[發(fā)明專利]一種基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類型遙感識別方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910021602.8
• 申請日: 2019-01-10
• 公開（公告）號: CN109766833A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鞏彩蘭;李瀾;胡勇;王歆輝;何志杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/62
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類型遙感識別方法，該方法可自動識別水體類型(Ⅰ、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類)。該發(fā)明的技術(shù)流程包括以下部分，各水質(zhì)類型典型水體光譜反射率曲線樣本庫建立，訓(xùn)練樣本的預(yù)處理，訓(xùn)練樣本的光譜特征提取，訓(xùn)練隨機(jī)森林分類器，目標(biāo)水體的水質(zhì)識別。本發(fā)明提出的基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類型遙感識別方法從光譜角度對水體類型近似識別，適用性較高，具有高精度、高靈活性和強(qiáng)穩(wěn)定性，可作為城市河道水質(zhì)監(jiān)測輔助手段，提高城市河道水質(zhì)監(jiān)測的廣度和質(zhì)量，節(jié)省人力、財力，提高效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及遙感數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，具體是指一種利用水體光譜曲線進(jìn)行城市河道水質(zhì)類型自動識別的方法，可應(yīng)用于城市河道水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)

城市河道是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，承擔(dān)著防洪排澇、調(diào)節(jié)氣候、維持生態(tài)平衡、改善城市景觀等多方面功能，同時河道又具有一定程度的納污功能。但城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展破壞了河道生態(tài)環(huán)境降低河道水質(zhì)。目前我國城市河道都有不同程度的污染，部分水質(zhì)達(dá)到了劣Ⅴ類，甚至出現(xiàn)黑臭，這些污染不僅會影響周邊居民身體健康，也影響城市美觀。現(xiàn)在，城市河道污染問題已成為城市污染控制和治理的重點(diǎn)課題之一。

傳統(tǒng)河道水質(zhì)測量雖然數(shù)據(jù)精確、可靠性強(qiáng)，但是采樣費(fèi)事費(fèi)力、化驗項目多、周期冗長，加上城市河流眾多、河道復(fù)雜，依靠人力進(jìn)行全面的水質(zhì)監(jiān)測不現(xiàn)實(shí)，因此迫切需要一種快速、準(zhǔn)確、實(shí)時的河道水質(zhì)監(jiān)測方法。

發(fā)明內(nèi)容

基于上述存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類型遙感識別方法，可作為傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測手段的輔助方法，提高城市河道水質(zhì)監(jiān)測的廣度和質(zhì)量，節(jié)省人力、財力，提高監(jiān)測效率。

該識別方法首先采集各水質(zhì)類別典型水體光譜反射率曲線，建立樣本庫。然后對各類樣本的光譜反射率曲線進(jìn)行預(yù)處理，之后進(jìn)行光譜特征提取，使用各類水體的光譜特征對隨機(jī)森林分類器進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練完成后，按照相同流程對未知水體光譜曲線進(jìn)行預(yù)處理和光譜特征提取，輸入分類器即可得到水質(zhì)類型。

具體步驟：

(1)各水質(zhì)類型典型水體光譜反射率曲線樣本庫建立。首先獲取已知不同類別的水體的光譜反射率曲線，同一樣本采樣點(diǎn)獲取多條光譜曲線。

(2)訓(xùn)練樣本的預(yù)處理過程。同一樣本點(diǎn)獲取多條光譜曲線，使用高斯窗方法對每條曲線進(jìn)行平滑，然后取這些曲線的平均值作為該樣本的最終光譜反射率曲線。

(3)訓(xùn)樣樣本的特征提取。假設(shè)有各類樣本M個(M≥200)，則預(yù)處理可得到M條光譜反射率曲線，先對這些樣本進(jìn)行歸一化處理，然后再對這M條反射率曲線做主成分分析，選擇前10個分量，可得到一個M×10大小的光譜特征矩陣。

(4)訓(xùn)練隨機(jī)森林分類器。將上一步得到的M×10大小的光譜特征矩陣輸入到隨機(jī)森林分類器當(dāng)中進(jìn)行訓(xùn)練，隨機(jī)森林由50～100個決策樹組成，參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

(5)目標(biāo)水體的水質(zhì)識別。訓(xùn)練完成后可對未知水體進(jìn)行水質(zhì)類型識別，按照以上步驟2)、步驟3)對目標(biāo)水體的光譜反射率曲線進(jìn)行預(yù)處理和光譜特征提取，將得到的光譜特征向量輸入到訓(xùn)練完成的隨機(jī)森林分類當(dāng)中即可得到該水體的水質(zhì)類型。

本發(fā)明提出一種基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類別遙感自動識別方法，可作為傳統(tǒng)水質(zhì)采樣監(jiān)測的輔助手段，提高城市河道水質(zhì)監(jiān)測的廣度和質(zhì)量，節(jié)省人力、財力，提高監(jiān)測效率。識別方法適用性較高，具有高精度、高靈活性和強(qiáng)穩(wěn)定性，對其他同類型數(shù)據(jù)也適用。本方法將機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域應(yīng)用于高光譜處理領(lǐng)域，使用前，先對原始光譜進(jìn)行光滑去噪和平均，在一定程度上減少了噪聲對水質(zhì)類別識別的影響。

附圖說明：

圖1是預(yù)處理后的某樣本光譜曲線圖；

圖2是基于光譜特征的城市河道水質(zhì)類型遙感識別方法流程圖；