一种用于水质在线监测的量程自切换控制方法及系统与流程

本发明涉及水质检测，具体为一种用于水质在线监测的量程自切换控制方法及系统。

背景技术：

1、水质监测在环境保护和水资源管理中起着关键的作用。传统的水质监测通常依赖于定期采样和实验室测试，这种方法的缺点是耗时、昂贵且无法提供实时数据。随着科技的发展，水质在线监测系统逐渐成为一种更有效的方法。在线监测可以提供实时数据，帮助监测水体的变化，及时采取措施，保护水资源。水体中的溶解氧浓度是一个关键的水质指标，对水体生态系统和水生生物的健康至关重要。溶解氧水平的监测可以提供有关水体氧气供应和水质状况的重要信息。然而，不同水域、不同时间和不同季节的溶解氧浓度可能存在显著的变化。在一些情况下，溶解氧浓度可能会在较短的时间内迅速变化，例如由于天气变化、植物光合作用、底泥氧气消耗等原因，为了适应这种变化，传感器的量程通常需要根据实际情况进行调整。如果量程设置得过小，可能无法捕捉到异常浓度的变化；如果设置得过大，可能会导致数据精度降低。为了有效监测水体中溶解氧浓度的变化，需要一种智能化的监测系统，能够根据实时的水质情况自动调整传感器的量程，总体而言，量程自切换控制方法及系统的研究对于提高水质监测系统的智能性、灵活性和可靠性具有显著的意义。这将有助于更好地保护水资源，维护生态平衡，促进可持续发展。

2、例如，现有的授权公告号为cn114965310b的中国专利公开了一种水质在线监测系统量程自切换控制方法及系统，包括接收标准溶液信息，标准溶液信息包括溶液类型以及与溶液类型相对应的溶液吸光度；从预设的数据库中查询与溶液类型相对应的检测标准曲线信息，检测标准曲线信息包括多组量程数据；根据溶液吸光度以及检测标准曲线信息，确定与溶液吸光度相对应的量程数据；根据溶液吸光度以及所确定的量程数据，生成浓度计算指令并执行，浓度计算指令用于根据所确定的量程数据计算得出溶液吸光度相对应的溶液浓度，具有提高水质在线检测结果准确性的效果。而溶解氧浓度变化拥有多种影响因素，且这种设计计算量大，没有考虑水质参数量程选取错误的后续处理，为此，本发明提供一种用于水质在线监测的量程自切换控制方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于水质在线监测的量程自切换控制方法及系统，以解决上述背景技术中提出的现有的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于水质在线监测的量程自切换控制方法，包括以下步骤：

3、s1、建立水质特征曲线数据集，包括常温溶解氧浓度量程-溶解氧浓度图像特征曲线；

4、s2、采集当前水体连续图像和水体光谱图像，提取所述当前水体连续图像中第二溶解氧浓度图像特征值序列，录入所述水质特征曲线数据集中；

5、s3、使用大量程温度传感器获取当前水体温度预计值，设置温度特征阈值和，其中，，表示常规温度值，当时，判断当前水体温度状态为低温状态，当时，判断当前水体温度状态为常温状态，当时，判断当前水体温度状态为高温状态，并为当前水体不同温度状态设置对应溶解氧浓度图像特征值计算策略；

6、s4、检测所述水质特征曲线数据集中所述第二溶解氧浓度图像特征值序列对应比例，依据设置的条件函数切换量程，若所述设置的条件函数不成立，则进行s5；

7、s5、采集水质样本，通过建立溶解氧支持向量机模型，自动切换传感器量程；

8、s6、记录监测数据，包括传感器切换的时间、原因以及监测结果，提供长期数据存储，支持数据分析和报告生成。

9、本发明进一步改进在于，所述水质特征曲线数据集建立具体步骤包括：

10、s11、采集所述常规温度值条件下个量程对应水体图像数据集，其中表示第张水体图像，表示水体图像数量；

11、s12、通过所述水体图像数据集获取第一浊度图像特征值序列和第一溶解氧浓度图像特征值序列，其中，表示第张水体图像的浊度图像特征值，表示第张水体图像的溶解氧浓度图像特征值；

12、s13、将所述第一溶解氧浓度图像特征值序列录入溶解氧浓度量程-溶解氧浓度图像特征曲线。

13、本发明进一步改进在于，所述s12具体步骤包括：

14、s121、计算所述第一浊度图像特征值，其中表示水体图像颗粒状态值，表示水体图像光谱吸收度，表示水体图像颗粒状态值权重，表示水体图像光谱吸收度权重；

15、s122、计算所述第一溶解氧浓度图像特征值，其中，表示水体图像气泡数量，表示水体图像气泡尺寸，表示水体图像气泡密度。

16、本发明进一步改进在于，所述水体图像颗粒状态值计算公式如下：，其中，和表示两种灰度级别，表示灰度级别为的像素与灰度级别为的像素同时出现的概率；

17、所述水体图像光谱吸收度计算步骤包括：通过将所述水体图像灰度化处理，得到水体像素灰度序列，表示第个像素灰度值，表示像素数量；设置水体图像光谱组合策略集合，其中第一水体光谱组合策略，第二水体光谱组合策略，第三水体光谱组合策略，第四水体光谱组合策略，其中表示第张水体图像近红外光谱反射率，表示第张水体图像可见光光谱反射率；则所述水体图像光谱吸收度计算公式为，其中，函数表示相关系数，函数表示选取函数最大值对应的水体光谱组合策略，函数表示对应的水体图像光谱吸收度。

18、本发明进一步改进在于，所述s122包括：

19、s1221、所述水体图像气泡数量获取过程包括：通过findcontours函数遍历水体图像中的每个像素，在所述水体图像中查找前置像素的连续边界，从一个边界点启动，追踪连续边界像素以形成气泡轮廓，根据当前像素的位置和相邻像素的位置差异来确定轮廓的走向，获得气泡数量，并将气泡信息数据存储入气泡信息数据集，其中表示第个气泡的信息数据；

20、s1222、通过所述气泡信息数据集获取气泡内像素含量录入气泡像素数据集，其中表示第个气泡像素数量，获得所述水体图像气泡尺寸；

21、s1223、将所述气泡信息数据集映射在所述水体图像中，通过houghcircles函数遍历每个气泡，并遍历连接相邻圆心，获取气泡边缘与连接线的交点获得气泡密度线段数据集，再将气泡密度线段数据集映射在所述水体图像中，提取所述气泡密度线段数据集中线段所占像素，得到气泡密度像素数据集，其中表示第个线段像素数量，表示线段数量，计算水体图像气泡密度。

22、本发明进一步改进在于，所述s2具体步骤包括：采集当前水体连续图像序列，其中表示第张当前水体图像，表示当前水体图像数量，基于以上步骤同样的方法提取当前水体图像第二浊度图像特征值序列和第二溶解氧浓度图像特征值序列，表示第张当前水体图像的浊度图像特征值，表示第张当前水体图像的溶解氧浓度图像特征值。

23、本发明进一步改进在于，所述溶解氧浓度图像特征值计算策略包括：

24、低温状态一级第二溶解氧浓度图像特征值计算策略计算公式如下：

25、；

26、常温状态二级第二溶解氧浓度图像特征值计算策略计算公式如下：

27、；

28、高温状态三级第二溶解氧浓度图像特征值计算策略计算公式如下：

29、。

30、本发明进一步改进在于，所述s4通过设置条件函数判断实现，所述条件函数，其中，函数表示函数内交集中每个量程区间数量，函数表示所述量程区间数量的最大值，若判断条件函数成立，则切换至该量程区间，若判断条件函数不成立，则进行s5。

31、本发明进一步改进在于，所述s5通过建立溶解氧支持向量机模型来识别溶解氧的变化模式，采集当前水质样本并预测当下水质溶解氧浓度，设定量程序列，及其对应的所述水质溶解氧浓度量程切换临界值序列，其中，表示第个量程区间，表示切换至第个量程的水质溶解氧浓度量程切换临界值，设置切换判断函数序列，其中，表示切换至量程区间，则切换至量程区间的判断函数计算公式如下：，切换至量程区间的判断函数计算公式如下：，并依次对切换至量程区间的判断函数、切换至量程区间的判断函数、...、切换至量程区间的判断函数进行定义，若切换至量程区间的判断函数成立，则自动切换至该传感器量程。

32、另一方面，本发明提供一种用于水质在线监测的量程自切换控制系统，包括：

33、数据采集模块，用于通过图像传感器采集水体图像和水体光谱图像，以及水质样本；

34、水质特征曲线数据集建立模块，用于建立常温溶解氧浓度量程-溶解氧浓度图像特征曲线；

35、温度分级模块，用于使用大量程温度传感器获取当前水体温度预计值，设置温度特征阈值，将当前水体温度分级为低温状态、常温状态和高温状态；

36、溶解氧浓度图像特征值计算模块，用于根据所述温度分级模块将当前水体分为的不同温度状态设置对应溶解氧浓度图像特征值计算策略，得到第二溶解氧浓度图像特征值序列；

37、第一量程切换模块，用于检测所述水质特征曲线数据集中所述第二溶解氧浓度图像特征值序列对应比例，依据设置的条件函数切换量程，若所述设置的条件函数不成立，则送入第二量程切换模块；

38、第二量程切换模块，用于依据所述水质样本建立溶解氧支持向量机模型，自动切换传感器量程；

39、数据记录和存储模块，用于记录监测数据，包括传感器切换的时间、原因以及监测结果，提供长期数据存储，支持数据分析和报告生成。

40、本发明进一步改进在于，所述水质特征曲线数据集建立模块和溶解氧浓度图像特征值计算模块包括浊度图像特征值序列获取单元和溶解氧浓度图像特征值序列获取单元，所述浊度图像特征值序列获取单元用于计算浊度图像特征值，所述溶解氧浓度图像特征值序列获取单元用于结合所述浊度图像特征值序列获取单元计算结果计算溶解氧浓度图像特征值。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、1、本发明首先通过采集常温状态下不同量程的水质图像，建立水质特征曲线数据集，在监测水体溶解氧浓度时，经过同样的方式计算水体溶解氧浓度，通过对比水体溶解氧浓度和水质特征曲线数据集，得到量程区间，在实现实时监测水质的同时，通过对比方法节约了计算时间，且图像处理方法节约了计算成本。

43、2、在本发明中考虑了温度对水质物理特性的影响，通过设置三种溶解氧浓度图像特征值计算策略，提高了水体溶解氧浓度的计算精度。

44、3、本发明通过在第一量程切换模块设置条件函数切换量程，若条件函数不成立，表明监测精度不符合标准，然后设置第二量程切换模块，引入支持向量机模型来识别溶解氧的变化模式，预测当下水质溶解氧浓度，在节约计算成本的同时减小了图像识别不准确对监测精度造成的影响。