高光譜水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、反演

摘要

關(guān)鍵詞

一、引言

分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)（FOD）作為一種光譜預(yù)處理方法，能在保留更多光譜細(xì)節(jié)信息的同時(shí)，有效抑制噪聲、增強(qiáng)光譜特征差異 。結(jié)合光譜特征篩選，可進(jìn)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(duì)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(cè)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(yíng)養(yǎng)化、河流 - 湖泊過(guò)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(guò)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(diǎn)分布于目標(biāo)水域，為后續(xù)光譜采集與水質(zhì)參數(shù)測(cè)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(shí)段，對(duì)研究區(qū)水域進(jìn)行光譜采集。嚴(yán)格按照高光譜測(cè)量規(guī)范，在每個(gè)采樣點(diǎn)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(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)量 ,取平均值作為該點(diǎn)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(diǎn)光譜存在差異，反映水體成分的復(fù)雜性。

2. 水質(zhì)參數(shù)測(cè)量：同步采集水樣，采用 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，如分光光度法]測(cè)定葉綠素 a（Chl - a）濃度，作為水質(zhì)參數(shù)反演的真實(shí)值（True value），用于模型構(gòu)建與驗(yàn)證。

   
   

   

   

   

   
   

三、方法與模型構(gòu)建

（一）分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)（FOD）預(yù)處理

分?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)算法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行變換。分別對(duì)原始光譜進(jìn)行 0.1 - 1.0 階（步長(zhǎng) 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(dǎo)數(shù)可一定程度保留原始光譜信息并增強(qiáng)細(xì)節(jié)，高階導(dǎo)數(shù)雖能進(jìn)一步突出特征，但也可能引入噪聲。通過(guò)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(duì)反演有利的導(dǎo)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(jī)森林特征重要性、遺傳算法等,對(duì) FOD 處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征篩選。計(jì)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(zhǎng)、不同階數(shù)導(dǎo)數(shù)下相關(guān)系數(shù)分布，結(jié)合算法對(duì)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(yùn)算效率與精度。

（三）反演模型構(gòu)建與驗(yàn)證

四、結(jié)果與分析

（一）FOD 對(duì)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(gè)] 與 Chl - a 濃度相關(guān)性高的特征波長(zhǎng)。這些特征波長(zhǎng)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(shuō)明篩選出的特征能有效捕捉 Chl - a 的光譜響應(yīng)，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(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)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(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)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(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會(huì)的各個(gè)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(chǎng)的可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無(wú)疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國(guó)在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營(yíng)的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)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(xué)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(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)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(duì)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(cè)以及食品安全檢測(cè)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(yùn)營(yíng)模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。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(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，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(guó)各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)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(guò)程中無(wú)后顧之憂，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶對(duì)公司品牌的信任度與忠誠(chéng)度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營(yíng)模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來(lái)有望在國(guó)內(nèi)乃至全球市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。

以象科技由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)，行業(yè)資深專家，光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)，光學(xué)應(yīng)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(chǎng)可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，突破進(jìn)口技術(shù)壁壘，打破進(jìn)口短波紅外高光譜相機(jī)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(yíng)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(jī)等光學(xué)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(jī)構(gòu)設(shè)立覆蓋全國(guó)。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)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(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)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(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會(huì)的各個(gè)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(chǎng)的可見(jiàn)光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無(wú)疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國(guó)光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國(guó)在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營(yíng)的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)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(xué)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(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)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(duì)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(cè)以及食品安全檢測(cè)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(yùn)營(yíng)模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。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(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，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(guó)各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)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(guò)程中無(wú)后顧之憂，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶對(duì)公司品牌的信任度與忠誠(chéng)度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營(yíng)模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來(lái)有望在國(guó)內(nèi)乃至全球市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。