数据；数据预处理模块用于对采集的高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的高光谱图像数据进行分析处理，其内设有基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，多维时序船舶尾气光谱分析模型输入目标船舶尾气的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据。普通相机是指一般相机，其利用化学成像原理形成影像并记录，记录的信息相对于高光谱相机缺少光谱维光谱信息。图2至图10是几种典型的船舶尾气高光谱光谱维数据，通过多维时序船舶尾气光谱分析模型对船舶尾气进行识别，利用先扫描得到的高光谱数据的光谱信息存在一定的扫描时间差的特点，先对高光谱数据进行光谱维的预识别，再对应典型的船舶尾气高光谱光谱维数据，基于支持向量机的方法对光谱维建模，等到空间维高光谱数据完全扫描完成后，依照预识别的结果进行筛选，对高光谱数据进行空间维的建模分析，通过光谱维和空间维两次建模可以得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，其特征在于，包括高光谱数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱数据采集模块包括线扫描的高光谱相机及设有高广角镜头的普通相机；普通相机用于定位目标船舶；高光谱相机用于实时线扫描采集目标船舶尾气的光谱数据；数据预处理模块用于对采集的高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的高光谱图像数据进行分析处理，其内设有基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，多维时序船舶尾气光谱分析模型输入目标船舶尾气的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱的船舶尾气测量系统，其特征在于，包括高光谱数据采集模块、数据预处理模块及光谱分析模块；高光谱数据采集模块包括线扫描的高光谱相机及设有高广角镜头的普通相机；普通相机用于定位目标船舶；高光谱相机用于实时线扫描采集目标船舶尾气的光谱数据；数据预处理模块用于对采集的高光谱图像数据进行预处理；光谱分析模块用于对预处理后的高光谱图像数据进行分析处理，其内设有基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，多维时序船舶尾气光谱分析模型输入目标船舶尾气的高光谱图像数据，输出尾气的成分数据。


2.根据权利要求1所述的基于高光谱的船舶尾气测量系统，其特征在于，数据预处理模块包括：用于去除高光谱图像数据中的异常点的高光谱异常点处理单元，用于提高信噪比的滤波去噪单元。


3.根据权利要求2所述的基于高光谱的船舶尾气测量系统，其特征在于，滤波去噪单元包括多进制小波滤波子单元，多进制小波滤波子单元用于对船舶尾气特征光谱进行时频多尺度分解。


4.一种利用权利要求1至3任一所述的基于高光谱的船舶尾气测量系统的基于高光谱的船舶尾气测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采用普通相机在不同角度对海面上船只进行拍摄，识别并定位目标船舶；
步骤二，目标船舶定位后，将高光谱相机扫描位置设置为目标船舶上方，由高光谱相机对目标船舶的尾气进行线扫描，采集目标船舶尾气的高光谱图像数据；
步骤三，由数据预处理模块对采集的高光谱图像数据进行预处理；
步骤四，在光谱分析模块中建立基于支持向量机的多维时序船舶尾气光谱分析模型，由多维时序船舶尾气光谱分析模型获得目标船舶尾气的成分数据。


5.根...

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