高光譜水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)實時分析、反演

摘要

關(guān)鍵詞

一、引言

分數(shù)階導數(shù)（FOD）作為一種光譜預處理方法，能在保留更多光譜細節(jié)信息的同時，有效抑制噪聲、增強光譜特征差異 。結(jié)合光譜特征篩選，可進一步挖掘與水質(zhì)參數(shù)緊密相關(guān)的光譜信息，提升反演模型性能。本文以葉綠素 a（Chl - a）為研究對象，開展基于 FOD 和光譜特征的高光譜水質(zhì)參數(shù)反演模型研究，探索高效水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)途徑。

二、研究區(qū)與數(shù)據(jù)獲取

（一）研究區(qū)概況

研究區(qū)域，該區(qū)域水域具有典型的 [如富營養(yǎng)化、河流 - 湖泊過渡等] 水質(zhì)特征，涵蓋多種生境類型，適合開展水質(zhì)參數(shù)高光譜反演研究。研究區(qū)地理位置通過圖 1（a）、（b）、（c）展示，明確其在大區(qū)域地理框架及局部水域（如白洋淀部分區(qū)域）的位置，采樣點分布于目標水域，為后續(xù)光譜采集與水質(zhì)參數(shù)測量提供基礎(chǔ)。

（二）數(shù)據(jù)獲取

1. 高光譜數(shù)據(jù)采集：在天氣晴朗、光照穩(wěn)定時段，對研究區(qū)水域進行光譜采集。嚴格按照高光譜測量規(guī)范，在每個采樣點上方 [具體高度，如 1.5m] 處，采集水體光譜反射率數(shù)據(jù)，每個采樣點重復測量 ,取平均值作為該點光譜數(shù)據(jù)，得到如圖 2 所示的原始光譜曲線，不同采樣點光譜存在差異，反映水體成分的復雜性。

2. 水質(zhì)參數(shù)測量：同步采集水樣，采用 標準測量方法，如分光光度法]測定葉綠素 a（Chl - a）濃度，作為水質(zhì)參數(shù)反演的真實值（True value），用于模型構(gòu)建與驗證。

   
   

   

   

   

   
   

三、方法與模型構(gòu)建

（一）分數(shù)階導數(shù)（FOD）預處理

分數(shù)階導數(shù)通過數(shù)學算法對光譜數(shù)據(jù)進行變換。分別對原始光譜進行 0.1 - 1.0 階（步長 0.1）的 FOD 變換，得到不同階數(shù)的光譜曲線（如圖 4、5 所示）。隨著階數(shù)變化，光譜曲線的峰值、谷值等特征發(fā)生改變，低階導數(shù)可一定程度保留原始光譜信息并增強細節(jié)，高階導數(shù)雖能進一步突出特征，但也可能引入噪聲。通過分析不同階數(shù) FOD 處理后的光譜與 Chl - a 濃度的相關(guān)性，篩選對反演有利的導數(shù)階數(shù)。

（二）光譜特征篩選

采用 具體特征篩選算法，如相關(guān)系數(shù)法結(jié)合隨機森林特征重要性、遺傳算法等,對 FOD 處理后的光譜數(shù)據(jù)進行特征篩選。計算光譜反射率與 Chl - a 濃度的相關(guān)系數(shù)，繪制相關(guān)系數(shù)熱力圖（如圖 6），根據(jù)熱力圖中不同波長、不同階數(shù)導數(shù)下相關(guān)系數(shù)分布，結(jié)合算法對特征的重要性排序，篩選出與 Chl - a 濃度高度相關(guān)的光譜特征，減少冗余信息，提升模型運算效率與精度。

（三）反演模型構(gòu)建與驗證

四、結(jié)果與分析

（一）FOD 對光譜特征的影響

（二）光譜特征篩選結(jié)果

經(jīng)特征篩選算法，從眾多 FOD 處理后的光譜特征中，篩選出 [具體數(shù)量，如 10 - 20 個] 與 Chl - a 濃度相關(guān)性高的特征波長。這些特征波長分布在 [具體波段范圍，如 450 - 750nm]，涵蓋了葉綠素吸收與反射的敏感波段，說明篩選出的特征能有效捕捉 Chl - a 的光譜響應，為模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

（三）反演模型性能

五、結(jié)論與展望

以象科技作為一家由西安光機所光學博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學應用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團隊成員憑借深厚的學術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學博士團隊深入鉆研光學核心原理，在光學系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準對接市場痛點，在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學應用博士則專注于探索光學技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應用邊界，讓光學技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學技術(shù)自主創(chuàng)新的進程，提升了我國在全球光學產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準地監(jiān)測微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運營模式，展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢，持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運營模式，在光學技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學科技的進步與應用普及做出更多的貢獻。

以象科技由西安光機所光學博士團隊，行業(yè)資深專家，光譜軟件算法團隊，光學應用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，實現(xiàn)國產(chǎn)化，突破進口技術(shù)壁壘，打破進口短波紅外高光譜相機的技術(shù)限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機等光學產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。

以象科技作為一家由西安光機所光學博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學應用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團隊成員憑借深厚的學術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗，構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學博士團隊深入鉆研光學核心原理，在光學系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員，他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準對接市場痛點，在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學應用博士則專注于探索光學技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途，從生物醫(yī)學到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應用邊界，讓光學技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機，無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學設(shè)備選擇，還在一定程度上推動了我國光學技術(shù)自主創(chuàng)新的進程，提升了我國在全球光學產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準地監(jiān)測微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運營模式，展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢，持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者，隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運營模式，在光學技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場上取得更為輝煌的成就，為推動光學科技的進步與應用普及做出更多的貢獻。