富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳玲俠

(咸陽師范學院 資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000)

富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計

陳玲俠

(咸陽師范學院 資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000)

對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測，可以預防富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度增加，提高水體水質(zhì)，增加水循環(huán)次數(shù)，減少水體中有機物的污染;當前富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，以Modis遙感影像數(shù)據(jù)為原理，依據(jù)富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的特征提取結(jié)果，對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測，沒有具體對遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行詳細地設計，無法獲取富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度高精度的遙感監(jiān)測信息，存在遙感監(jiān)測結(jié)果偏差大的問題;提出了一種基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法;該方法先對Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)進行硬件設計，采用IMF對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行特征提取，以特征提取結(jié)果為基礎(chǔ)，依據(jù)COD濃度指數(shù)時間序列實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測，最后利用Retinex法對COD濃度遙感監(jiān)測的圖像進行處理，完成對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的遙感監(jiān)測;仿真實驗結(jié)果證明，所提系統(tǒng)設計方法可以精確地對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行安全快速的遙感監(jiān)測。

富營養(yǎng)化水體環(huán)境；COD濃度；遙感監(jiān)測；系統(tǒng)設計

0 引言

隨著科學技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對河流的嚴重污染，工業(yè)廢水和廢水處理廠的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的遙感監(jiān)測產(chǎn)生了高度重視[1]。遙感監(jiān)測系統(tǒng)在單位企業(yè)空曠區(qū)域內(nèi)監(jiān)測、單位企業(yè)內(nèi)實物設備器材監(jiān)測、周界監(jiān)測、建筑區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測等各個領(lǐng)域都有著廣泛的應用[2]。由于富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度具有不穩(wěn)定性、錯綜復雜性等特點[3]，需要對其進行高精度地遙感監(jiān)測，但多數(shù)遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法無法對其進行高效穩(wěn)定地遙感監(jiān)測[4]，導致水質(zhì)污染情況不能及時被發(fā)現(xiàn)和解決。在這種情況下，如何對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行全面準確地遙感監(jiān)測成為了急需解決的問題[5]?；赯igbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行高精度的遙感監(jiān)測，是解決上述問題的有效途徑[6]，成為了富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計研究者的主要研究方向，并受到了該領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，取得了很多優(yōu)秀的成果[7]。

文獻[8]提出了基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。該方法首先建立富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度衛(wèi)星遙感參數(shù)系統(tǒng)，利用衛(wèi)星遙感參數(shù)系統(tǒng)獲得富營養(yǎng)化水體環(huán)境中的COD濃度數(shù)據(jù)，然后根據(jù)得到的COD濃度數(shù)據(jù)初步構(gòu)建遙感監(jiān)測系統(tǒng)模型，最后依據(jù)初步構(gòu)建的遙感監(jiān)測系統(tǒng)模型利用COD濃度指數(shù)實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。該方法較為簡單，但是存在遙感監(jiān)測準確率低的問題。文獻[9]提出了一種基于組件技術(shù)的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。其設計基于組件技術(shù)的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)的基本流程，首先針對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測的需求，根據(jù)設計的遙感監(jiān)測系統(tǒng)基本流程，建立COD濃度參數(shù)反演和遙感監(jiān)測結(jié)果校驗功能，最后根據(jù)遙感監(jiān)測結(jié)果校驗功能完成富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)的設計。該方法所用的時間比較少，但存在遙感監(jiān)測偏差大的問題。文獻[10]提出了一種基于Arcgis Geop rocessing的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。該方法先利用Arcgis Geop rocessing中的GIS功能完成富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計，然后根據(jù)完成的硬件設計使用插件式GIS二次開發(fā)對COD濃度遙感監(jiān)測函數(shù)進行計算，最后利用該函數(shù)的計算結(jié)果有效地完成對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計。該方法監(jiān)測精度較高，但是存在用時較長的問題。

針對上述產(chǎn)生的問題，提出一種基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。該方法設計過程：1)利用COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺和COD濃度遙感監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡；2)通過對IMF的計算，實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征提取，依據(jù)COD濃度指數(shù)時間序列法對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測；3)采用Retinex法對遙感監(jiān)測的圖像進行分解，去噪，使遙感監(jiān)測圖像顯示效果得到增強，從而更明確地獲得富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的變化情況。仿真實驗證明，所提方法可以精確地對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行有效可靠地遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計。

1 基于Zigbee的COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法

1.1 富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺設計過程中，首先要完成對COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)硬件模塊的設計，然后將遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺與各個硬件模塊進行通信，處理來自富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的信息，且監(jiān)測信息以圖像方式顯示出來。富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺如圖1所示。

圖1 COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺

富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺中各硬件模塊在遙感監(jiān)測中的作用很大，可以輔助遙感監(jiān)測系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并處理遙感監(jiān)測過程中富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度異常情況，確保水體質(zhì)量。硬件模塊中主要對COD濃度遙感監(jiān)測模塊進行細分。COD濃度遙感監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 COD濃度遙感監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)

綜上所述，在富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計中，依據(jù)COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)總控制平臺和COD濃度遙感監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建了富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡，簡潔清晰地對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)造做出了分化，便于對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度變化情況進行了解和及時解決。

1.2 COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測子模塊

依據(jù)2.1中所獲各項富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)信息，對COD濃度進行特征提取，有利于遙感監(jiān)測的監(jiān)測效果更精確。本文采用IMF(內(nèi)蘊模式函數(shù)分量)對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行特征提取。

通過對IMF的計算，可實現(xiàn)富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征提取，步驟如下：

1)假設COD濃度像元x(α)有全體局部極值點；2)依據(jù)特征提取曲線對COD濃度像元x(α)的極大值和極小值點進行擬合，提取COD濃度像元極大值的上包絡線Emax(α)以及COD濃度像元極小值的下包絡線Emin(α)；3)計算COD濃度像元上下包絡線的均值：

m(α)=(Emax(α)+Emin(α))/2

(1)

其中，m(α)代表COD濃度像元上下包絡線的均值，x(α)代表COD濃度像元。

(4)提取富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征細節(jié)信號：

h(α)=x(α)-m(α)

(2)

其中，h(α)代表富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征細節(jié)信號。

為了保證富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征的高精度提取，COD濃度特征細節(jié)信號必須符合特征提取迭代計算條件準則。則IMF的COD濃度特征提取迭代計算終止準則為：

(3)

hl,(k-1)-m11=hlk

(4)

其中，M代表富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征提取數(shù)目，hl,k(i)代表地l個富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征細節(jié)信號的第i個數(shù)目的第k次迭代計算終止準則值，SA代表COD濃度特征提取篩選限值，取值范圍為0.2-0.3，當SA小于COD濃度特征提取篩選限值時，篩選迭代計算終止，m11代表COD濃度像元所有包絡線的均值，其獲得方式為：富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征細節(jié)信號h1,k(i)的初值減去COD濃度像元包絡線均值。COD濃度特征提取迭代計算終止獲得第一個IMF：

c1(α)=h1,k(α)

(5)

其中，c1(α)代表COD濃度特征提取迭代計算終止獲得第一個IMF，h1,k(α)代表第1個富營養(yǎng)化水體環(huán)境中第k次COD濃度特征提取迭代計算的IMF。

對剩余COD濃度特征細節(jié)信號p1(α)=x(α)-c1(α)繼續(xù)進行迭代計算，最終獲得第k次迭代時COD濃度特征細節(jié)信號的值，記作pk，該值為一常量，當pk變化夠小時迭代計算停止。由此獲得富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征細節(jié)信號最終結(jié)果：

(6)

依據(jù)COD濃度特征提取經(jīng)驗模式對COD濃度特征細節(jié)信號進行分解，將一個COD濃度特征細節(jié)信號分解成數(shù)個特征信號的IMF成分，獲得IMF的個數(shù)為log2O，從而完成對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度特征的提取。

根據(jù)上述內(nèi)容，利用COD濃度指數(shù)時間序列法對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測，通過對水體污染狀況的遙感監(jiān)測，達到富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測的目的。COD濃度指數(shù)時間序列法建立EVI時間序列反映富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的變化，公式為：

(7)

其中，VPI代表COD濃度指數(shù)時間序列法和EVI時間序列的虛擬連接值，VPI的取值范圍為0～100。VPI值越小，說明富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度越高，從而反映水體污染情況越不明朗。根據(jù)上述所獲數(shù)據(jù)將富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度指數(shù)記作CCI，則：

(8)

其中，Ts代表富營養(yǎng)化水體環(huán)境中有機物污染值。

當CCI=0時，富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度大于等于水體正常所含COD濃度；當CCI=1時，富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度接近水體正常所含COD濃度；CCI值越接近1，富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度越高，水體污染越嚴重。

綜上所述，實現(xiàn)對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的遙感監(jiān)測模塊的研究。

1.3 COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)圖像處理子模塊

在富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測中經(jīng)常出現(xiàn)遙感監(jiān)測圖像目視效果較差、圖像對比度不明顯、圖像比較模糊的情況，為了使富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度的遙感監(jiān)測圖像更加清晰，監(jiān)測精度更高，需要對遙感監(jiān)測的圖像進行處理。本文采用Retinex法對遙感監(jiān)測的圖像進行處理。為了將遙感監(jiān)測圖像噪聲盡可能地降低，先對遙感監(jiān)測圖像去噪，從而使圖像顯示效果得到增強。

鑒于Retinex法服從廣義高斯分布模型，所以本文采用貝葉斯萎縮閾值估計法對COD濃度遙感監(jiān)測圖像的噪聲進行估計，此閾值控制在0.4-0.5區(qū)間內(nèi)可以對COD濃度遙感監(jiān)測圖像進行高效去噪，閾值Bl,k為：

(9)

(10)

(11)

(12)

其中，X和Y分別代表COD濃度遙感監(jiān)測圖像的長度與寬度，g代表COD濃度遙感監(jiān)測圖像點。

采用上述所得COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪數(shù)據(jù)，對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測圖像進行有效增強，利用圖像去噪的增益系數(shù)對COD濃度遙感監(jiān)測圖像進一步去噪。則有：

(13)

其中，θ代表調(diào)節(jié)COD濃度遙感監(jiān)測圖像噪聲的控制參數(shù)，為一常數(shù)，此參數(shù)控制在0.1-0.2區(qū)間內(nèi)對富營養(yǎng)化中COD濃度遙感監(jiān)測誤差率最小，κ代表COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪的增益系數(shù)。

經(jīng)過圖像去噪增益系數(shù)對COD濃度遙感監(jiān)測圖像進一步去噪，使得COD濃度遙感監(jiān)測圖像效果能得到很好的增強，提高了富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測圖像的顯示精度，更便于對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行更精確的遙感監(jiān)測。

2 仿真實驗結(jié)果與分析

為了證明基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法的整體有效性，需要進行一次仿真實驗。在LabVIEW的環(huán)境下搭建富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測實驗平臺。實驗數(shù)據(jù)取自于中國長江中下游流域水體，在該實驗數(shù)據(jù)中加入富營養(yǎng)化水體，觀察其COD濃度遙感監(jiān)測的有效性。表1是不同方法下富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效率(%)的對比。

表1 COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效率對比

通過對表1的分析，文獻[8]、[9]、[10]與本文所提富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法監(jiān)測效率相差較大，本文所提方法遙感監(jiān)測效率明顯高于其他文獻所提方法。這證明基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法具有很高的可行性。表2是對基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法中貝葉斯萎縮閾值對COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪效率(%)影響的描述。

表2 貝葉斯萎縮閾值對COD濃度圖像去噪效率影響

表2中基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法中，貝葉斯萎縮閾值對COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪效率影響的描述可以明顯看出當閾值范圍在0.4～0.5區(qū)間COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪效率分別為97%和98.2%，證明了貝葉斯萎縮閾值對COD濃度遙感監(jiān)測圖像去噪的整體有效性。圖3是對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測方法中COD濃度遙感監(jiān)測圖像噪聲的控制參數(shù)θ對遙感監(jiān)測誤差率(%)影響的描述。

圖3 控制參數(shù)θ對COD濃度遙感監(jiān)測誤差率影響

圖3中當控制參數(shù)θ值在0.1～0.2區(qū)間時，富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測誤差率在可控范圍內(nèi)(5%)。這主要是因為在利用基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法進行遙感監(jiān)測時，利用了圖像去噪的增益系數(shù)對COD濃度遙感監(jiān)測圖像進行了去噪，使遙感監(jiān)測圖像更加清晰，且有利于富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測誤差率的減小。圖4是文獻[8]所提方法與本文方法對遙感監(jiān)測系統(tǒng)反應時間(s)的對比描述。

圖4 不同方法下遙感監(jiān)測系統(tǒng)反應時間的對比

通過圖4給出的各項數(shù)據(jù)信息可知，本文所提基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法對COD濃度遙感監(jiān)測的效率更高，反應速度更快，反應時間更短，證明了本文所提方法的可實施性較強。

仿真實驗證明，所提方法可以精確地對富營養(yǎng)化水體COD濃度進行遙感監(jiān)測。

3 結(jié)束語

采用當前方法對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測時，無法對其進行高精度、全面、安全地遙感監(jiān)測，存在COD濃度遙感監(jiān)測結(jié)果偏差大、監(jiān)測精度低、遙感監(jiān)測圖像模糊等問題。本文提出一種基于Zigbee的富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度遙感監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，并通過仿真實驗證明，所提方法可以精確地對富營養(yǎng)化水體環(huán)境中COD濃度進行遙感監(jiān)測，具有良好的應用價值，為該領(lǐng)域地研究發(fā)展提供了強有力的依據(jù)。

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Design of COD Concentration in the Eutrophication of Water Body Environment Remote Sensing Monitoring System

Chen Lingxia

(School of Resource Environment and Historical Culture,Xianyang Normal University, Xianyang 712000,China)

COD concentration of eutrophication of water body environment remote sensing monitoring, can prevent the eutrophication of water body environment COD concentration increased, improve water quality, increase the water cycle times, reduce the pollution of organic matter in water. COD concentration in current eutrophication of water body environment design method of remote sensing monitoring system based on Modis remote sensing image data principle, according to the feature extraction of COD concentration in the eutrophication of water body environment as a result, the COD concentration in the eutrophication of water body environment remote sensing monitoring, no specific to remote sensing monitoring system design in detail, without access to eutrophication of water body environment, COD concentration and high precision of remote sensing monitoring information, remote sensing monitoring results deviation big problems. Put forward a kind of eutrophication of water body based on Zigbee COD concentration in the environment of remote sensing monitoring system design method. The method of Zigbee first COD concentration in the eutrophication of water body environment remote sensing monitoring system hardware design, the concentration of COD in the IMF to the eutrophication of water body environment for feature extraction, based on the results of feature extraction, on the basis of COD concentration index time sequence to realize the COD concentration in the eutrophication of water body environment remote sensing monitoring, finally Retinex method is used to image processing of remote sensing monitoring COD concentration, COD concentration in the finished on the eutrophication of water body environment of remote sensing monitoring. The simulation experimental results show that the proposed system design method can accurately to the eutrophication of water body environment COD concentration on the remote sensing monitoring of safely and quickly.

Eutrophication of water body environment; COD concentration; Remote sensing monitoring; The system design;

2017-04-06；

2017-04-28。

咸陽師范學院專項科研基金項目(14XSYK020)；咸陽師范學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(2015054)。

陳玲俠(1977-)，女，陜西渭南人，博士研究生，講師，主要從事GIS教學方向的研究。

1671-4598(2017)07-0059-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.015

S127

A