本發(fā)明涉及水質(zhì)生態(tài)安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算方法。

背景技術(shù)：

桉樹是世界著名的三大速生樹種之一，為亞熱常綠植物，原產(chǎn)澳大利亞。由于桉樹在造紙、人造板、建筑等行業(yè)用途廣泛，目前廣東桉樹種植面積接近300萬hm²。速生桉樹林總氮施肥流失量比其他闊葉林大得多，導(dǎo)致桉樹林區(qū)的湖庫飲用水水源保護(hù)區(qū)水質(zhì)污染嚴(yán)重。

以往的研究較多關(guān)注桉樹人工林大氣污染凈化、水肥利用與養(yǎng)分循環(huán)、水量平衡、生物多樣性等，對人工桉樹林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)負(fù)面作用關(guān)注不夠。目前對于大力發(fā)展桉樹人工林，學(xué)術(shù)界存在著爭議，其爭論的焦點(diǎn)是桉樹的生態(tài)環(huán)境問題。例如，廣東粵西鶴地水庫地跨粵桂兩省(經(jīng)緯度：21°42.561’-21°53.349’N，110°16.859’-110°23.406’E)，距湛江市75公里，水庫面積122平方公里，為廣東三大水庫之一，是湛江市重要水源。由于桉樹林的大量開發(fā)，近幾年水庫水質(zhì)出現(xiàn)了明顯下降趨勢(其中桉樹種植為六大污染源之一)，桉樹人工林水質(zhì)生態(tài)問題已成為湛江可持續(xù)發(fā)展中社會各界共同關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算方法，以提高水庫水體總氮含量監(jiān)測的效率和精度。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算方法，包括步驟：

利用地物光譜儀在待測水庫進(jìn)行現(xiàn)場水體光譜測量和水體采樣，記錄水體在各波長處的反射率并收集若干組水樣；

對收集的水樣進(jìn)行總氮含量的測量；

根據(jù)下述導(dǎo)數(shù)求算公式計(jì)算光譜反射率各波長的導(dǎo)數(shù)；

R_i'＝(2R_i+2+R_i+1-R_i-1-2R_i-2)/10

式中，R表示地物光譜儀測量的光譜反射率，i是波長，單位是nm；

從收集的水樣樣本中隨機(jī)選擇N個樣本，利用光譜反射率導(dǎo)數(shù)和水庫水體總氮含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到光譜反射率各波長導(dǎo)數(shù)與總氮含量的相關(guān)系數(shù)P_i：

其中，P_i為相關(guān)系數(shù)，i為波長，R_i'為光譜反射率各波長導(dǎo)數(shù)，y為水庫水體總氮含量數(shù)據(jù)，N為樣本個數(shù)；

選取相關(guān)系數(shù)P_i絕對值最大時對應(yīng)的光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)以及總氮含量，進(jìn)行形如y＝kx+b的線性擬合，得到水庫水體總氮含量估算模型，其中因變量y為總氮含量，自變量x為光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)；

根據(jù)所述水庫水體總氮含量估算模型對待測水庫水體的總氮含量進(jìn)行估算。

本發(fā)明基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算方法，根據(jù)光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)和水體樣本實(shí)測總氮含量建立了估算模型，進(jìn)而根據(jù)估算模型進(jìn)行總氮含量的估算，快速得到估算結(jié)果，有利于加深庫區(qū)桉樹的環(huán)境問題認(rèn)識。其中光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)的計(jì)算采用的是優(yōu)化的方法，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)數(shù)計(jì)算方法，具有更高的精度，為保護(hù)水質(zhì)生態(tài)安全、可持續(xù)發(fā)展提供了科技支撐和決策依據(jù)。

附圖說明

圖1為鶴地水庫的地理位置示意圖；

圖2為鶴地水庫放大后的地理位置示意圖；

圖3為鶴地水庫空間位置及水樣采集點(diǎn)的示意圖；

圖4為本發(fā)明基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算方法的流程示意圖；

圖5為基于傳統(tǒng)導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算模型的建立示意圖；

圖6為基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算模型的建立示意圖；

圖7為基于傳統(tǒng)導(dǎo)數(shù)求算方法對水庫水體總氮含量估算模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證的示意圖；

圖8為基于優(yōu)化導(dǎo)數(shù)求算方法對水庫水體總氮含量估算模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1-2所示，鶴地水庫地處雷州半島北部，城西北14公里的河唇鎮(zhèn)，庫區(qū)跨越廣西壯族自治區(qū)的陸川、博白二縣，處于九洲江中游，集水面積1440平方公里，總庫容11.51億立方米，是以灌溉為主，結(jié)合防洪、發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用的大型水庫。設(shè)計(jì)灌溉面積200萬畝，有效灌溉面積127萬畝。鶴地水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容11.875億立方米，其中調(diào)洪庫容3.115億立方米，興利庫容5.36億立方米，死庫容3.4億立方米。鶴地水庫灌區(qū)渠系從北至南貫串大半個雷州半島。總干渠名為“雷州半島青年運(yùn)河主河”全長76公里，設(shè)計(jì)最大過水能力120立方米每秒。大干渠有東海河、西海河、東運(yùn)河、西運(yùn)河、四聯(lián)干渠5條，共長195公里；干渠155條，長1164公里；支渠1467條，長4041公里。

將鶴地水庫作為待測水庫，如圖4所示，本實(shí)施例的具體過程如下。

步驟101、利用地物光譜儀，優(yōu)選地采用ASD地物光譜儀，依據(jù)水面之上測量法，在橫跨廣東、廣西兩省的鶴地水庫庫區(qū)進(jìn)行水體光譜測量和水體采樣，共獲得樣本36個，水體實(shí)驗(yàn)點(diǎn)見圖3。

步驟102、采集的水樣裝入水樣瓶中，避免陽光照射并于24小時之內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行總氮含量測定，測量方法為分光光度法。

步驟103、一般的導(dǎo)數(shù)求算方法如公式1所示。這種方法在消除數(shù)據(jù)噪聲的過程中，也會增大數(shù)據(jù)固有誤差對精度的影響。因此，提出一種基于優(yōu)化的導(dǎo)數(shù)求算方法來估算水庫水體總氮含量。該導(dǎo)數(shù)計(jì)算方法如公式2所示。

R_i'＝R_i+1-R_i 公式1

R_i'＝(2R_i+2+R_i+1-R_i-1-2R_i-2)/10 公式2

式中，R是ASD地物光譜儀測量的光譜反射率，i是波長，單位是nm；

步驟104、根據(jù)總樣本數(shù)(36個樣本)，隨機(jī)選擇26個樣本進(jìn)行水庫水體總氮含量估算方法的建立，余下的10個樣本用于精度驗(yàn)證。利用公式1、2計(jì)算得到的光譜反射率導(dǎo)數(shù)以及測量的水庫水體總氮含量，分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析得到光譜反射率各波長導(dǎo)數(shù)與總氮含量的相關(guān)系數(shù)P_i，Pearson相關(guān)計(jì)算方法如公式3所示。

其中，P_i為相關(guān)系數(shù)，i波長，R_i'為光譜反射率各波長導(dǎo)數(shù)，y為水庫水體總氮含量數(shù)據(jù)，N為樣本個數(shù)。

步驟105、分別選取相關(guān)系數(shù)P_i絕對值最大的對應(yīng)的光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)以及總氮含量數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件的回歸分析功能進(jìn)行形如y＝kx+b的線性擬合(其中因變量y為總氮含量數(shù)據(jù)，自變量x為光譜反射率波長導(dǎo)數(shù))，最終求得對應(yīng)公式1、2的參數(shù)k1＝-1361.5.9、b1＝1.0634、決定系數(shù)為0.497，見附圖5；k2＝19033.2321、b2＝0.9943、決定系數(shù)為0.723，見附圖6。建立了一般的水庫水體總氮含量估算模型為y＝19033.2321x+0.9943和優(yōu)化水庫水體總氮含量估算模型為y＝19033.2321x+0.9943。

步驟s106、將光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)代入優(yōu)化的水庫水體總氮含量估算模型即可快速準(zhǔn)確地估算出水體的總氮含量。

為了驗(yàn)證上述估算模型的精度，將余下10個樣本的光譜反射率波長導(dǎo)數(shù)數(shù)據(jù)作為自變量分別代入兩種水庫水體總氮含量估算模型中可分別求得10個總氮含量數(shù)據(jù)模擬值各一組，基于每一組的10個總氮含量模擬值和其測量真實(shí)值，用均方根誤差RMSE和平均相對誤差MRE來表征模型的精度，RMSE和MRE的計(jì)算方法分別如公式4、5所示；

式中，RMSE為均方根誤差，MRE為平均相對誤差，y為總氮含量測量值，y’為總氮含量模擬值，n為樣本個數(shù)。

表1基于兩種導(dǎo)數(shù)求算方法的水庫水體總氮含量估算精度對比

如圖7、8所示，通過比較基于兩種導(dǎo)數(shù)求算方法估算水庫水體總氮含量建模精度和模擬精度，如表1所示，可知優(yōu)化的水庫水體總氮估算方法精度更高，是更科學(xué)、高效的水庫水體總氮含量研究方法。

上列詳細(xì)說明是針對本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。