一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估方法及系统

本发明涉及空气质量检测，具体涉及一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估方法及系统。

背景技术：

1、挥发性萜烯类物质是一类在城市地区空气污染中具有重要影响的化合物。这些物质往往通过挥发或排放过程释放到大气中，由于其含有碳-碳双键结构，容易受大气氧化剂的作用而发生快速降解，产生各种二次污染物，如臭氧、硝酸盐和有机酸等。这些二次污染物对人体健康和环境都会造成不良影响，因此，评估空气中的挥发性萜烯类物质的含量是检测城市地区空气污染的重要指标。

2、由于萜烯类物质在城市地区污染空气中的含量较低，为了全面评估城市地区空气中挥发性萜烯类物质的含量及其对空气质量和环境的影响，通常使用空气采样器采集空气样品，然后使用气相色谱-质谱联用技术（gc-ms）或其他分析方法对样品中的挥发性萜烯类物质进行定量和定性分析。在通过光谱等技术对其进行定量测量时，传统的萜烯类物质的测量需要对城市地区萜烯类物质的空气样本进行提纯，才能进一步精确测量萜烯类物质的含量，此种方法所用时间长，检测成本高，且难以做到萜烯类物质的实时检测。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，本发明实施例提供了一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤s10，采集各空气样本中的萜烯类物质含量和光谱图数据；其中，所述光谱图数据中的各元素为对应各波长的光谱吸收率；根据所有空气样本的萜烯类物质含量，获得各空气样本的萜烯类物质浓度等级；

4、步骤s20，根据各萜烯类物质浓度等级中所有空气样本对各波长的光谱吸收率，计算各波长对应的萜烯浓度响应混乱度和信息特异度；

5、步骤s21，根据相邻萜烯类物质浓度等级中所有空气样本对各波长的光谱吸收率，获得各波长对应的萜烯浓度响应范围；

6、步骤s22，根据各波长对应的萜烯浓度响应范围计算不同萜烯类物质浓度等级在各波长处的萜烯浓度确定概率；

7、步骤s23，根据各波长处的萜烯浓度确定概率计算各波长对应的萜烯浓度响应混乱度；

8、步骤s24，根据各波长对应的萜烯浓度响应范围计算萜烯浓度等效范围；

9、步骤s25，结合萜烯浓度等效范围和萜烯浓度确定概率获得各波长对应的信息特异度；

10、步骤s30，根据波长对应的信息特异度与萜烯浓度响应混乱度获得稀疏负载向量；根据稀疏负载向量，对所有空气样本采用稀疏pca算法进行降维，获得降维后的样本数据集；获取实时采集的光谱图监测数据；根据样本数据集中各样本数据对应的空气样本的萜烯类物质浓度等级获得分类决策函数，使用分类决策函数获得光谱图监测数据的萜烯类物质浓度等级。

11、进一步，所述根据所有空气样本的萜烯类物质含量，获得各空气样本的萜烯类物质浓度等级，包括：

12、获取所有空气样本的萜烯类物质含量的均值和方差；计算所述均值与三倍方差的和值；获取以数字0为下界，以所述和值为上界的区间，记为萜烯类物质的含量区间；将所述含量区间平均划分为预设数量个子区间；

13、对于第g个子区间，将子区间中包含的所有空气样本的萜烯类物质浓度等级，记为第g级。

14、进一步，所述根据相邻萜烯类物质浓度等级中所有空气样本对各波长的光谱吸收率，获得各波长对应的萜烯浓度响应范围，包括：

15、对于第m个波长，计算各萜烯类物质浓度等级的所有空气样本对第m个波长的光谱吸收率的均值；获取萜烯类物质浓度等级为第g级与第g-1级的所有空气样本的所述均值的差值绝对值；将所有萜烯类物质浓度等级的所述差值绝对值的均值作为第m个波长对应的萜烯浓度响应范围。

16、进一步，所述根据各波长对应的萜烯浓度响应范围计算不同萜烯类物质浓度等级在各波长处的萜烯浓度确定概率，包括：

17、计算各萜烯类物质浓度等级的所有空气样本对第m个波长的光谱吸收率的标准差；获取所述萜烯浓度响应范围与所述标准差的比值；将所述比值与数字1之间的最小值作为各萜烯类物质浓度等级在第m个波长处的萜烯浓度确定概率。

18、进一步，所述根据各波长处的萜烯浓度确定概率计算各波长对应的萜烯浓度响应混乱度，包括：

19、计算以数字2为底数，以所述萜烯浓度确定概率为真数的对数函数；统计所有空气样本的数量，记为空气样本总数，计算各萜烯类物质浓度等级内包含的空气样本数量与空气样本总数的比值，记为第一比值；获取所述对数函数的计算结果与所述第一比值的乘积；获取所述乘积的相反数；将所有萜烯类物质浓度等级的所述相反数的和值作为第m个波长对应的萜烯浓度响应混乱度。

20、进一步，所述根据各波长对应的萜烯浓度响应范围计算萜烯浓度等效范围，包括：

21、计算所述萜烯浓度响应范围与所述标准差的差值绝对值，记为第一差值绝对值；计算所述萜烯浓度响应范围与所述标准差的和值；获取第一差值绝对值与所述和值的比值，记为第二比值；获取数字1与第二比值的差值；将所述差值与所述标准差的乘积作为各萜烯类物质浓度等级在第m个波长处的萜烯浓度等效范围。

22、进一步，所述结合萜烯浓度等效范围和萜烯浓度确定概率获得各波长对应的信息特异度，表达式为：

23、

24、式中，是第m个波长对应的信息特异度，m是光谱图数据中元素的数量，是萜烯类物质浓度等级的数量，是第g个萜烯类物质浓度等级在第m个波长处的萜烯浓度确定概率，、分别是第g个萜烯类物质浓度等级在第m个、第个波长处的萜烯浓度等效范围。

25、进一步，所述根据波长对应的信息特异度与萜烯浓度响应混乱度获得稀疏负载向量，包括：

26、将所有波长对应的信息特异度与萜烯浓度响应混乱度的比值，按照从大到小的顺序排列，获得负载向量；将负载向量中除前预设数量个元素之外的其它元素重置为0，获得稀疏负载向量。

27、进一步，所述根据样本数据集中各样本数据对应的空气样本的萜烯类物质浓度等级获得分类决策函数，使用分类决策函数获得光谱图监测数据的萜烯类物质浓度等级，包括：

28、将所述样本数据集中各样本数据对应的空气样本的萜烯类物质浓度等级作为各样本数据的分类标签；将所有样本数据及其分类标签输入支持向量机算法，获得分类决策函数；

29、将实时采集的光谱图监测数据中与样本数据集相同维度的数据，输入分类决策函数，获得光谱图监测数据的分类标签；将光谱图监测数据的分类标签对应的萜烯类物质浓度等级，作为实时采集的光谱图监测数据的萜烯类物质浓度等级。

30、第二方面，本发明实施例还提供了一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述方法的步骤。

31、本发明至少具有如下有益效果：

32、本发明提出一种挥发性萜烯类物质的空气通量评估方法及系统，通过分析空气样本的光谱图数据中各波长对应的光谱吸收率与萜烯类物质含量之间的关系，根据浓度等级内光谱吸收率获得波长处光谱吸收率对萜烯浓度响应范围，计算波长对对应的萜烯浓度响应混乱度，表征不同波长处的吸收率对萜烯浓度的响应明确程度，增强光谱数据中的萜烯浓度信息；进一步根据光谱吸收率对萜烯浓度响应范围与等级内所有波长对应的光谱吸收率的范围计算出萜烯浓度等效范围，表征不同波长在不同浓度等级中分辨挥发性萜烯物质浓度的能力；进一步以萜烯浓度确定概率作为萜烯浓度等效范围的权重，计算各波长对应的信息特异度，分辨出光谱数据中不同波长处的萜烯浓度有效信息的冗余程度，选择出其中信息具有代表性的波长，增强光谱数据中的萜烯浓度信息，并以此改进稀疏pca算法，根据降维后的空气样本的萜烯类物质浓度等级，获得实时监测的光谱图监测数据的萜烯类物质浓度等级，提高了空气中萜烯类物质的实时检测精度。