高光谱水质光谱数据实时分析、反演

摘要

关键词

一、引言

分数阶导数（FOD）作为一种光谱预处理方法，能在保留更多光谱细节信息的同时，有效抑制噪声、增强光谱特征差异 。结合光谱特征筛选，可进一步挖掘与水质参数紧密相关的光谱信息，提升反演模型性能。本文以叶绿素 a（Chl - a）为研究对象，开展基于 FOD 和光谱特征的高光谱水质参数反演模型研究，探索高效水质监测技术途径。

二、研究区与数据获取

（一）研究区概况

研究区域，该区域水域具有典型的 [如富营养化、河流 - 湖泊过渡等] 水质特征，涵盖多种生境类型，适合开展水质参数高光谱反演研究。研究区地理位置通过图 1（a）、（b）、（c）展示，明确其在大区域地理框架及局部水域（如白洋淀部分区域）的位置，采样点分布于目标水域，为后续光谱采集与水质参数测量提供基础。

（二）数据获取

1. 高光谱数据采集：在天气晴朗、光照稳定时段，对研究区水域进行光谱采集。严格按照高光谱测量规范，在每个采样点上方 [具体高度，如 1.5m] 处，采集水体光谱反射率数据，每个采样点重复测量 ,取平均值作为该点光谱数据，得到如图 2 所示的原始光谱曲线，不同采样点光谱存在差异，反映水体成分的复杂性。

2. 水质参数测量：同步采集水样，采用 标准测量方法，如分光光度法]测定叶绿素 a（Chl - a）浓度，作为水质参数反演的真实值（True value），用于模型构建与验证。

   
   

   

   

   

   
   

三、方法与模型构建

（一）分数阶导数（FOD）预处理

分数阶导数通过数学算法对光谱数据进行变换。分别对原始光谱进行 0.1 - 1.0 阶（步长 0.1）的 FOD 变换，得到不同阶数的光谱曲线（如图 4、5 所示）。随着阶数变化，光谱曲线的峰值、谷值等特征发生改变，低阶导数可一定程度保留原始光谱信息并增强细节，高阶导数虽能进一步突出特征，但也可能引入噪声。通过分析不同阶数 FOD 处理后的光谱与 Chl - a 浓度的相关性，筛选对反演有利的导数阶数。

（二）光谱特征筛选

采用 具体特征筛选算法，如相关系数法结合随机森林特征重要性、遗传算法等,对 FOD 处理后的光谱数据进行特征筛选。计算光谱反射率与 Chl - a 浓度的相关系数，绘制相关系数热力图（如图 6），根据热力图中不同波长、不同阶数导数下相关系数分布，结合算法对特征的重要性排序，筛选出与 Chl - a 浓度高度相关的光谱特征，减少冗余信息，提升模型运算效率与精度。

（三）反演模型构建与验证

四、结果与分析

（一）FOD 对光谱特征的影响

（二）光谱特征筛选结果

经特征筛选算法，从众多 FOD 处理后的光谱特征中，筛选出 [具体数量，如 10 - 20 个] 与 Chl - a 浓度相关性高的特征波长。这些特征波长分布在 [具体波段范围，如 450 - 750nm]，涵盖了叶绿素吸收与反射的敏感波段，说明筛选出的特征能有效捕捉 Chl - a 的光谱响应，为模型构建奠定基础。

（三）反演模型性能

五、结论与展望

以象科技作为一家由西安光机所光学博士团队、行业资深专家、光谱软件算法团队以及光学应用博士等多元专业力量共同发起创立的科技型企业，在光学技术领域展现出了非凡的潜力与强劲的实力，正逐步成为行业内的一颗璀璨新星。

其团队成员凭借深厚的学术造诣与丰富的实践经验，构建起了一座坚实的技术堡垒。西安光机所光学博士团队深入钻研光学核心原理，在光学系统的设计、优化以及创新方面持续发力，致力于打造出具有性能与高精度的光学基础架构。行业资深专家则犹如敏锐的市场领航员，他们凭借对行业发展脉络的精准把握以及对市场需求变化的前瞻性洞察，为公司的产品战略布局指明方向，确保每一款产品都能精准对接市场痛点，在激烈的市场竞争中脱颖而出。光学应用博士则专注于探索光学技术在各个实际领域的落地应用，他们深入挖掘产品在不同场景下的潜在用途，从生物医学到工业制造，从环境监测到农业科技，不断拓展产品的应用边界，让光学技术真正造福于人类社会的各个角落。

在产品层面，以象科技目前已成功投产并推向市场的可见光、近红外、短波中红外高光谱相机，无疑是其技术实力的集中体现。这不仅为国内相关行业提供了更为可靠、性价比更高的光学设备选择，还在一定程度上推动了我国光学技术自主创新的进程，提升了我国在全球光学产业价值链中的地位。

此外，公司经营的激光共聚焦、激光散斑血流成像仪、光谱仪等光学产品，也均在各自的领域内展现出了的优势与性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物医学微观成像领域成为科研人员探索生命奥秘的得力助手；激光散斑血流成像仪能够精准地监测微循环血流变化，为医学临床诊断和疾病研究提供了重要的参考依据；光谱仪则凭借其对物质光谱特性的精确分析能力，在材料成分分析、环境污染物监测以及食品安全检测等领域发挥着作用。

以象科技秉持着集研发、生产、销售于一体的全产业链运营模式，展现出了强大的综合实力与协同效应。其研发中心坐落于西安这充满科技活力与创新氛围的城市，依托当地丰富的科研资源与人才优势，持续不断地投入大量资源进行技术研发与创新，为公司的产品迭代升级和技术突破提供了源源不断的动力源泉。

与此同时，公司精心构建的销售网络如同一张紧密交织的大网，全面覆盖全国各个地区，确保了产品能够快速、高效地触达每一位客户手中。而完善的售后服务机构则像是一位贴心的守护者，随时为客户提供多层次的技术支持与售后服务保障，让客户在使用产品的过程中无后顾之忧，进一步增强了客户对公司品牌的信任度与忠诚度。

以象科技凭借其团队、创新的产品以及完善的运营模式，在光学技术领域正稳步前行，未来有望在国内乃至全球市场上取得更为辉煌的成就，为推动光学科技的进步与应用普及做出更多的贡献。

以象科技由西安光机所光学博士团队，行业资深专家，光谱软件算法团队，光学应用博士等相关人员共同发起成立的科技型公司，目前投产市场可见光、近红外、短波中红外高光谱相机，实现国产化，突破进口技术壁垒，打破进口短波红外高光谱相机的技术限制。

以象科技是一家集研发、生产、销售于一体的科技型公司。目前经营产品有激光共聚焦，激光散斑血流成像仪，光谱仪，高光谱相机等光学产品。研发中心设立于西安，销售网络、完善售后服务机构设立覆盖全国。

以象科技作为一家由西安光机所光学博士团队、行业资深专家、光谱软件算法团队以及光学应用博士等多元专业力量共同发起创立的科技型企业，在光学技术领域展现出了非凡的潜力与强劲的实力，正逐步成为行业内的一颗璀璨新星。

其团队成员凭借深厚的学术造诣与丰富的实践经验，构建起了一座坚实的技术堡垒。西安光机所光学博士团队深入钻研光学核心原理，在光学系统的设计、优化以及创新方面持续发力，致力于打造出具有性能与高精度的光学基础架构。行业资深专家则犹如敏锐的市场领航员，他们凭借对行业发展脉络的精准把握以及对市场需求变化的前瞻性洞察，为公司的产品战略布局指明方向，确保每一款产品都能精准对接市场痛点，在激烈的市场竞争中脱颖而出。光学应用博士则专注于探索光学技术在各个实际领域的落地应用，他们深入挖掘产品在不同场景下的潜在用途，从生物医学到工业制造，从环境监测到农业科技，不断拓展产品的应用边界，让光学技术真正造福于人类社会的各个角落。

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此外，公司经营的激光共聚焦、激光散斑血流成像仪、光谱仪等光学产品，也均在各自的领域内展现出了的优势与性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物医学微观成像领域成为科研人员探索生命奥秘的得力助手；激光散斑血流成像仪能够精准地监测微循环血流变化，为医学临床诊断和疾病研究提供了重要的参考依据；光谱仪则凭借其对物质光谱特性的精确分析能力，在材料成分分析、环境污染物监测以及食品安全检测等领域发挥着作用。

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