公布日：2023.12.15
申请日：2023.09.18
分类号：G06V10/80(2022.01)I;G06V10/774(2022.01)I;G06V10/764(2022.01)I;G06F30/20(2020.01)I;G06F17/18(2006.01)I
摘要
本发明涉及污水处理技术领域，揭露了一种基于多模态的污水净化分析方法及系统，包括：提取目标污水区域的图像特征，提取水质数据的水质统计特征，提取时序数据的时序特征；将图像特征、水质统计特征及时序特征进行特征融合，构建向量回归模型，利用向量回归模型根据多模态融合特征计算目标污水区域的水质值；根据水质值生成目标污水区域的污水净化策略，按照污水净化策略对目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域；提取目标污水净化区域的净化特征，根据净化特征生成目标污水净化区域的可视化特征图，根据可视化特征图确定目标污水区域的污水净化状态。本发明可以提高污水净化分析时的精确度。
权利要求书
1.一种基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述方法包括：S1、获取目标污水区域的图像数据、水质数据及时序数据，提取所述图像数据的图像特征，提取所述水质数据的水质统计特征，以及提取所述时序数据的时序特征；S2、通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征；S3、利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值，其中，所述利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，包括：S31、对所述污水区域数据集进行数据增强处理，得到污水区域增强数据；S32、提取所述污水区域增强数据的多维数据特征；S33、根据所述多维数据特征及预设的支持向量系数生成向量回归模型，其中所述向量回归模型为：
其中，Y为目标水质参数，b为偏置项，γ为水质优化因子，αi为第i个特征的支持向量系数，exp为指数函数，g为核函数参数，T为所述多维数据特征的特征均值，Ti为所述多维数据特征向量中第i个特征的向量值，n为特征的数量；S4、根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域；S5、提取所述目标污水净化区域的净化特征，根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，根据所述可视化特征图确定所述目标污水区域的污水净化状态。
2.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述提取所述图像数据的图像特征，包括：根据所述图像数据的像素生成颜色直方图，根据所述颜色直方图确定所述目标污水区域的颜色特征；通过预设的局部二值模式根据所述图像数据提取所述目标污水区域的纹理特征；提取所述图像数据中的边界轮廓，根据所述边界轮廓确定所述目标污水区域的形状特征；将所述颜色特征、所述纹理特征及所述形状特征融合为图像特征。
3.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述提取所述水质数据的水质统计特征，包括：根据预设的水质类别指标对所述水质数据进行划分，得到水质类别数据；统计所述水质类别数据中的水质最大值及水质最小值，根据所述水质最大值及所述水质最小值确定所述水质数据的基本统计特征；根据所述水质数据的变异系数确定所述目标污水区域的波动性特征；将所述基本统计特征及所述波动性特征融合为水质统计特征。
4.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征，包括：将所述图像特征进行特征尺度标准化，得到标准化图像特征，将所述水质统计特征进行特征尺度标准化，得到标准化水质统计特征，将所述时序特征进行特征尺度标准化，得到标准化时序特征；通过预设的主成分权重算法计算所述标准化图像特征的图像权重，计算所述标准化水质统计特征的水质统计权重，计算所述标准化时序特征的时序权重；将所述图像权重、所述水质统计权重及所述时序权重生成权重向量；将所述标准化图像特征、所述标准化水质统计特征及所述标准化时序特征生成标准化特征向量；利用如下所述主成分多维特征融合算法将所述权重向量及所述标准化特征向量进行特征融合，得到多模态融合特征：P＝W·X其中，P为所述多模态融合特征，X为所述标准化特征向量，W为所述权重向量。
5.如权利要求4所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述通过预设的主成分权重算法计算所述标准化图像特征的图像权重，包括：对所述标准化图像特征进行主成分降维，得到降维图像特征；计算所述降维图像特征的主成分方差；通过如下所述主成分权重算法根据所述主成分方差计算所述标准图像特征的图像权重：
其中，W1为所述图像权重，Z1为所述主成分方差，Zi为第i个特征的主成分方差，n为特征的向量。
6.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值，包括：将所述多模态融合特征输入至所述向量回归模型中，得到所述目标污水区域的初始水质值；按照预设的水质参数优化函数计算所述初始水质值对应的优化值；按照所述优化值对所述多模态融合特征进行优化，得到多模态融合优化特征，并返回至所述将所述多模态融合特征输入至所述向量回归模型中的步骤，直至所述优化值大于预设的优化阈值时，输出所述目标污水区域的水质值。
7.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，包括：按照所述水质值确定所述目标污水区域的水质区域等级；根据所述水质区域等级生成所述目标污水区域的污水净化因子及污水净化操作；根据所述污水净化因子及所述污水净化操作生成所述目标污水区域的污水净化策略。
8.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域，包括：将所述污水净化策略中的污水净化因子及污水净化操作施加至所述目标污水区域中，得到初步污水净化区域；利用预设的向量回归模型计算所述初步污水净化区域的初步水质值；根据所述初步水质值对所述污水净化策略进行优化，得到污水净化优化策略；将所述污水净化优化策略中的污水净化因子及污水净化操作施加至所述目标污水区域中，得到目标污水净化区域。
9.如权利要求1所述的基于多模态的污水净化分析方法，其特征在于，所述根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，包括：对所述净化特征进行分类，得到净化特征类别；按照预设的均等分值确定所述净化特征类别的可视化占比；根据所述可视化占比生成所述目标污水净化区域的占比饼图；根据所述占比饼图生成所述目标污水净化区域的可视化特征图。
10.一种基于多模态的污水净化分析系统，其特征在于，用于执行如权利要求1-9中任一项所述的基于多模态的污水净化分析方法，所述系统包括：污水区域特征提取模块，用于获取目标污水区域的图像数据、水质数据及时序数据，提取所述图像数据的图像特征，提取所述水质数据的水质统计特征，以及提取所述时序数据的时序特征；特征融合模块，用于通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征；水质值计算模块，用于利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值，其中，所述利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，包括：对所述污水区域数据集进行数据增强处理，得到污水区域增强数据；提取所述污水区域增强数据的多维数据特征；根据所述多维数据特征及预设的支持向量系数生成向量回归模型，其中所述向量回归模型为：
其中，Y为目标水质参数，b为偏置项，γ为水质优化因子，αi为第i个特征的支持向量系数，exp为指数函数，g为核函数参数，T为所述多维数据特征的特征均值，Ti为所述多维数据特征向量中第i个特征的向量值，n为特征的数量；污水净化策略生成模块，用于根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域；污水净化状态确定模块，用于提取所述目标污水净化区域的净化特征，根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，根据所述可视化特征图确定所述目标污水区域的污水净化状态。
发明内容
本发明提供一种基于多模态的污水净化分析方法及系统，其主要目的在于解决进行污水净化分析时的精确度较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于多模态的污水净化分析方法，包括：
S1、获取目标污水区域的图像数据、水质数据及时序数据，提取所述图像数据的图像特征，提取所述水质数据的水质统计特征，以及提取所述时序数据的时序特征；
S2、通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征；
S3、利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值，其中，所述利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，包括：
S31、对所述污水区域数据集进行数据增强处理，得到污水区域增强数据；
S32、提取所述污水区域增强数据的多维数据特征；
S33、根据所述多维数据特征及预设的支持向量系数生成向量回归模型，其中所述向量回归模型为：
其中，Y为目标水质参数，b为偏置项，γ为水质优化因子，αi为第i个特征的支持向量系数，exp为指数函数，g为核函数参数，T为所述多维数据特征的特征均值，Ti为所述多维数据特征向量中第i个特征的向量值，n为特征的数量；
S4、根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域；
S5、提取所述目标污水净化区域的净化特征，根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，根据所述可视化特征图确定所述目标污水区域的污水净化状态。
可选地，所述提取所述图像数据的图像特征，包括：
根据所述图像数据的像素生成颜色直方图，根据所述颜色直方图确定所述目标污水区域的颜色特征；
通过预设的局部二值模式根据所述图像数据提取所述目标污水区域的纹理特征；
提取所述图像数据中的边界轮廓，根据所述边界轮廓确定所述目标污水区域的形状特征；
将所述颜色特征、所述纹理特征及所述形状特征融合为图像特征。
可选地，所述提取所述水质数据的水质统计特征，包括：
根据预设的水质类别指标对所述水质数据进行划分，得到水质类别数据；
统计所述水质类别数据中的水质最大值及水质最小值，根据所述水质最大值及所述水质最小值确定所述水质数据的基本统计特征；
根据所述水质数据的变异系数确定所述目标污水区域的波动性特征；
将所述基本统计特征及所述波动性特征融合为水质统计特征。
可选地，所述通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征，包括：
将所述图像特征进行特征尺度标准化，得到标准化图像特征，将所述水质统计特征进行特征尺度标准化，得到标准化水质统计特征，将所述时序特征进行特征尺度标准化，得到标准化时序特征；
通过预设的主成分权重算法计算所述标准化图像特征的图像权重，计算所述标准化水质统计特征的水质统计权重，计算所述标准化时序特征的时序权重；
将所述图像权重、所述水质统计权重及所述时序权重生成权重向量；
将所述标准化图像特征、所述标准化水质统计特征及所述标准化时序特征生成标准化特征向量；
利用如下所述主成分多维特征融合算法将所述权重向量及所述标准化特征向量进行特征融合，得到多模态融合特征：
P＝W·X
其中，P为所述多模态融合特征，X为所述标准化特征向量，W为所述权重向量。
可选地，所述通过预设的主成分权重算法计算所述标准化图像特征的图像权重，包括：
对所述标准化图像特征进行主成分降维，得到降维图像特征；
计算所述降维图像特征的主成分方差；
通过如下所述主成分权重算法根据所述主成分方差计算所述标准图像特征的图像权重：
其中，W1为所述图像权重，Z1为所述主成分方差，Zi为第i个特征的主成分方差，n为特征的向量。
可选地，所述利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值，包括：
将所述多模态融合特征输入至所述向量回归模型中，得到所述目标污水区域的初始水质值；
按照预设的水质参数优化函数计算所述初始水质值对应的优化值；
按照所述优化值对所述多模态融合特征进行优化，得到多模态融合优化特征，并返回至所述将所述多模态融合特征输入至所述向量回归模型中的步骤，直至所述优化值大于预设的优化阈值时，输出所述目标污水区域的水质值。
可选地，所述根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，包括：
按照所述水质值确定所述目标污水区域的水质区域等级；
根据所述水质区域等级生成所述目标污水区域的污水净化因子及污水净化操作；
根据所述污水净化因子及所述污水净化操作生成所述目标污水区域的污水净化策略。
可选地，所述按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域，包括：
将所述污水净化策略中的污水净化因子及污水净化操作施加至所述目标污水区域中，得到初步污水净化区域；
利用预设的向量回归模型计算所述初步污水净化区域的初步水质值；
根据所述初步水质值对所述污水净化策略进行优化，得到污水净化优化策略；
将所述污水净化优化策略中的污水净化因子及污水净化操作施加至所述目标污水区域中，得到目标污水净化区域。
可选地，所述根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，包括：
对所述净化特征进行分类，得到净化特征类别；
按照预设的均等分值确定所述净化特征类别的可视化占比；
根据所述可视化占比生成所述目标污水净化区域的占比饼图；
根据所述占比饼图生成所述目标污水净化区域的可视化特征图。
为了解决上述问题，本发明还提供一种基于多模态的污水净化分析系统，所述系统包括：
污水区域特征提取模块，用于获取目标污水区域的图像数据、水质数据及时序数据，提取所述图像数据的图像特征，提取所述水质数据的水质统计特征，以及提取所述时序数据的时序特征；
特征融合模块，用于通过预设的主成分多维特征融合算法将所述图像特征、所述水质统计特征及所述时序特征进行特征融合，得到多模态融合特征；
水质值计算模块，用于利用预设的污水区域数据集构建向量回归模型，利用所述向量回归模型根据所述多模态融合特征计算所述目标污水区域的水质值；
污水净化策略生成模块，用于根据所述水质值生成所述目标污水区域的污水净化策略，按照所述污水净化策略对所述目标污水区域进行净化，得到目标污水净化区域；
污水净化状态确定模块，用于提取所述目标污水净化区域的净化特征，根据所述净化特征生成所述目标污水净化区域的可视化特征图，根据所述可视化特征图确定所述目标污水区域的污水净化状态。
本发明实施例通过提取目标污水区域的图像特征、水质统计特征及时序特征，有利于得到更加全面的污水区域数据，进而将图像特征、水质统计特征及时序特征进行特征融合，融合特征可以帮助更好地理解和描述目标污水区域的特征，可以更准确地对污水区域进行净化；通过预设的污水区域数据集构建向量回归模型，进而根据向量回归模型根据目标污水区域的多模态融合特征可以确定目标污水区域的水质值，进而根据水质值对目标污水区域进行高效率净化；根据水质值生成污水净化策略，可以有效改善污水区域，有针对性地进行污水净化；根据目标污水净化区域的净化特征，根据净化特征生成可视化特征图，根据可视化特征图确定污水区域的污水净化状态，有利于非常直观地观察目标污水区域的污水净化状态。因此本发明提出的基于多模态的污水净化分析方法及系统，可以解决进行污水净化分析时的精确度较低的问题。
（发明人：谭志吾;邓先明）
