一种光谱水质总氮指标检测方法与流程

本发明涉及水质监测，尤其涉及一种光谱水质总氮指标检测方法。

背景技术：

总氮含量是衡量水体水质的重要指标(地表水环境质量标准gb3838-2002)，也是污水处理工艺的重要控制参数。

为了保证人民群众的饮水安全,水质应急监测是重要手段,而监测规划则是行动指南。近年来多起水质污染突发事件暴露出：应急监测网络体系不健全、应急监测能力薄弱、水源地监控预警体系不完善等薄弱环节。推动饮用水安全保障应急监测体系的建立和完善,能增强应急监测能力,保障应急监测工作有效、有序开展,切实维护人民群众饮水安全。

然而现有的检测手段，总氮指标化学法检测，耗时长，监测过程复杂，设备多种多样，不能实时、有效、快捷的对水质进行监测。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种光谱水质总氮指标检测方法，具有时效性快，监测准确的优点，为水质健康监测提供保证。

技术方案：本发明所述的光谱水质总氮指标检测方法包括：

(1)获取若干仅有浊度影响的光谱特征曲线，进行拟合得到浊度相关性模型f1；

(2)获取若干仅有cod影响的光谱特征曲线，进行拟合得到cod相关性模型f2；

(3)获取若干有浊度、cod和总氮交叉影响的光谱特征曲线，划分成多个不同浊度下的光谱特征曲线集合，再将每个集合划分为多个不同cod下的光谱特征曲线子集合，对每个光谱特征曲线子集合进行拟合，得到不同浊度和不同cod下的总氮相关性模型，再将每个总氮相关性模型的和对应的cod进行拟合，从而得到不同浊度下的关联cod和总氮的相关性模型，再将关联cod和总氮的相关性模型和对应的浊度进行拟合，得到关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3；

(4)根据待检测水样的光谱特征曲线，采用浊度相关性模型f1计算得到浊度值，采用cod相关性模型f2计算得到cod值，再根据关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3计算得到总氮值。

进一步的，步骤(1)具体包括：

(1.1)获取若干仅有浊度影响的光谱特征曲线；

(1.2)分别将每个光谱特征曲线进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数；

(1.3)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的浊度进行拟合，得到每个系数与浊度的关联函数；

(1.4)将(1.2)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与浊度的关联函数替代，从而得到浊度作为参数的光谱曲线拟合函数，作为浊度相关性模型f1：t＝f1(a,w)，t表示浊度，a表示水样吸光度，w表示波长。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2.1)获取若干仅有cod影响的光谱特征曲线；

(2.2)分别将每个光谱特征曲线进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数；

(2.3)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的cod进行拟合，得到每个系数与cod的关联函数；

(2.4)将(2.2)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与cod的关联函数替代，从而得到cod作为参数的光谱曲线拟合函数，作为cod相关性模型f2：c＝f2(a,w)，c表示cod，a表示水样吸光度，w表示波长。

进一步的，步骤(3)具体包括：

(3.1)获取若干有浊度、cod和总氮交叉影响的光谱特征曲线；

(3.2)将光谱特征曲线划分成多个不同浊度下的光谱特征曲线集合，再将每个集合划分为多个不同cod下的光谱特征曲线子集合，即每一子集合包含了浊度为一定值cod为一定值总氮为不同值时的波段曲线；

(3.3)选取任一子集合，分别将其中每个波段数据进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数；

(3.4)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的总氮进行拟合，得到每个系数与总氮的关联函数；

(3.5)将(3.3)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与总氮的关联函数替代，从而得到总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为当前浊度值和cod值下的总氮相关性模型；

(3.6)返回执行(3.3)，直至所有子集合被处理，得到不同浊度值和不同cod值下的总氮相关性模型；

(3.7)提取任一固定浊度值下、不同cod值下的多个总氮相关性模型的系数，与对应的cod值进行拟合，得到系数与cod的关联函数，并将总氮相关性模型中的系数进行替代，得到cod和总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为当前浊度下的关联cod和总氮的相关性模型；

(3.8)返回执行(3.7)，直至所有浊度值下、所有cod值下的总氮相关性模型被处理，得到不同浊度值下的关联cod和总氮的相关性模型；

(3.9)提取浊度为不同值时的关联cod和总氮的相关性模型的系数，与对应的浊度值进行拟合，得到系数与浊度的关联函数，并将关联cod和总氮的相关性模型中的系数替代，从而得到浊度、cod和总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3。

进一步的，对所述浊度影响的光谱特征曲线拟合时采用分波段拟合，分别对光谱特征曲线600-700nm波段、700-800nm波段、800-1000nm波段曲线依次分段拟合。对所述光仅有cod影响的光谱特征曲线拟合时采用分波段拟合，分别对光谱特征曲线210-220nm波段、220-230nm波段、230-240nm波段曲线依次分段拟合。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明具有时效性快，监测准确的优点，为水质健康监测提供保证。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是单指标浊度特征曲线图；

图3是单指标cod特征曲线图；

图4是不同浊度、不同cod不同总氮的特征曲线图。

具体实施方式

本实施例提供了一种光谱水质总氮指标检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)获取若干仅有浊度影响的光谱特征曲线，进行拟合得到浊度相关性模型f1。

该步骤具体包括：(1.1)获取若干仅有浊度影响的光谱特征曲线，如图2所示；(1.2)分别将每个光谱特征曲线进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数；(1.3)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的浊度进行拟合，得到每个系数与浊度的关联函数；(1.4)将(1.2)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与浊度的关联函数替代，从而得到浊度作为参数的光谱曲线拟合函数，作为浊度相关性模型f1。

例如，假设有n条光谱特征曲线，则分别拟合后得到n个光谱曲线拟合函数：

假设拟合函数采用一元二次方程，则拟合函数可以变形为：

式中，a表示吸光度，为变量，w表示波长，为变量，t表示浊度，t1～tn表示n个具体的浊度值。

从n个光谱曲线拟合函数分别提取出系数a、b、c以及对应浊度t进行拟合，即数据{(a1、b1、c1)，(t1)}为一组数据，共n组数据，采用这n组数据进行拟合，得到系数a、b、c与对应浊度t的关系函数：

将关系函数代入光谱曲线拟合函数，得到浊度作为参数的光谱曲线拟合函数，即

a＝fa(t)w²+fb(t)w+fc(t)

整理后得到浊度相关性模型f1为：

f1：t＝f1(a,w)

(2)获取若干仅有cod影响的光谱特征曲线，进行拟合得到cod相关性模型f2。

该步骤具体包括：(2.1)获取若干仅有cod影响的光谱特征曲线，如图3所示；(2.2)分别将每个光谱特征曲线进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数；(2.3)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的cod进行拟合，得到每个系数与cod的关联函数；(2.4)将(2.2)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与cod的关联函数替代，从而得到cod作为参数的光谱曲线拟合函数，作为cod相关性模型f2：c＝f2(a,w)，c表示cod，a表示水样吸光度，w表示波长。具体例子参考步骤(1)不再赘述。

(3)获取若干有浊度、cod和总氮交叉影响的光谱特征曲线，划分成多个不同浊度下的光谱特征曲线集合，再将每个集合划分为多个不同cod下的光谱特征曲线子集合，对每个光谱特征曲线子集合进行拟合，得到不同浊度和不同cod下的总氮相关性模型，再将每个总氮相关性模型的和对应的cod进行拟合，从而得到不同浊度下的关联cod和总氮的相关性模型，再将关联cod和总氮的相关性模型和对应的浊度进行拟合，得到关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3。

该步骤具体包括：

(3.1)获取若干有浊度、cod和总氮交叉影响的光谱特征曲线，如图4所示。

(3.2)将光谱特征曲线划分成多个不同浊度下的光谱特征曲线集合，再将每个集合划分为多个不同cod下的光谱特征曲线子集合，即每一子集合包含了浊度为一定值cod为一定值总氮为不同值时的波段曲线。

(3.3)选取任一子集合，分别将其中每个波段数据进行拟合，得到多个光谱曲线拟合函数。

(3.4)将每个光谱曲线拟合函数的系数与对应的总氮进行拟合，得到每个系数与总氮的关联函数。

(3.5)将(3.3)中得到的光谱曲线拟合函数中的系数采用系数与总氮的关联函数替代，从而得到总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为当前浊度值和cod值下的总氮相关性模型。

(3.6)返回执行(3.3)，直至所有子集合被处理，得到不同浊度值和不同cod值下的总氮相关性模型。

(3.7)提取任一固定浊度值下、不同cod值下的多个总氮相关性模型的系数，与对应的cod值进行拟合，得到系数与cod的关联函数，并将总氮相关性模型中的系数进行替代，得到cod和总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为当前浊度下的关联cod和总氮的相关性模型。

(3.8)返回执行(3.7)，直至所有浊度值下、所有cod值下的总氮相关性模型被处理，得到不同浊度值下的关联cod和总氮的相关性模型。

(3.9)提取浊度为不同值时的关联cod和总氮的相关性模型的系数，与对应的浊度值进行拟合，得到系数与浊度的关联函数，并将关联cod和总氮的相关性模型中的系数替代，从而得到浊度、cod和总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3。

例如，假设特征曲线中浊度t分别取值t1～tn，cod分别取值c1～cm，则光谱特征曲线可以划分成n个浊度t为t1到tn的集合{si|i＝1,…,n}，si对应浊度为ti的集合，每个集合还可以再分成m个子集合，得到m*n个子集合{sij|i＝1,…,n,j＝1,…,m}，sij表示浊度为ticod为cj下不同总氮下的光谱特征曲线集合。

对于所有子集合按照步骤(1)中方法处理，就可以多个得到不同浊度值和不同cod值下的总氮相关性模型：

a＝fij,1(w,tn)+fij,2(w)+fij,3(tn),i＝1,...,n,j＝1,...,m

式中，形如fij,1表示浊度为ti、cod为cj下的总氮相关性模型的一个函数，tn表示总氮。

接下来提取浊度值为t1时所有总氮相关性模型的系数，与对应的cod值进行拟合，假设模型中系数用变量e,f,g表示，则将每一e,f,g变量的值和对应的cod值作为一组数据，如{(e1、f1、g1)，(c1)}为一组数据，e1、f1、g1为cod值为c1时的总氮相关性模型的系数e,f,g的具体值，可以得到共m组数据，采用这m组数据进行拟合，得到系数e,f,g与对应浊度cod的关系函数：

将关系函数代入光谱曲线拟合函数，整理后得到浊度值为t1时的关联cod和总氮的相关性模型：

a＝f11(c,w,tn)+f12(w,c)+f13(tn,c)+f14(tn,w)+f15(tn)+f16(w)+f17(c)

对其他浊度值下所有总氮相关性模型进行同样处理，得到浊度值为t1到tn下的关联cod和总氮的相关性模型：

a＝fi1(c,w,tn)+fi2(w,c)+fi3(tn,c)+fi4(tn,w)+fi5(tn)+fi6(w)+fi7(c)

其中，f()表示模型中关于括号内参数的函数。

再按照同样放大提取浊度t1到tn时的关联cod和总氮的相关性模型的系数，与对应的浊度值进行拟合，得到系数与浊度的关联函数，并将关联cod和总氮的相关性模型中的系数替代，从而得到浊度、cod和总氮作为参数的光谱曲线拟合函数，作为关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3。

a＝x1(t,tn,c,w)+x2(tn,c,w)+x3(t,tn,w)+x4(tn,w)+x5(t,c,w)

+x6(c,w)+x7(t,w)+x8(w)+x9(t,tn)+x10(tn,c)+x11(t,tn)+x12(tn)

+x13(t,c)+x14(c)+x15(t)

其中，x()表示模型中关于括号内参数的函数。

(4)根据待检测水样的光谱特征曲线，采用浊度相关性模型f1计算得到浊度值，采用cod相关性模型f2计算得到cod值，再根据关联浊度、cod和总氮的相关性模型f3计算得到总氮值。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。