一种低功耗岸基站自动监测系统的水质高光谱反演构建方法与流程

本发明属于水质监测，具体为一种低功耗岸基站自动监测系统的水质高光谱反演构建方法。

背景技术：

1、快速准确获取水质数据，可以追踪水质变化并及时发现异常情况,如水污染、水质恶化等，准确数据和实时警报可帮助监管部门采取及时措施,减少水资源污染风险，在协助水质改进、定位污染源头、提升水质治理效率等方面具有积极的作用，有助于评估污染源和监控治理效果，为水环境管理提供依据，促进对水质的科学管理与治理，在水资源保护方面发挥着关键作用。

2、当前水质监测包括实验室分析、化学分析法在线监测、卫星遥感监测、无人机高光谱监测、水下测量仪监测等，但上述监测方法在不同应用领域均存在缺点。化学分析法在线监测是当前水质检测应用广泛的方法，尤其在固定站应用较多，该方法通过自动控制泵阀进行定时采样，将样品抽取至仪器检测池中，仪器可自动抽取待测指标需要的反应试剂至检测池中，经过预处理和化学反应，利用朗伯比尔定律，采用光度法，根据仪器内置校正曲线计算出待测水样的待测指标，化学分析法是实验室人工分析的自动化实现，依据国家标准测定，数据准确、可靠。

3、河流、湖泊、水库等流域受气象、水文和污染物自身性质等多种因素的共同影响，在空间和时间上具有差异性。传统基于实验室分析的人工采样具有成本高、费时费力、时空离散和时效性差等缺点，很难及时捕捉一些人为干扰强烈、水情复杂的水质快速变化过程。基于化学分析法的在线监测，具有检测周期长、一台仪器只能检测一个参数、维护成本高、需要试剂反应，废液可能引起二次污染等缺点。卫星遥感因具有大面积、周期性和经济高效等优势，已经被广泛用于透明度、叶绿素、总氮、总磷等水质监测中，但有限的时间分辨率和云雨天气使其在解决长期、连续水质监测问题上仍力不从心。无人机高光谱遥感因灵活机动弥补了中小型水体水质监测不足，但受限于续航时间和云雨天气而难以实现连续观测。随着技术的发展，水下高频探头和多参数水质测量仪可以开展水质连续高频观测，但监测精度低、价格昂贵、维修困难，易附着污染等缺点限制了其大范围应用。

4、因此，现有的水质监测手段在数据采集频率、精确性、时效性和代表性滞后于水环境管理与决策部门的需求，尤其是一些突发性、大范围的污水排放和跨区域污染事件不能被及时捕捉。

5、因此，迫切需要提出一种适用于多种水质、多种天气的实时水质监测方法，弥补现有观测手段的不足，为诊断水质污染、成因机制分析及科学化防控提供助力。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种低功耗岸基站自动监测系统的水质高光谱反演构建方法，有效的解决了背景技术提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低功耗岸基站自动监测系统的水质高光谱反演构建方法，包括以下步骤：

3、步骤一：获取待测水体的高光谱反射率数据；

4、步骤二：采集所述待测水体的同步表层水质样本，构建水质高光谱反射率数据集；

5、步骤三：基于所述水质高光谱反射率数据集，构建最优水质智能反演模型；

6、步骤四：基于所述待测水体高光谱反射率数据和所述最优水质智能反演模型，得到实时水质数据，实现岸基站高光谱自动水质监测。

7、优选的，步骤一中，所述水体高光谱反射率数据采用光谱采集系统采集，光谱采集系统包括：高光谱仪、光源、测量装置、系统上位机、智能移动终端、物联网平台电脑端或手机端、云服务器端。

8、优选的，所述高光谱仪和光源与系统上位机连接，系统上位机与智能移动终端通过网线连接，智能移动终端与物联网平台通过路由器网络连接，云服务器端与智能移动终端网络连接，自动监测系统由充电电池和太阳能供电。

9、优选的，所述高光谱反射率数据包括：不同类型水体、不同水质状况水体和不同天气条件的水体高光谱反射率数据。

10、优选的，所述不同类型水体包括：不同营养水平和不同清澈程度的内陆水体和海水水体；

11、所述不同水质状况水体包括：不同藻华爆发情况和浑浊程度的水体；

12、所述不同天气条件包括：晴天、多云、阴天和小雨。

13、优选的，步骤二中，所述最优水质智能反演模型的构建过程为：

14、基于所述水质高光谱反射率数据集，采用多种机器学习算法，构建最优水质智能反演模型；

15、其中，多种机器学习算法包括偏最小二乘、回归模型算法、神经网络算法。

16、优选的，将所述最优水质智能反演模型写入云服务器端应用软件中，可在云服务器端、物联网平台和系统上位机上显示实时测量结果；

17、云服务器端应用软件设置高光谱仪信息、自动监测系统信息，具备高光谱反射率数据采集和存储功能、计算功能、实时测量数据展示功能；

18、系统上位机具备系统流程控制、高光谱仪参数控制、光源控制、实时测量数据展示功能；

19、物联网平台具备系统供电断电设置、系统启停周期和开关设置、高光谱仪参数控制、光源控制、实时测量数据展示功能、存储功能和下载功能。

20、优选的，步骤四中，所述实时水质参数包括：浊度、总氮、总磷、氨氮、叶绿素、透明度、悬浮物、高锰酸盐指数、富营养化指数。

21、优选的，还包括对所述高光谱反射率数据和所述待测水样进行预处理；

22、其中，高光谱反射率数据的预处理包括：非水体光谱剔除、异常水体光谱剔除、光谱数据滤波、光谱数据归一化、特征波段筛选；

23、待测水样的预处理包括：抽滤、样品低温保存、实验室人工测定和水样数据异常值剔除。

24、优选的，当水质指标超过特定阈值时，物联网平台会通过改变显示颜色和弹出窗口进行警报提醒；其中，特定阈值为国家水质评价标准或者自定义阈值。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、1、相比已有的化学光度法在线监测系统，本发明的低功耗岸基站自动监测系统定时采集实现了无人值守的连续水体观测，占地面积小，无需固定，降低了设备维护难度；并可将检测多个水质参数检测周期缩短至10分钟，检测周期可自由设定；同时合理化的低功耗设计，大大降低了运行成本；相比传统的地物光谱仪，搭载于岸基站自动监测系统上的高光谱仪小巧精致、性能优越、分辨率高，可有效提高水质参数反演的精度；

27、2、相比于无人机遥感，本发明提出的低功耗岸基站自动监测系统水质高光谱监测方法是近水面采集水体高光谱反射率数据，不仅增加了数据信噪比而且基本不受大气和气溶胶影响，因此无需要进行大气校正，可弥补卫星和无人机遥感阴雨天气的监测不足；

28、3、本发明的高光谱仪与光源装置、测量装置、系统上位机、智能移动终端、物联网平台、云服务器端，可实现远程控制系统启停、系统参数，大大提升了水质监测智能化水平；

29、4、相比传统的水下探头设备，本发明反演水质参数信息无需直接接触水体，不仅减小了能耗、因风浪造成的设备损耗以及设备维护的难度，而且减小了因生物附着污染造成的数据误差。