吳 文 靜

(安徽省公安教育研究院，安徽 合肥 230031)

隨著環(huán)境污染加劇，飲用水的安全性受到人們的關(guān)注。通過有效檢測飲用水中的半揮發(fā)性有機污染物，結(jié)合譜分析和計算機視覺特征分析的方法，建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析模型。結(jié)合圖像特征分析和融合濾波檢測方法，進(jìn)行圖像超分辨和特征聚類分析，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染的監(jiān)測，提高飲用水的安全性。相關(guān)的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。對飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的檢測是建立在對譜圖像分析基礎(chǔ)上，結(jié)合光譜圖像分析和特征聚類方法，可以進(jìn)行圖像的高分辨識別和物譜監(jiān)測[2]。

傳統(tǒng)方法中，對飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測方法主要有融合聚類分析方法、統(tǒng)計分析方法和量化特征分析方法[3,4]。建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜圖像采集和融合跟蹤模型，提取飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜圖像的邊緣輪廓特征集和紋理信息，結(jié)合圖像視覺特征聚類分析，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測識別。文獻(xiàn)[5]中提出基于低分辨學(xué)習(xí)和插值映射的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測方法，通過最優(yōu)近似解特征分析，進(jìn)行回歸檢驗和統(tǒng)計分析，提高飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜識別能力，但該方法進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜識別的自適應(yīng)性不好，計算時間開銷較大。文獻(xiàn)[6]中提出基于平衡重構(gòu)誤差分析飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測方法，通過鄰域加權(quán)學(xué)習(xí)，進(jìn)行高分辨圖像融合，通過濾波檢測，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測識別，但該方法進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測識別的輸出穩(wěn)定性不好。

針對上述問題，本文提出基于光譜特征分析的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析方法。首先構(gòu)建飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的光譜成像模型，進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析和特征檢測；然后構(gòu)建定量遞歸分析模型，通過統(tǒng)計分析和圖像信息融合聚類分析的方法，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的可靠性檢測和污染物分類識別；最后進(jìn)行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析和檢測能力方面的優(yōu)越性能。

1 飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜成像和特征檢測

1.1 半揮發(fā)性有機污染物譜成像

為了實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析，構(gòu)建飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的光譜成像模型。運用譜特征提取方法，建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的相似性多色譜成像模型。通過模糊濾波分析處理[7]，以像素點為中心點，進(jìn)行迭代增強學(xué)習(xí)。構(gòu)建相關(guān)近鄰的特征權(quán)重模型，得到飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的特征解析模型，從而得到邊緣像素集：

(1)

上式中，v(x)=∑yk(x,y)為飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的相似度分布特征集，k(x,y)為圖像在4×4子網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)最近鄰和相對應(yīng)的高分辨樣本集，(x,y)為像素點坐標(biāo)。采用更新相關(guān)近鄰的特征匹配方法[8]，在N×N窗口wi內(nèi)得到飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的邊緣像素集，表述為

I(x,y)=G(x,y,wi)-lnp(x,y)

(2)

其中，G(x,y,wi)表示飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的相似性色譜集，i表示第幾個像素點，在相關(guān)近鄰的特征權(quán)重分布區(qū)域[9]，得到每個尺度上的質(zhì)譜信息，對T次迭代增強處理后，得到半揮發(fā)性有機污染物譜低分辨特征向量，分析半揮發(fā)性有機污染物譜像素點的差異性，結(jié)合高分辨成像方法，得到訓(xùn)練集中樣本總個數(shù)。設(shè)定飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的平滑算子，采用正則化圖像融合方法，進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜特征分析和融合處理。

1.2 飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜特征分析

通過譜特征提取方法進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物成分檢測。通過主成分分析方法建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的成分融合檢測模型，采用分塊區(qū)域譜的方法，對檢測圖像進(jìn)行區(qū)域合并，完成圖像的粗分割。然后生成具有相似統(tǒng)計特征的多個塊，通過譜聚類對過分割區(qū)域進(jìn)行聚類，得到以Ic為中心的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分布權(quán)值。飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜圖像分布的包絡(luò)線f(gi)為

(3)

其中，ρ表示像素中心點縱坐標(biāo)，σ表示飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的平滑算子，采用低分辨字典原子匹配分析的方法[10]，計算飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的局部信息特征分辨率：

(4)

其中，(m,n)表示局部信息點坐標(biāo)，Vm、Vn表示坐標(biāo)所對應(yīng)的特征分辨率，按照損耗檢測的方法，進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的圖模型重組，得到最相關(guān)近鄰構(gòu)成關(guān)聯(lián)域匹配函數(shù)[11]，使用雙立方插值算法，得到飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的融合模型：

(5)

其中，t表示飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的自相關(guān)統(tǒng)計特征量，A表示飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的融合系數(shù)，結(jié)合交替最優(yōu)化重建的方法，在像素分塊特征匹配的4×4子區(qū)域內(nèi)，結(jié)合像素自適應(yīng)增強技術(shù)，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的超分辨重建，輸出為

(6)

其中，v(y)表示飲用水中半揮發(fā)有機污染物譜的分布特征集。

根據(jù)上述分析，結(jié)合對飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的超分辨重建結(jié)果，進(jìn)行組合篩選和物譜特征融合處理[12]。

2 飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測和統(tǒng)計分析

進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析和特征檢測，構(gòu)建定量遞歸分析模型,通過物譜分析的方法，建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析方法[13]，得到飲用水中半揮發(fā)性有機污染物物譜反應(yīng)的化學(xué)式：

2SO2+O2+H2O→2H2SO4

完全熱解部分，選用苯乙炔(PA)加氫反應(yīng)的方法，進(jìn)行物譜解析，得到如下化學(xué)反應(yīng)：

圖1 飲用水中半揮發(fā)性有機污染中二氧化硫的轉(zhuǎn)化率

在不同溫度條件下，分析飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的轉(zhuǎn)化率[14]，得到二氧化硫的轉(zhuǎn)化率，如圖1所示。

分析圖1得知，在30～90 ℃區(qū)間，飲用水半揮發(fā)性有機污染中二氧化硫的轉(zhuǎn)化效能明顯。在活性基本保持不變的條件下，分析飲用水中半揮發(fā)性有機污染的反應(yīng)溫度和接觸時間[15]，得到有機污染物的吸收反應(yīng)過程如下：

(1)飲用水中半揮發(fā)性有機物中ClO2與NOx化學(xué)反應(yīng)過程

飲用水中半揮發(fā)性有機物的氧化反應(yīng)過程：

飲用水中半揮發(fā)性有機物吸收反應(yīng)過程：

(2)飲用水中半揮發(fā)性有機物中CLO2與SO2化學(xué)反應(yīng)過程

3 實驗測試

為了驗證本文方法在實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測的應(yīng)用性能，進(jìn)行實驗測試分析。設(shè)定飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜采樣的分辨率為120*240，超分辨譜識別的放大倍數(shù)為3，局部視覺放大倍數(shù)為2.5，干擾信噪比為-12 dB，深度學(xué)習(xí)的迭代次數(shù)為2 000，根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜成像，如圖2所示。

圖2 飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜

以圖2的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜圖像為研究對象，進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析和污染成分檢測，得到譜分析結(jié)果，如圖3所示。

分析圖3得知，本文方法能有效實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜檢測，提高了污染物的分類檢測能力。分析飲用水中半揮發(fā)性有機污染物分類檢測結(jié)果，得到對比結(jié)果見表1，分析表1得知，本文方法進(jìn)行污染物檢測的準(zhǔn)確性較好，分類識別能力較強。

圖3 飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析結(jié)果

表1 檢測結(jié)果分析

4 結(jié) 論

本文提出基于光譜特征分析的飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜分析方法，通過主成分分析方法和圖像信息融合聚類分析的方法，建立飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的成分融合檢測模型。按照損耗檢測的方法，進(jìn)行飲用水中半揮發(fā)性有機污染物的圖模型重組，構(gòu)建定量遞歸分析模型。通過圖像超分辨和特征聚類分析，完成飲用水中半揮發(fā)性有機污染物譜的可靠性檢測和污染物分類識別，實現(xiàn)飲用水中半揮發(fā)性有機污染的監(jiān)測，提高飲用水的安全性。在未來的研究中，應(yīng)著力于將該方法的適用范圍擴(kuò)大，使其應(yīng)用于多種環(huán)境樣品中痕量有機物分析。