基于圖像處理的水質中氨氮含量的檢測研究

曹生現 王延紅 鄭麗婷 劉 馳 夏 珺

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林132012)

氨氮含量是判斷水體污染程度的重要標志之一[1]，水質氨氮的測定對于廢水處理效果控制和地表水水質的功能評價具有重要意義[2～14]。水質中氨氮的含量在電力、石化及環保等多個領域的水和廢水監測中占有重要地位，是各級監測站的必測項目。當前測定氨氮的方法主要有納氏試劑分光光度法[15]、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、蒸餾滴定法及電極法等，其中納氏試劑法為國家標準規定的方法。傳統檢測方法的分析成本較高，操作繁瑣復雜，易受其他離子干擾而且所需儀器造價昂貴。隨著科學技術的發展和更新，除了上述方法外，國內外一些學者開發了其他的用于測定氨氮的方法，柳暢先等用酶法測定了水中的氨氮，但酶法實驗材料為生物制劑，不便于存儲使用[16]；劉倩通過實驗研究與分析，建立了用連續流動注射儀進行連續進樣，分析測定了水中氨氮的含量[17]；卞賀明等探索了使用安培型氨氣微傳感器檢測氨氮的方法[18]；劉文耀等介紹了一種新型的用于實時測量海水中的氨氮含量的傳感器，能夠實時測量海水中氨氮的含量[19]；文獻[20]介紹了用氣相分子吸收光譜-流動注射分析法對水中的氨氮進行檢測分析。但這些方法工序復雜，對操作人員的專業技能要求較高，而且測量裝置的價格昂貴，不利于推廣使用。

隨著計算機視覺技術和圖像處理技術的日漸成熟與完善，二者越來越多地被應用于化工檢測領域，以圖像處理技術為基礎的化學分析儀器也越來越受到科研人員的重視[21]。針對氨氮濃度的測定，筆者提出了一種價格低廉、操作方便并能快速檢測水質氨氮的方法，該方法以納氏試劑分光光度法和圖像比色分析法為基礎，通過LabVIEW和USB攝像頭采集氨氮溶液的圖像，分析圖像數據后確定測量氨氮的最優條件，再利用氨氮溶液濃度與選定的圖像顏色特征值成正比的線性關系確定氨氮濃度。

1 實驗設計①

1.1 原理

基于圖像技術的比色分析法是采集被測物質的顏色圖像，并根據待測物質濃度與顏色值成線性關系的原理，對采集的圖像顏色值進行計算分析，從而測定待測物質濃度的方法。

在圖像處理應用中，顏色模型的作用是在特定的標準下用可以接受的方式簡化彩色規范，其中最常用的顏色模型是RGB，R、G、B分別代表圖像的紅色特征值、綠色特征值和藍色特征值。但是現代視覺理論認為，RGB值表示的顏色是沒有直觀感的，而HSI模型(H表示色調值、S為飽和度值、I為亮度值)從人的心理感知來說比RGB更容易接受。氨氮測量過程中，攝像頭每采集一幅圖像，固定選取圖像中能夠穩定反映溶液顏色的某個區域，求取這部分區域所有像素點的R、G、B的均值，代表測定池溶液此時的RGB值。本實驗裝置通過LabVIEW采集的是分別以(190，145)、(210，165)為左上角和右下角坐標的正方形區域，如圖1所示。利用計算機和高精度彩色攝像頭實時采集溶液圖像的RGB值，并計算圖像的RGB均值，再將RGB顏色值轉換為HSI顏色空間，根據氨氮濃度不同的顏色特征值變化方式，在RGB、HSI中選取合理的參數，作為測量的顏色特征值，最后根據不同濃度的圖像特征值曲線測量水中氨氮的濃度。

圖1 人機界面

1.2 實驗方法

氨氮濃度的測量以納氏試劑分光光度法為基礎，具體分析步驟如下：

a. 配制氨氮標準工作溶液。吸取5.00mL氨氮標準儲備溶液(ρ=1mg/mL)于500mL的容量瓶中，加水至標線，搖勻備用。

b. 分別取一組氨氮標準工作溶液注入一系列50mL的容量瓶中，加入1mL酒石酸鉀鈉溶液(ρ=500g/L)，搖勻，再加入1.50mL納氏試劑(二氯化汞-碘化鉀-氫氧化鉀溶液)，搖勻后放置10min。

c. 分別用4種規格的比色皿(30、20、10、5mm)作為測量池，通過自制的圖像測量裝置采集溶液顏色值信息，完成氨氮濃度的檢測。

1.3 實驗裝置

如圖2所示，筆者設計的實驗裝置由計算機、暗室、普通光源、標準光源、攝像頭和比色皿組成。暗室為不透明金屬盒，可以有效防止外界光線對實驗結果的干擾；普通光源為普通白熾燈；標準光源為無影穩壓LFL-1012SW2-P型平面光源，此光源發出的光線比較穩定，采用高密度LED陣列面來提供高強度背光照明，導光擴散板表面弧形設計的特殊結構具有半折射透鏡的效果，能夠控制光線的透過和擴散，可以對物體以均勻無影擴散光進行照射，保證了溶液顏色的準確性；攝像頭為SPC900NC型，其穩定性強、響應速度快、圖像畸變小，而且價格低廉。

圖2 氨氮測量裝置示意圖

2 實驗數據分析與條件確定

2.1 測量條件優化

根據圖像法測量氨氮濃度的原理來精確地檢測水中氨氮的濃度，需選定最適合的背景光源、最佳顏色特征值、最佳光程長和最佳線性區間。為了保證測量結果的準確性，減少干擾因素的影響，筆者對圖像法測氨氮的測量條件進行了優化，包括背景光源、顏色特征值、光程長和線性區間，從而提高了系統檢測的靈敏度。

2.1.1光源的優選

在氨氮溶液圖像采集和顏色特征值測定的過程中，背景光源的穩定性會直接影響圖像測量的數據精度，光源的波動也會導致溶液圖像顏色的變化，同時也會導致顏色特征值變化較大。本實驗裝置選取大恒圖像LFL-1012SW2-P白色背景光源和自制的白色LED光源進行穩定性對比實驗，以選擇合適的光源。

實驗中氨氮標準溶液濃度在0.0～8.0mg/L，濃度間隔0.4mg/L，取光程長為30mm的比色皿，按照上述方法配置氨氮標準溶液，在標準光源與普通光源下分別采集溶液圖像的顏色值，實驗測量結果如圖3所示。可以看出，自制白色LED光源光強分布不均勻且光源有波動，因此獲取的圖像顏色值數據比較分散，且偏離實際顏色值較大，影響標準曲線方程的建立；而大恒圖像LFL-1012SW2-P白色背景光源測得的數據比較穩定，規律性較強。因此，綜合考慮，本實驗裝置采用大恒圖像LFL-1012SW2-P白色背景光源，并確定為標準光源。

圖3 光源對比實驗結果

2.1.2顏色特征值的優選

標準曲線的建立與顏色特征值的選取密切相關，顏色特征值的選取也直接影響著氨氮濃度測量的靈敏度和確定性。為了減小測量誤差，建立準確度較高的標準曲線，在上述光源選定的條件下進行實驗。按照上述方法配置氨氮標準溶液，氨氮濃度在0.0～8.0mg/L，濃度間隔0.4mg/L，在標準光源下取光程長為5、10、20、30mm的比色皿為測量池對氨氮溶液圖像進行采集。以溶液濃度為自變量，分別以各顏色特征值為因變量，建立函數關系曲線，并分析各曲線的變化過程，選取突變明顯的顏色特征值作為最佳顏色特征值。測得的各顏色特征值與氨氮濃度之間的變化規律如圖4所示，從數據結果可知，顏色值G、B、H、I均隨濃度的增加而遞減，顏色值R和S隨濃度的增加而遞增，其中G值與氨氮濃度的線性關系較好且變化明顯，所以選定G值為最佳顏色特征值。

圖4 不同光程長對應各顏色值變化曲線

2.1.3光程長的優選

由于光程長的選取也會影響標準曲線的建立，在選定了上述測量條件后，再對光程長進行優選。由圖4可知，不同光程長對應的各顏色特征值變化過程中，顏色特征值G的變化趨勢最明顯，30mm比色皿的G值曲線變化比其他光程長比色皿的測量曲線線性度大，因此可知，30mm比色皿的色度值G曲線的變化能夠較好地反映出溶液的特征，其測量結果最佳。綜合考慮，選擇30mm比色皿測量曲線的數據進行分析，即確定30mm為最佳光程長。

2.2 線性區間的確定

通過上述優選條件的限定，為了更好地保證實驗的精確度，需要確定實驗的最適線性區間。根據多次測量數據結果比較分析，選定范圍為0～2mg/L、3～5mg/L的標準溶液分別確定線性區間的上、下限。按照上述方法配置氨氮標準溶液，氨氮的濃度為0～2mg/L，濃度間隔0.1mg/L，在標準光源下采集30mm光程長對應的溶液圖像G值，確定圖像法測量氨氮的線性區間的下限。再配置濃度為3～5mg/L，濃度間隔0.1mg/L的氨氮標準溶液，標準光源下采集30mm光程長對應G值，確定圖像法測量氨氮的線性區間上限。根據實驗結果繪制如圖5所示的數據分析圖，找出線性區間的下限為0.4mg/L、上限為4.0mg/L，即線性區間為0.4～4.0mg/L。

圖5 確定線性區間數據分析

2.3 繪制標準曲線

綜合以上優選的測量條件和測量結果，應用Origin軟件對選定的最佳顏色值與氨氮濃度值進行擬合，結果如圖6所示。圖6為以30mm比色皿作為測量池進行測量的G值與氨氮溶液濃度的標準曲線。回歸方程為G=-29.631c+229.94，相關系數R2=0.9944。

2.4 重復性檢測與實驗結果分析

重復性是反映方法和測量儀器綜合性能的重要方法。在上述優選條件下，選取氨氮溶液濃度分別為1.2、3.6mg/L的測量樣本，對標樣平行測定十次，測得的G值見表1，相對偏差平均值為0.152 85%。結果表明，本方法具有良好的重復

性，對氨氮的測量有良好的準確度。

圖6 線性擬合分析

樣本標準曲線預測值實驗測量值相對偏差%1194.382 8(123.268 4)194.360 0(123.922 5)0.011 7(-0.530 6)2194.382 8(123.268 4)194.832 5(123.982 5)-0.231 3(-0.579 3)3194.382 8(123.268 4)194.800 0(123.730 0)-0.214 6(-0.374 5)4194.382 8(123.268 4)194.970 0(123.427 5)-0.302 1(-0.129 1)5194.382 8(123.268 4)194.135 0(123.165 0)0.127 5(0.083 9)6194.382 8(123.268 4)194.317 5(123.085 0)0.033 6(0.148 8)7194.382 8(123.268 4)194.085 0(123.325 1)0.153 2(-0.046 0)8194.382 8(123.268 4)194.877 5(123.420 0)-0.254 5(-0.123 0)9194.382 8(123.268 4)194.587 5(123.355 0)-0.105 3(-0.070 3)10194.382 8(123.268 4)194.985 0(123.694 0)-0.309 8(-0.345 3)

注：括號內為濃度為3.6mg/L時的數據；括號外為濃度為1.2mg/L時的數據。

3 結束語

以納氏試劑分光光度法為基礎，提出了圖像特征顏色測量氨氮濃度的方法，推導建立了測量氨氮濃度與圖像顏色特征值和光程長的數學方程。該方程依據朗伯-比爾定律關聯了顏色特征值與濃度和光程長的關系，實現由顏色特征值測量水質氨氮濃度的方法。實驗結果證實：由方程計算的氨氮濃度與實驗值能很好地吻合。