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基于高光谱技术的水质监测和自动化设计

北极星环境监测网  来源:《基层建设》  作者:孙若函  2019/11/15 15:04:00  我要投稿  

北极星环境监测网讯:摘要:此次研究旨在利用高光谱技术进行水质监测,并进行自动化设计。目前传统水质监测方法有受时节影响大、操作繁琐、破坏水体等缺陷。高光谱技术搭载自动化则可以满足实时监测、无人监测的要求,且无污染、效率高。此次研究以昆玉河、未名湖、行天湖为测点进行叶绿素a、悬浮物浓度以及总氮、总磷含量的测定,简易探究高光谱仪测定水质的工作机理,并根据其可行性,设计了以360°微型自旋光谱仪、浮标和传感器单元(AD转换)等为器材的自动化装置,加强水监测的便捷程度,实现水质监测的无人值守。

1引言

习近平总书记在党的十九大中指出;“绿水青山就是金山银山。”然而人类的不合理活动给我们的水环境带来了伤害,布下了潜伏的特洛伊木马。因此加强水质监测亟不可待。目前水质监测常用的方法有化学法,色谱法,生物法等[1]。化学法测量精确,适用范围广,但是过于依赖化学反应,且容易造成二次污染等固有不足[2,3]。色谱法灵敏度高,适合微量甚至痕量的分析。但其在组分复杂、变化较快的水体中难以发挥作用[1]。生物法具有敏感性、富集性、长期性和综合性等特点[4]。但它难以测出水体污染程度及污物浓度,而且失去活性的生物需要定期更换[1]。

以上监测方法操作繁琐,耗时长,破坏水环境,需要人工操作,耗费大量人力物力。近年来,随着光谱技术的成熟,侯迪波等[5]基于紫外-可见光(UV-Vis)光谱水质分析方法探讨了UV-Uis光谱在水质多参数在线监测等方面的发展。王燕等[6]分析了拉曼光谱关于水质监测的研究成果。王彦飞等[7]运用高光谱遥感对HSI数据真实性进行测评。大量事实表明,光谱技术在水质监测中可行。光谱技术进行水质监测有无需添加化学试剂[8]、不会坏水样、仪器装配简易、能在短时间内处理大量数据[9]等优势,对于本次需要的所有参数也只需一次性测量,而高光谱相较各波段数据更精确,因此,本次研究选择高光谱技术。至于自动化设计方案,会在后文进行阐述。

2实验与方法

2.1材料与仪器

根据实验的目的,本次实验选定了北京未名湖,昆玉河,行天湖三个地区的水体进行测定,光源为自然光源太阳。受试验条件的限制,只测定了河湖岸边的水。每片水域标定了8个点,每个点相隔1m进行监测。当天下午温度约为28℃。

目前使用光谱仪在线监测水质已较为成熟,但大多是巨型设施,系统复杂,操作不易。微型光谱仪在水质监测方面并未得到广泛应用,而且其自动化尚未实现。对此,实验使用微型光谱仪。实验采用的是海洋光学的USB2000+光纤光谱仪,光学分辨率为1.5nm,积分时间最快为1毫秒。

2.2研究过程

首先进行水质监测探究。内陆水体光学特性复杂,受浮游植物、无生命悬浮物和黄色物质等影响[10]。叶绿素a、氮、磷等的质量浓度是反映水体富营养化程度的重要参数[11,12]。通过测算得出Chla、TSS、TN、TP的含量可对当地水体富营养化程度进行一个判断。

测定水的光谱曲线,每个测点测三次,以未名湖测点1为例,三个谱线分别命名为B11,B12,B13,以txt形式存档。重复实验操作流程,共三片水域,每片水域选取八个点,每个点测三次(实验过程中始终保持光纤探头位置不变)。

2.3数据处理流程

数据处理流程如图1所示:

1.png

图1数据处理流程

打开MATLAB,以未名湖为例,首先取B1—B8为每个测点三次测定的均值,剔除无关数据后,取b1—b8为反射率数组。再对b1—b8进行平滑处理得到BB1—BB8,然后用绘出图线,最后标上纵横坐标以tif形式保存。L组(昆玉河),H组(行天湖)处理步骤相同。

选取反演模型,叶绿素浓度:Chla=22.06+149.05*b754nm*(1/b665nm- 1/b709nm)

TTS含量:lg(TSS)=3.374+2.208189*1g((b555nm+b670nm)*(b555nm/ b670nm))

图4平滑后行天湖反射率

TN含量:TN=5.43+22.764*b550nm

TP含量:TP=0.039+2.7876*b810nm

在BB1—BB8中(L,H组同)提取出所需要波段反射率的数据,然后编程。通过一系列数据处理结果可得到需要的量。

2.4组分特征分析

观察谱线,LL1(green)、HH8(magenta)与其他组数据出入较大,舍去。然后利用模型反算可得:

4.png

根据实验数据不能判断是否符合国标。国标的符合与否是建立在确定光谱仪水质分析是准确的前提下的,有水质检测仪真实值的比对,故不能判断实际情况是否符合。但是可以对各项的含量进行比较:Chla:H>B>L,TN:B>H>L,TP:H>B>L,TSS:H>B>L。

3结论

本次研究为基于高光谱技术的水质监测,自动化设计会在稍后阐述。通过对比分析光谱曲线与有关数据可得以下几点:

(1)四参在可见光——近红外光谱下特征明显,大体趋势相当有共性。于550nm,710nm有明显波峰,670nm附近有明显波谷。紫光到绿光区波长与反射率成正比,绿光到红光区波长与反射率成反比。昆玉河在710nm以后特征不再明显不予考虑,其他两个地区水质都是先成正比后成反比的趋势,转折点(波峰)为710nm左右。

(2)对各项的含量比较结果为:

Chla:H>B>L TN:B>H>L

TP:H>B>LT SS:H>B>L

但是不能判断是否符合国标(没有真实数据的比对)。

综上,基于高光谱技术的水质监测便利快捷,特征明显,适合国家广泛应用。

4自动化设计

上文我们探讨了高光谱技术在水质应用方面的优势,并进行了实际测定。基于上述高光谱仪应用,根据同一性,大体方案如下。

4.1考虑因素

目前关于水质监测的自动化设施大多是大型的,浸入式的,体积庞大,结构复杂,移动困难,只能用于水质监测基站[5]。即使是小型浮标游行式监测和小型多参数水质检测站,也难以满足实时性、全面监测的需求。而现有的遥感监测由于内陆水色遥感缺少有效、周期稳定的卫星数据,很难做到卫星与地面同步观测,并且由于水体信息微弱,受环境因素及大气(气溶胶、云层等)影响较大,而目前又缺乏行之有效的周边环境、大气影响剔除方案[13],也具有一定局限性。

360°微型自旋光谱仪可以减小太阳光散射等带来的影响,而且能有效地检测到更宽广的水质敏感区域。微型自动化设施可以实现无人值守,实时监测,减小工作量,使水质监测更便捷、简易。

4.2设计方案

1.总体脉络

本方案以高光谱技术为基底进行设计,以湖为例。要想实现自动化,初步设想是通过计算在岸边敏感区和湖中心确定监测范围,固定多个浮标,搭载360°微型自旋光谱仪,无用时再包入空腔,潜入水底。相比现有的单一浮标游行式的监测,此种方法更能满足实时性的要求,只需在几个水体敏感区布置设施即可了解水体大致情况。再通过传感器进行调制,将传到控制端,真正实现无无人值守,实时监测。

2.360°微型自旋光谱仪结构及工作机理

360°微型自旋光谱仪的设想为一梨形装置,中心内置机械转轴提供扭矩,仍采用传统的光栅分光。光纤接在梨形仪器的顶部上,与机械臂相连,通过机械臂的伸缩以及光谱仪的自旋,可以有效监测更宽广的区域。基底浮标上设有一空腔,与微型光谱仪相连,当微型光谱仪做定轴周期性旋转时,每切换一次测定方位,链接的白板,黑板同时跟随转动,同时配置太阳能采光板,实现自供电。类似电动机,白板黑板外可绕微线圈,太阳能转化为电能后,产生磁力矩,使其转动,实现白板黑板的切换,就可以削减太阳光强不稳定性带来误差。

3.探测器的选用

前文只测定了Chla,TTS,TP,TN四个参量的含量,但是真实的水质监测需要更宽广的谱线范围,所以USB2000+的探测器型号已不再适用(SonyILX511B(2048像元硅基CCD线阵),电子在铟砷化镓(InGaAs)中传输速度为硅数倍,且可以测量更宽广的范围。而InGaAs晶体管的尺寸仅为60纳米,满足微型化要求,因此,360°自旋光谱仪可使用InGaAs探测器。

4.除噪的考虑

暗电流噪声和光子散粒噪声在光强较弱时影响较大。前文实验由于条件限制,仅尽量提高采样频率来减弱噪声影响。此外,也可选择搭载半导体制冷片来对线阵CCD进行制冷,进而降低暗电流[14]。

5.传输方式

传感器选择AD转换式,采用GPRS无线传输。相比GSM,GPRS传输效率高,接受速度快,常用于交通监测,类比可得,适用于自动化设施的传输似为可行。


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