本發(fā)明涉及水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體涉及一種機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演方法、裝置、終端及存儲(chǔ)介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、氨氮(nh3-n)是指水中以游離氨(nh3)和銨根離子(nh4+)形式存在的氮，它是衡量水質(zhì)類別、水體黑臭的重要指標(biāo)之一。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)城市河流中氨氮是有效管理和控制水污染的重要步驟。

2、目前，城市河網(wǎng)水系水質(zhì)監(jiān)測(cè)仍以現(xiàn)場(chǎng)采樣實(shí)測(cè)為主，不僅效費(fèi)比低，而且難以全面反映大區(qū)域范圍水質(zhì)的整體狀況。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，多源遙感以其快速、大范圍同步、周期重復(fù)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在水質(zhì)水色高效監(jiān)測(cè)、水環(huán)境保護(hù)治理工作中應(yīng)用更加廣泛。

3、城市河流因其具有流動(dòng)性，形狀狹長，沿途受到支流等的污染，因此，相對(duì)于海洋水體和內(nèi)陸湖泊而言，河流水質(zhì)遙感更加復(fù)雜。目前國內(nèi)外對(duì)于城市河網(wǎng)水系水質(zhì)污染的研究，基本集中于局部河段、重點(diǎn)斷面的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤調(diào)查、污染的成因、基本水質(zhì)特征分析、以及治理方法方案等，對(duì)大范圍河網(wǎng)水系遙感反演和治理成效評(píng)估分析的相關(guān)研究較少。

4、對(duì)于內(nèi)陸水體水質(zhì)反演，水體中非光學(xué)活性水質(zhì)參數(shù)的遙感監(jiān)測(cè)的研究較少，適用于大范圍城市河網(wǎng)水系中非光學(xué)活性水質(zhì)參數(shù)的定量反演模型還有待進(jìn)一步研究。

5、關(guān)于高分辨率遙感衛(wèi)星在城市河網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，研究的核心在于如何高效的運(yùn)用高分辨率遙感衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積城市河網(wǎng)水系水質(zhì)參數(shù)高精度定量反演。迄今為止，非光學(xué)活性水質(zhì)參數(shù)特征波段不明、反演精度不足的問題仍舊存在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演方法、裝置、終端及儲(chǔ)存介質(zhì)，以解決大范圍河網(wǎng)水系遙感反演適用性和精度不足的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演方法，包括：所述方法包括：

4、獲取若干個(gè)水質(zhì)樣本實(shí)測(cè)氨氮數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配，以根據(jù)水質(zhì)樣本地理坐標(biāo)信息提取遙感影像中實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息；

5、將所獲得的實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息進(jìn)行波段組合，并使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)特征因子進(jìn)行排序和過濾，確定若干個(gè)候選波段特征；利用主成分分析方法對(duì)所述若干個(gè)候選波段特征進(jìn)行降維操作，得到降維后的波段特征；

6、利用降維后的波段特征作為自變量，水質(zhì)參數(shù)氨氮作為因變量，構(gòu)建出波段特征優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型；

7、利用所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型來對(duì)河網(wǎng)水系的氨氮濃度進(jìn)行遙感反演。

8、可選的，在利用所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型來對(duì)河網(wǎng)水系的氨氮濃度進(jìn)行遙感反演之前還包括：對(duì)所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)。

9、可選的，所述對(duì)所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)包括：

10、利用所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型，將檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值對(duì)比，求出各檢測(cè)點(diǎn)的決定系數(shù)、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差，驗(yàn)證所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型的預(yù)測(cè)效果；

11、使用所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型對(duì)目標(biāo)區(qū)域其他時(shí)間段水體中的氨氮濃度進(jìn)行反演，求出各檢測(cè)點(diǎn)的決定系數(shù)、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差，驗(yàn)證所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型的預(yù)測(cè)效果。

12、可選的，所述將所獲得的實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息進(jìn)行波段組合，并使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)特征因子進(jìn)行排序和過濾，確定若干個(gè)候選波段特征；利用主成分分析方法對(duì)所述若干個(gè)候選波段特征進(jìn)行降維操作，得到降維后的波段特征，包括：

13、構(gòu)建單波段、波段和、差、比值以及開方變換多種波段變換形式；

14、使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)特征因子進(jìn)行排序和過濾，選取出對(duì)各區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)點(diǎn)參數(shù)濃度最密切的波段或波段組合，確定m個(gè)候選特征，記作vi,i＝1,2,…,m,vi＝n×1的向量，計(jì)算公式見公式(1)：

15、

16、式中，rxy為相關(guān)系數(shù)，n為樣本數(shù)目，x為水質(zhì)反演因子，y為水質(zhì)參數(shù)氨氮；

17、利用主成分分析方法對(duì)m個(gè)候選特征進(jìn)行降維至k個(gè)，記作wi,i＝1,2,…,k,wi＝n×1的向量。

18、可選的，所述利用降維后的波段特征作為自變量，水質(zhì)參數(shù)氨氮作為因變量，構(gòu)建出波段特征優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型，包括：

19、將降維后優(yōu)化特征矩陣wn×k＝[w1?w2…wk]作為輸入，水質(zhì)樣本實(shí)測(cè)氨氮數(shù)據(jù)作為輸出，結(jié)合極端梯度提升模型，構(gòu)建波段特征優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型。

20、可選的，所述獲取若干個(gè)水質(zhì)樣本實(shí)測(cè)氨氮數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配，以根據(jù)水質(zhì)樣本地理坐標(biāo)信息提取遙感影像中實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息，包括：

21、確定所述哨兵影像對(duì)應(yīng)遙感影像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)級(jí)別是否為指定級(jí)別，若是，則確定所述指定級(jí)別的遙感影像數(shù)據(jù)已完成標(biāo)定校正操作，若否，則對(duì)非指定級(jí)別的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正

22、提取以采樣點(diǎn)為中心的3×3像素窗口內(nèi)衛(wèi)星遙感反射率的平均值作為采樣點(diǎn)的遙感反射率。

23、第二方面，本發(fā)明提供一種機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演裝置，包括：

24、水質(zhì)數(shù)據(jù)收集與處理模塊，用于獲取若干個(gè)水質(zhì)樣本實(shí)測(cè)氨氮數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配，以根據(jù)水質(zhì)樣本地理坐標(biāo)信息提取遙感影像中實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息；

25、波段特征優(yōu)化模塊，用于將所獲得的實(shí)測(cè)各點(diǎn)波段特征信息進(jìn)行波段組合，并使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)對(duì)特征因子進(jìn)行排序和過濾，確定若干個(gè)候選波段特征；利用主成分分析方法對(duì)所述若干個(gè)候選波段特征進(jìn)行降維操作，得到降維后的波段特征；

26、反演模型構(gòu)建模塊，用于利用降維后的波段特征作為自變量，水質(zhì)參數(shù)氨氮作為因變量，構(gòu)建出波段特征優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型；

27、遙感反演模塊，用于利用所述機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮遙感反演模型來對(duì)河網(wǎng)水系的氨氮濃度進(jìn)行遙感反演。

28、第三方面，本發(fā)明提供一種電子設(shè)備，包括處理器、通信接口、存儲(chǔ)器和通信總線，其中，處理器，通信接口，存儲(chǔ)器通過通信總線完成相互間的通信；

29、存儲(chǔ)器，用于存放計(jì)算機(jī)程序；

30、處理器，用于執(zhí)行存儲(chǔ)器上所存放的程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演的步驟。

31、第四方面，本發(fā)明提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)如上任一項(xiàng)所述的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演的步驟

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

33、本發(fā)明通過構(gòu)建基于波段特征優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演模型，能夠?qū)Υ蠓秶泳W(wǎng)水系的氨氮濃度進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的遙感反演，克服了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法中耗時(shí)的采樣和實(shí)驗(yàn)室分析過程，顯著提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率和實(shí)時(shí)性。該機(jī)器學(xué)習(xí)氨氮反演模型優(yōu)化了模型輸入的波段特征，提升了模型的適用性和精度，能夠?yàn)樗|(zhì)監(jiān)測(cè)提供更全面和及時(shí)的數(shù)據(jù)支持，為相關(guān)部門制定水環(huán)境治理和保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)，從而有助于提升水環(huán)境管理的有效性，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善。