小球藻和铜绿微囊藻的高浓度Chl-a高光谱定量模型

本研究将地物高光谱遥感技术应用于室内实验,从而得到小球藻和铜绿微囊藻的高光谱特征.通过多种半经验方法,如单波段、波段比值和微分法,建立了两藻种最优的Chl-a高光谱定量模型,并与室外情况进行了对比.结果表明:小球藻的最优定量模型为Chl-a=174.6 1138292(R703) 2.3(109[(R703)]2(p＜0.01),相应的方法适宜性为:一阶微分法＞单波段法＞波段比值法;铜绿微囊藻的最优定量模型为Chl-a=5299164(R757)1.9773(p＜0.01),相应的方法适宜性为:单波段法＞波段比值法＞一阶微分法;从高光谱特征来看,小球藻在540 nm和700 nm附近存在明显的特征波峰,其位置随Chl-a浓度增大而向长波方向偏离,铜绿微囊藻在530 nm、660 nm和700 nm附近存在3个较强的特征波峰,在610 nm和680 nm附近存在明显的波谷;与以往室外研究不同的是铜绿微囊藻的反射率在400-500 nm之间的R值并不低,是因为没有非藻类颗粒物的影响,总吸收明显降低.     

基于光谱基线校正的季节性浑浊II类水体叶绿素a浓度遥感反演

水体Chl.a浓度是水质评价的一个重要指标,受悬浮物浓度季节性变化的影响,如何削弱悬浮物的光谱干扰,是实现内陆水体Chl.a浓度遥感高精度反演的难点之一.基于2011-2013年妫水河6次实测水体高光谱数据和水体Chl.a浓度数据,评价广泛应用的三波段模型和非线性拟合能力较好的支持向量机回归(SVR)模型的反演精度,使用基线校正和一阶微分方法来削弱实测高光谱中非Chl.a光谱信息.定义两种基线:750 nm的反射率值;500与750 nm的反射率值连线,基线校正为光谱反射率减去基线值.利用2013年7月的实测数据进行验证,结果表明,SVR模型比三波段模型更适合季节性浑浊水体的Chl.a浓度反演.通过基线校正筛选后的波段反射率组合作为输入变量能够提高SVR模型的反演精度,决定系数为0.68,均方根误差为3.38μg/L;线性基线校正提高三波段Chl.a估算模型的反演能力有限.     

近海聚球藻Synechococcus PCC7002在不同生长期对环境CO_2浓度升高的生理响应

为探讨环境CO_2浓度升高对近海蓝细菌的影响,选择了代表性海洋聚球藻Synechococcus sp. PCC7002,在正常CO_2(400ppm)和高浓度CO_2(1000ppm)条件下,研究其处于不同生长时期的光合生理特性.结果表明:在稳定期, CO_2浓度升高可显著促进细胞生长、提高培养体系内最高细胞浓度值.在高浓度CO_2条件下,聚球藻适应期为2天,而在正常CO_2条件下,聚球藻适应期长达6天.高浓度CO_2可以提高聚球藻在适应期和指数期的光合作用能力,但会降低其稳定期的光合作用能力.此外,与正常条件下相比,高浓度CO_2条件下处于指数期和稳定期的聚球藻的饱和光强较低,光能利用效率较高,藻胆体/Chl a比值较高.高浓度CO_2降低聚球藻在适应期和稳定期颗粒有机碳:Chl a(POC:Chl a)和颗粒有机氮:Chl a(PON:Chl a)的比值,且该比值在指数生长期较高.以上结果表明,处于不同生长期的聚球藻PCC7002对CO_2浓度升高的生理响应不同,前期的多数研究仅在指数期开展,取得的结果未能全面反映CO_2浓度升高对海洋蓝细菌的影响.本研究将为全面了解CO_2浓度升高对海洋微藻的影响提供重要参考.     

吉林查干湖水体叶绿素a含量高光谱模型研究

叶绿素a含量能够在一定程度上反映水质状况,高光谱遥感可有效反演叶绿素a含量.该研究通过分析水体叶绿素a浓度与其高光谱反射特征之间的相关关系,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱和神经网络模型等多种算法建立了叶绿素a高光谱定量模型.结果表明:叶绿素a与单波段光谱在蓝、绿波段相关系数较低,而在红光与近红外波段有明显提高,微分光谱也表现出同样的趋势;反射率比值算法模拟效果好于线性回归法;神经元网络模型可以大大提高实测光谱数据的反演能力,确定性系数高达0.95.这为今后利用星载高光谱传感器在查干湖进行叶绿素a浓度大面积遥感反演提供了研究基础.     

乌梁素海沉水植物群落光谱特征及冠层水深影响分析

沉水植物对于改善富营养化水体和重建水生生态系统起着至关重要的作用.应用遥感技术可以实时、大面积监测沉水植物的分布和生长情况,而冠层水深直接影响沉水植物在湖泊、河流中的准确遥感解译.本研究基于实测光谱数据,分析了乌梁素海沉水植物光谱特征,并研究了冠层水深对乌梁素海沉水植物反射光谱的影响,建立了乌梁素海沉水植物冠层水深反演模型.结果表明:1)挺水植物在短波红外1662 nm和2223 nm附近分别有一个反射峰,这是挺水植物区别于沉水植物和漂浮藻类的重要波段; 0深度沉水植物(WDC=0)与漂浮藻类的光谱反射率非常接近,但是在绿波段(550～690 nm)有明显差异,因此,可以利用绿波段和短波红外波段的光谱特征来区分挺水植物、沉水植物和漂浮藻类.2)沉水植物群落的光谱反射率随冠层水深的增加而降低,在700～900 nm波段范围内变化最为明显,且在700～735 nm波段附近,沉水植物群落光谱反射率与冠层水深呈显著负相关.3)在建立的单波段/波段比沉水植物冠层水深反演模型中,波段比反演模型要优于单波段反演模型,波段比反演模型的决定系数R2 0.70,均方根误差13.70 cm,平均相对误差28%,反演精度较好,适用于10～60 cm沉水植物冠层水深的反演.4)利用波段响应函数,将实测光谱反射率积分到Landsat-8 OLI波段上,建立OLI了冠层水深反演模型,其中,波段比幂函数模型反演效果最好,R2为0.49,均方根误差为18.17 cm,平均相对误差40.05%.可用于精确大气校正后乌梁素海沉水植物冠层水深的反演.     

应用实测光谱估算千岛湖夏季叶绿素a浓度

依据2010年8月的实测数据构建了千岛湖水体夏季叶绿素a浓度的实测光谱数据估算模型,并进行了验证.利用ASD FieldSpec3野外光谱仪获取高光谱数据,计算水体离水辐亮度和遥感反射率.通过寻找反演水体叶绿素a浓度的高光谱敏感波段,采用单波段相关分析、波段比值、微分光谱、三波段模型、BP人工神经网络等多种算法进行比较分析,结果表明:叶绿素a浓度与单波段光谱反射率的相关性不大;596 nm和489 nm波长处反射率比值、545 nm处光谱一阶微分与叶绿素a浓度均呈较显著相关,估测模型决定系数R2分别为0.782、0.590,RMSE分别为0.89、1.98μg/L;三波段模型的反演结果优于传统的波段比值和一阶微分法,R2为0.838,RMSE为0.71μg/L;神经网络模型大大提高了叶绿素a浓度的反演精度,R2高达0.942,RMSE为0.63μg/L.本研究为今后在千岛湖水域的夏季相邻月份进行叶绿素a浓度大范围遥感反演研究奠定了基础.     

铜绿微囊藻和斜生栅藻生物光学模型

选取太湖"水华"优势藻类即蓝藻门中的铜绿微囊藻和绿藻门中的斜生栅藻作为研究对象,利用AC-S分别测量两种纯藻的吸收系数和散射系数对铜绿微囊藻和斜生栅藻的固有光学属性进行定性和定量分析,并建立其生物光学模型.结果表明:铜绿微囊藻的藻红蛋白吸收带和斜生栅藻的藻蓝蛋白吸收带的光谱吸收特性的差异性较为明显;粒径相对较小的铜绿微囊藻的包裹效应、吸收系数对散射系数的影响程度要明显小于粒径较大的斜生栅藻,铜绿微囊藻吸收系数的P-L模型的线性斜率和幂指数要大于斜生栅藻的吸收系数模型系数;由于散射系数受吸收系数影响程度的不同,使得散射系数光学模型变量因子具有一定的差异,受吸收系数影响较小的铜绿微囊藻的变量因子为波段比值λ_0/λ,λ_0为参考波长,而受吸收系数影响较大的斜生栅藻的变量因子为吸收系数比值a(λ_0)/a(λ),a(λ_0)为参考波段吸收系数,a(λ)为波长为λ的吸收系数,两种藻类的散射模型都符合国际上通用的S-P模型形式.     

光照强度对铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和斜生栅藻(Scenedesmus obliqnus)生长及吸收特性的影响

在不同的光照强度下,测定了铜绿微囊藻、斜生栅藻在不同生长期的藻细胞密度、粒径、叶绿素a浓度、浮游植物吸收系数以及比吸收系数.单因素方差分析表明,在整个培养周期中,光照强度对铜绿微囊藻及斜生栅藻的藻细胞密度、叶绿素a浓度以及440、675 nm处吸收系数均有着显著的影响.两种藻在光照强度为50μmol/(m2.s)条件下,藻细胞密度、叶绿素a浓度及吸收系数值相对最大.相关性分析表明:藻类特征波段440、675 nm吸收系数与叶绿素a浓度、藻细胞密度在不同光照条件下都存在着显著的正相关性,其中叶绿素a浓度与藻类吸收系数存在着幂函数的关系,而线性关系能更好的说明藻细胞密度与吸收系数之间的关系.在不同光照强度及培养时期,藻类比吸收系数在一定的范围内波动,随光强增加比吸收系数呈上升趋势.铜绿微囊藻440、675 nm处比吸收系数与叶绿素a浓度呈显著的负相关关系,而斜生栅藻比吸收系数与叶绿素a浓度之间无显著相关,体现了不同藻类由于色素组成及比例差异其色素包裹效应也各不相同.对不同光照强度下的铜绿微囊藻及斜生栅藻进行400～700 nm波段积分,得到了两者在5、50及100μmol/(m2.s)不同种光强下的平均比吸收系数分别为0.0144、0.0134、0.0160,0.0086、0.0088、0.0105 m2/(mg Chl.a),铜绿微囊藻比吸收系数明显大于斜生栅藻.     

碱度增加对蛋白核小球藻光合活性与胞外多糖的影响

本文研究了不同重碳酸盐(HCO3)碱度2.3mmol/L(ALK2.3)和12.4mmoFL(ALK12.4)条件对蛋白核小球藻光合活性、色素组成、丙二醛(MDA)含量与胞外多糖的影响.实验结果表明,碱度增加对蛋白核小球藻光合活性呈促进一抑制一促进效应,ALK2.3对光合活性影响的强度.高于ALK12.4.碱度增加提高叶绿素b/叶绿素a(Chl.b/Chl.a)的值,降低类胡萝卜素/叶绿素(Caro/TChl)的值,并且ALKl24条件下对藻细胞的作用程度强于ALK2.3.此外碱度增加刺激蛋白核小球藻胞外多糖分泌,ALK2.3在培养初期提高MDA含量,ALK12.4下细胞MDA含量显著降低.说明碱度增加会促进蛋白核小球藻光合活性,促进光合产物的积累与分泌.暗示胞外多糖的分泌可能是细胞适应高碱度的一种自我保护机制.     

巢湖藻类高斯垂向分布结构参数的遥感估算

藻类垂向分布异质性导致了遥感反演的湖泊表层叶绿素a浓度结果与单元水柱内藻类生物量间不存在一一对应的关系,因此有效确定藻类垂向分布结构是遥感反演湖泊藻类生物量的基础.受自身因素和外环境条件的影响,藻类垂向分布结构呈现出多种类型,其中高斯类型应用最广.本文基于3200组HydroLight模拟的高斯垂向数据构建BP神经网络,实现用MODIS数据相对应的3个波段的遥感反射比R_(rs)(469)、R_(rs)(555)、R_(rs)(645)和表层叶绿素a浓度共同估算高斯垂向分布结构参数h和σ.经巢湖地面实测数据验证显示,h和σ的估算值与实测值的相关系数分别为0.97和0.95,对应的相对误差分别为13.20%和12.36%,两者相对误差同时小于30%的占总数据量的87.5%,表明该BP神经网络估算巢湖藻类高斯垂向分布结构的有效性和准确性,为基于卫星遥感数据获取湖泊藻类生物量提供了重要的理论基础.     

基于实测高光谱数据的鄱阳湖湿地植被光谱差异波段提取

高光谱遥感技术的出现为有效解决湿地植被种类的精细识别和分类提供了可能.通过实地测取鄱阳湖湿地5种植被的高光谱数据,在对数据预处理的基础上,提出一种基于数据误差范围和植被光谱均值差的植被光谱差异波段提取方法.将该方法应用于包络线变换前后的光谱曲线提取植被的光谱差异波段,最后利用马氏距离法检验植被识别效果.结果表明:本文中的方法有效提取了植被光谱差异波段,其中变换前光谱差异波段分别为663~688 nm,变换后为581~636、660~695和1225~1236 nm.在光谱差异波段范围内,同种植被的马氏距离值小于异种植被的马氏距离值,可有效对植被进行识别.研究结果为湿地植被分类识别奠定了理论基础,同时为湖泊湿地植被以及湖泊生态环境的保护决策提供科学依据.     

Spectral reflectance measurements of estuarine waters

Shapes and variations of reflectance spectra in estuarine water were investigated for the purpose of monitoring chlorophyll in situ by optical means. A survey undertaken in an estuarine environment, using reflectance measurements between 400 and 850 nm with a full-width half maximum (FWHM) of about 2 nm, revealed that the first derivative in the neighbourhood of the chlorophyll absorption band shows a defined spectral region which can be used to estimate chlorophyll concentrations. Correlation between chlorophyll and the first derivative was found to be low, but a good relationship exists between the ratio of the reflectance R680/R670 and chlorophyll concentrations. Based on dissolved organic carbon measurements, it is assumed that chromophoric dissolved organic compounds mask the absorption band of chlorophyll in the blue part of the spectrum, resulting in a low correlation coefficient in that spectral range. Therefore, the use of the red bands is an alternative for measuring photosynthetic pigments in coastal water at longer wavelengths. Results presented here demonstrate that the spectral locations of bands in the visible are not adequate and that hyperspectral data are required for positioning the very narrow bands for measuring chlorophyll at longer wavelengths.     

Remote sensing algorithms for monitoring eutrophication in Ishizuchi storm water reservoir in Kochi Prefecture,Japan / Algorithmes de télédétection pour la surveillance de l'eutrophisation du réservoir d'orage d'Ishizuchi dans la Préfecture de Kochi,Japon

Abstract

Remote sensing technology is being conceived as a cost-effective tool to monitor the eutrophication problem in shallow inland lakes and reservoirs. The objective of this study is to develop hyperspectral remote sensing algorithms for chlorophyll and accessory pigments retrieval in the Ishizuchi Reservoir in Japan. The laboratory reflectance data of 207 field samples with manipulated pigment and suspended sediment concentrations were measured between 400 and 700 nm with a hyperspectral spectroradiometer, and integrated into 60 contiguous narrow bands. Band ratio and spectral absorption algorithms were developed by regression analysis with the observed chlorophyll measurements, and their estimation accuracies were evaluated using the RMSE of the estimates. Algorithms developed from spectral absorption ratios a(675 nm)/a*(675 nm) for five different classes of total pigment concentrations were more accurate than the algorithms based on band ratios R_rs (538 nm)/R_rs (488 nm), R_rs (581 nm)/R_rs (463 nm) and R_rs (674 nm)/R_rs (622 nm) as a result of removing the influence of overlapping absorption and scattering by water molecules and suspended solids from total absorption spectra.     

Removal and biodegradation of nonylphenol by different Chlorella species

All four Chlorella species, including one commercially available species, Chlorella vulgaris and three local isolates, Chlorella sp. (1 uoai), Chlorella sp. (2f5aia) and Chlorellaminiata (WW1), had a rapid and high ability to remove nonylphenol (NP). Among these species, C. vulgaris had the highest NP removal (nearly all NP was removed from the medium) and degradation abilities (more than 80% of NP was degraded) after 168 h, followed by WW1 and 1 uoai; 2f5aia had the lowest NP degradation ability. The NP removal by C. vulgaris was less affected by growth conditions, but its biodegradation efficiency was significantly increased by temperature and light intensity, suggesting that the biodegradation ability was positively related to photosynthetic and metabolic activities. These results indicated that C. vulgaris was the most suitable species for effective removal and biodegradation of NP, especially under 25 °C with light illumination and initial biomass between 0.5 and 1.0 mg chlorophyll l(-1).     

巢湖浮游植物叶绿素含量与反射光谱特征的关系

利用高光谱地物光谱仪在巢湖进行了反射光谱测量和同步水质采样分析。在分析巢湖水体反射光谱特征的基础上,通过研究水体光谱反射率与叶绿素浓度之间的关系,利用反射率比值法和一阶微分法分别建立了叶绿素a的遥感定量模型。结果表明反射率比值R705nm/R680nm和690nm反射率的一阶微分均与叶绿素a浓度有较好的相关性,且用反射率比值法估算叶绿素a效果较好。     

Features of different types of seismic events in China’s Capital Region

Seismic records produced by different seismic sources vary. In this study, we compared the waveform records and time-frequency characteristics of tectonic earthquakes, artificial explosions, and mine collapses in China’s Capital Region. The results show that tectonic earthquakes are characterized by stronger S-wave energy than P-wave energy, obvious high-frequency components, and wide frequency bands of P and S waves. Artificial explosions are characterized by greater P-wave amplitude than S-wave amplitude and near-station surface wave development. Mine collapses are characterized by lower overall frequency, more obvious surface waves, and longer duration. We extracted quantitative discriminants based on the analysis of different event records, with 31 feature values in 7 categories (P/S maximum amplitude ratio, high/low frequency energy ratio, P/S spectral ratio, corner frequency, duration, the second-order moment of spectrum, and energy strongest point). A comparison of the ability of these feature values to recognize distinct events showed that the 6–17 Hz P/S spectral ratio was able to completely distinguish artificial explosions from the other two types of events. The S-wave corner frequency performed relatively well in identifying all three types of events, with an accuracy of over 90%. Additionally, a support vector machine was used to comprehensively distinguish multiple features, with an accuracy for all three types of events reaching up to 100%.     

杭州西溪湿地首期工程区浮游植物群落结构及与水质关系

2007年1-12月,调查了西溪湿地(Ⅰ-Ⅳ站)浮游植物的属类组成、密度和生物多样性指数,并将水质理化参数与藻类的群落指标进行相关性分析.4个采样站中共发现8门56个属藻类,其中绿藻门和硅藻门占73.21%.Ⅰ-Ⅳ站藻类年均密度分别为2.88×10~8、0.37×10~8、0.47×10~8和0.71×10~8cells/L,其中绿藻门和隐藻门占总浮游植物密度的93.76%,优势属为小球藻属(Chlorella)、隐藻属(Cryptomonas)和衣藻属(Chamydomonas).Ⅰ-Ⅳ站藻类Margle属多样性指数分别为1.17、1.10、1.08和1.06.根据藻类各项指标值,西溪湿地已遭受污染,水体为富营养型.相关分析结果表明:Ⅰ站和Ⅲ站的浮游植物密度对数与COD_Mn指数呈极显著的正相关关系(P<0.01),Ⅰ-Ⅳ站浮游植物密度对数与水质电导率之间均有显著或极显著的正相关关系.     

应用水表面下辐照度比估测太湖夏季水体叶绿素a浓度

利用便携式光谱辐射计,采用一定的观测角度获取水体表面的光谱,进而提取水表面下辐照度比R(0-)信息,分析R(0-)光谱特征与叶绿素a浓度之间的相互关系,结果表明太湖夏季水体叶绿素a浓度与R(0-)光谱曲线762 nm、727nm和496nm处的相关系数较大,分别达到了0.85、0.84、-0.80.通过单波段、波段比值模型分析,认为以R(0-)761、R(0-)762/R(0-)496、R(0-)727/R(0-)496为自变量的二次函数模型是利用水表面下辐照度比R(0-)估算太湖夏季水体中叶绿素a浓度的最佳模型,模型的决定系数R2分别达到了0.923、0.919、0.916,回归估计的标准误差S分别为0.012、0.013、0.013,F检验值分别为101.241、96.576、92.925.利用剩余10个样本对估算模型进行精度和误差检验,结果表明以R(0-)762/R(0-)496为自变量的二次函数模型好于另外两个,对太湖夏季水体叶绿素a浓度估算具有一定的实用性.此外,将光谱微分技术应用到R(0-)信息分析太湖夏季水体叶绿素a浓度,结果不能获得较高的预测精度.