基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置及方法

本发明属于数据采集装置，特别是涉及到一种基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置及方法。

背景技术：

1、近些年赤潮灾害频发，对渔业资源以及海洋生物的生存产生了较大影响，对沿途旅游业也造成了一定的经济损失。赤潮形成机理非常复杂，近些年众多研究者对其进行了深入研究，常用的水质检测以及浮标站定点连续自动监测方法，耗费人力物力，由于海洋中容易出现其他污染物，容易造成误检以及漏检，预测赤潮的准确度不理想。船载光学仪器测量方法需要定点采样，由于需要化学分析及人工处理，效率不高且成本较高。针对赤潮种类较多的特点，常规光学方法无法快速分析赤潮的优势种，由于偏振光在不同种类的微生物及细胞中进行传输其具有不同的散射特性，可以准确的分析出微生物及细胞的种类，因此偏振技术被广泛应用在伪装目标识别、癌细胞检测、钢材瑕疵检测等场合。现阶段要提高预测赤潮的准确度需要进行建模处理，为提高模型的准确度建立赤潮偏振数据库，但碍于对于赤潮偏振数据库的建立发展较慢。

2、因此现有技术当中亟需要一种新型的装置及方法来建立赤潮偏振数据库。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置及方法，选用偏振二向反射模型来进行建模，通过赤潮偏振数据库采集装置对海洋不同区域内不同太阳天顶角、不同太阳方位角、不同观测天顶角、不同观测方位角、不同风速、不同风向、不同海水温度、不同海水盐度等相关数据进行数据采集，在实际测试中通过理论公式推导与实际采集结果进行比对，置信度超过60％则确认为模型准确，反之则优化模型，进行二次建模来增加模型的适配度，达到准确识别赤潮优势种的目的，进而提高预测赤潮的准确度；解决现有偏振数据库中缺少赤潮优势种类的数据，每当赤潮发生均需要大量的人力物力去检测和分析采集的赤潮水体样本，效率低且成本昂高的问题。

2、基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置，包括偏振成像系统以及偏振数据库采集系统，所述偏振成像系统采集可见光、短波红外以及长波红外波段的偏振图像，偏振成像系统包括分光棱镜i、偏振调制单元i、可见光相机、分光棱镜ⅱ、偏振调制单元ⅱ、短波红外相机、反光镜、偏振调制单元ⅲ以及长波红外相机，所述分光棱镜i、分光棱镜ⅱ以及反光镜同光轴设置；所述分光棱镜i的光束透射方向上依次设置偏振调制单元i以及可见光相机；所述分光棱镜ⅱ的光束透射方向上依次设置偏振调制单元ⅱ以及短波红外相机；所述反光镜的光束反射方向上依次设置偏振调制单元ⅲ以及长波红外相机；

3、所述偏振数据库采集系统将偏振成像系统采集的偏振图像进行图像输出、存储以及处理，偏振数据库采集系统包括中心控制单元、图像输出单元以及图像存储与处理单元，偏振成像系统采集的偏振图片通过中心控制单元以及图像输出单元传输至图像存储与处理单元。

4、所述偏振数据库采集系统还包括转台控制单元、gps定位单元以及转台，所述gps定位单元将实时位置信息反馈给转台控制单元，通过中心控制单元控制转台控制单元对转台进行跟踪转动。

5、所述所述偏振数据库采集系统还包括电源单元，为中心控制单元、图像输出单元、图像存储与处理单元、转台控制单元、gps定位单元以及转台供电。

6、所述中心控制单元控制偏振调制单元i、偏振调制单元ⅱ以及偏振调制单元ⅲ的偏振方向。

7、基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集方法，应用所述的基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置进行赤潮偏振数据库采集，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，

8、步骤一、赤潮发生时，采用生态环境监测站监测风速、风向、海水温度、海水盐度，将赤潮区域根据不同风速、风向、海水温度、海水盐度进行区域划分，利用无人机搭载基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置对各区域进行图像采集；

9、步骤二、采用gps定位单元确认实时位置信息，并记录实时的太阳天顶角和方位角，通过中心控制单元控制转台控制单元对转台进行转动，调整转台控制观测方位角为90°，将此时的观测天顶角设定为10°；通过中心控制单元控制偏振调制单元i、偏振调制单元ⅱ以及偏振调制单元ⅲ将偏振方向依次调整为0°、45°、90°、135°，利用偏振成像系统中可见光相机、短波红外相机、长波红外相机进行图像采集，中心控制单元将偏振图像传输给图像输出单元，通过图像输出单元传输给图像存储与处理单元进行图像存储与处理；

10、步骤三、中心控制单元控制转台控制单元对转台进行转动，调整转台控制观测方位角为180°，将此时的观测天顶角分别设定为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，重复所述步骤二的操作进行图像存储与处理；

11、调整转台控制观测方位角为270°，将此时的观测天顶角分别设定为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，重复所述步骤二的操作进行图像存储与处理；

12、步骤四、利用生态环境监测站监测太阳天顶角每上升或下降10°，利用无人机搭载基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置进行复飞，抵达相同区域分别重复所述步骤二和步骤三，至无太阳光时停止采集，将得到的图像进行存储并按太阳天顶角、太阳方位角、观测天顶角、观测方位角、风速、风向、海水温度、海水盐度进行归类编辑赤潮偏振数据库；

13、步骤五、利用模型匹配赤潮偏振库中偏振图像的数据，建立偏振双向反射分布函数：

14、

15、式中，θs为太阳天顶角；为太阳方位角；θv为观测天顶角；为观测方位角；de为入射辐照度；dlrp为偏振反射辐照度；

16、海面风速与二维粗糙海面的概率分布函数为：

17、

18、式中，sup为倾斜微小平面逆风的斜率；scross为倾斜微小平面侧风的斜率；σup为倾斜微小平面逆风的rms值；σcross为倾斜微小平面侧风的rms值；

19、海水粗糙度与风速v的关系为：

20、

21、海面倾斜微平面单元在以方位角和天顶角为基准轴上斜率sx，sy与天顶角以及方位角的关系为：

22、

23、

24、海面倾斜微平面单元的倾斜角度β与方向斜率sx，sy的关系为：

25、

26、其中逆风风向与侧风风向的斜率与sx，sy的关系为：

27、

28、式中，为海风风向的方位角；

29、太阳光经过赤藻反射其具有偏振特性，利用菲涅尔反射方程将偏振光分解为s偏振分量和p偏振分量，其关系式为：

30、

31、

32、式中，rs为s偏振分量的反射系数；rp为p偏振分量的反射系数；n1为空气折射率；n2为赤潮折射率；θi为太阳入射角；θt为折射角；

33、其中空气折射率公式为：

34、

35、海水折射率公式为：

36、

37、其中，p是气压；t是温度；λ是波长；

38、联立上述公式，最终得到偏振反射率和偏振度的关系式为：

39、

40、

41、其中rp,rt(θs,θv,φv,φwind,nrt,v)为赤潮p偏振分量的偏振反射率；rs,rt(θs,θv,φv,φwind,nrt,v)为赤潮s偏振分量的偏振反射率；rp,rt为赤潮p偏振分量的反射系数；rs,rt为赤潮s偏振分量的反射系数；p为偏振度；

42、将所述步骤一至步骤四中当天采集到的实测数据，作为仿真参数带入到公式中，求解偏振反射率和偏振度，并与实测数据进行匹配；采用置信度进行验证，置信度公式为：

43、

44、式中，m为置信度，rs和ra分别表示仿真数值与赤潮偏振数据库已知数值；

45、若置信度高于60％，模型准确，置信度低于60％，模型为不准确；进行二次建模来增加模型的真实性，利用实测数据进行线性拟合，利用线性回归模型建立自变量和因变量的关系，线性回归模型公式为：

46、

47、其中yp为因变量；xp1、xp2、xp3、xp4、xp5、xp6作为自变量仿真与实测数据中主要的干扰条件；为自变量仿真与实测数据中主要的干扰权重；权重越大证明某一干扰条件对于最终的仿真数据影响越大，反之影响越小；再将二次建模后的模型进行置信度验证，置信度高于60％，模型准确。

48、通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：基于偏振二向反射模型的赤潮偏振数据库采集装置及方法，采取了赤潮偏振数据库与仿真模型相结合的方法，首先通过采集到的偏振图像组成赤潮偏振数据库，利用仿真模型引入相关参数进行仿真，利用置信度作为评判模型准确度的标准，若置信度较低，则采取二次建模，对得到的实测数据进行线性拟合，得到线性回归模型，再通过置信度进行验证，得到置信度较高的模型，并随着模型算法越来越准确就可以得到置信度较高的模型，本发明建立赤潮偏振数据库可为后来的模型建立提供有效的参考，对提高赤潮预测的准确度有着重要的意义。