一种紫外诱导荧光多光谱成像的海洋溢油油种识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在环境领域内使用的海洋溢油油种鉴别方法，具体的说涉及一种通过紫外灯诱导荧光多光谱成像进行油种识别的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，海洋溢油事故频发，及时准确的对溢油油种进行分析和鉴别，确定责任归属，追查违法溢油源，对应采取合适的应急响应，是一项复杂而具挑战性的工作。现行的溢油鉴别标准(GB/T 21247-2007)，多以相色谱/质谱分析为代表的实验室化学鉴别手段为代表，虽然能够对油种精确解析，然而检测速度慢，代价高。
[0003]近几年来光谱分析成为溢油鉴别的新兴手段，受到普遍关注。特别的，近红外光谱(NIR)应用广泛油种类鉴别过程中，王丽等(光谱仪与光谱分析，2004.12)，利用近红外光谱技术鉴别模拟海面溢油，对自行配制了 56个汽油、柴油、润滑油的模拟海水样品，正确判别溢油类别。油品在紫外激发下具有荧光现象，王春艳等(分析测试学报，2014.3)，提出使用基于浓度参量同步荧光光谱技术，可以实现实验室不同溢油类型及不同油源原油的准确分类。然而本质上上述文献技术手段均不能做到现场、快速的原位探测，且设备笨重，仪器精密费用高。海洋溢油往往是突发事件，通过遥感手段进行海洋溢油的快速原位探测是快速响应的重要组成部分。然而，传统的遥感手段，如星载、机载SAR等，只能探测溢油面积，不能区分各个油种，且受环境影响较大。
[0004]本发明提供了一种通过一种简易的装置实现油种识别的方法，可以实现溢油油种的快速鉴别。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于紫外诱导荧光多光谱成像的海洋溢油油种识别方法。
[0006]本发明采用如下技术方案:
[0007]一种基于紫外诱导荧光多光谱成像的海洋溢油油种识别方法，该方法步骤如下:
[0008]1.本方法的测试装置:本发明所使用的实验装置包括一个灯箱，灯箱内安装3种波长的紫外灯管，中心波长分别为254、302、365nm，其中254nm和365nm波长的紫外灯在灯箱上方，302装在灯箱的底部，每种波长分别为2只15W的紫外灯管，(当然也可放置多只不同瓦数的灯管)，灯管前方分别放置相应波长的滤波片，其中302nm的滤波片上方放置石英玻璃皿，内部放置待测的溢油样品。相机安装在灯箱的上方中间，在相机前加装一个8个滤波器的转轮，安放8个波长的窄带滤波片，波长分别为365、404、410、420、435、450、546、577nm。相机和计算机通过USB连接，可将拍摄的图像实时传输给计算机处理。
[0009]2.图像采集:图像采集包括两个部分，训练集图像采集，准备多种样(如准备I汽油、2柴油、3煤油、4机油、5原油、6植物油六种类)分别放在圆形玻璃皿中，每个品种50个样，分别在254反射、302透射、365反射光光源下，转动滤波器转轮在577-365共8种滤波片下，每个样品拍摄两张照片；拍摄后，对图像进行编号(如5机油，光源254nm，滤波片577nm，第I张，编号为5-254-577-1.jpg)，共采集样品照片为1140副(6个油种*3个波长光源*8种滤波片*2副*50个样)，将图像保存。
[0010]3.图像预处理:预处理主要是对油样的有效光斑信息进行提取，I)由于图像采集的像素比较大，为3000*4000 = 12000像素，而油样主要分布在中间位置，所以优先将图像进行裁剪中间1500*1500像素，这样图像压缩为原来的四分之一 ；2)对比度拉增强、取自适应阈值，二值化图像，并进行孔洞填充和开闭运算；3)图像联通区标记后，如果能提取出大于10000像素点的联通区，则提取最大联通区外接矩形四个角坐标，并以此为四个点将子图像抠出来。如果不能提取，则什么也不做；4)将图像拉伸到800*800，5)图像预处理的结果是将图像光斑外界矩形图像提取出来，大小为800*800像素，然而该光斑图像包括了背景、玻璃皿等信息，应去除，所以首先取略小于光斑圆的内接矩形为信息区500*500 ；6)将光斑图像按照原图像的名字存储。
[0011]4.图像特征提取:由于每个油样重复了两次拍摄，所以每个品种50个油样可以得到100副子图像，分别求50个样本的24个状态下(3种光源，8个滤波片)的RGB、HSV6个分量的均值特征。由此得到6个油种，每个油种50个样本，每个样本24个状态的，每个状态6个颜色均值特征的特征矩阵Data，保存到Excel表格中，以备后面识别使用。
[0012]5.图像特征优化:在进行识别，首先需要对数据Data进行标准化(中心化和白化)，然后进行PCA变换，按照主分分量的贡献率进行排序，得到按照特征映射features，在使用K-1CA之间随机生成初始混合矩阵W，得到混合向量X = features*W ;使用K-1CA求得解混合矩阵Wcca，求得sestimate = Wcca^features'，然后使用支持向量机进行分类。
[0013]6.图像识别:图像识别方法采用支持向量机模型，选用的核函数是径向基RBF核函数，其中的两个参数C和ga_a可由系统网格法寻优给出给出。通过上述过程得到训练模型。对于待测样品(如某违法溢油源)重复上述1-5的过程，对图像采集、预处理、特征提取与优化，得到测试数据，将测试数据输入训练模型得到该油的油种标签。
[0014]本发明的有益效果是:
[0015]本发明所公开的一种基于紫外诱导荧光多光谱成像的海洋溢油油种识别方法，通过三个波长的紫外灯对溢油样品进行照射，分别在8个窄带滤波片下采集图像，通过对图像进行特征提取、优化和识别，进而实现了溢油种类的识别。该方法所使用的装置简单、造价低，检测速度快，量化检测客观、科学，应用于溢油应急检测，提高了生产效率。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的紫外诱导荧光多光谱图像采集装置图。
[0017]图2是本发明的海洋溢油油种识别方法流程图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]实施例，请参照图1和图2，图1示意性的示出了本发明所公开的紫外诱导荧光多光谱图像采集装置图，图2示意性的示出了本发明所公开的海洋溢油油种识别方法流程图。
[0020]结合图1，本实施例说明本方法的紫外诱导荧光多光谱图像采集装置，本装置包括一个I灯箱，灯箱内安装3种波长的紫外灯管2、6、10，中心波长分别为254nm、302、365nm，其中254nm和365nm波长的紫外灯2、10装在灯箱上方，302nm的紫外灯6装在灯箱的底部，每种波长分别为2只15W的紫外灯管，(当然也可放置多只不同瓦数的灯管)，灯管前方分别放置相应波长的滤波片3、7、9，其中302nm的滤波片上方放置5石英玻璃皿，内部放置待测的溢油样品。相机4安