专利名称：一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法
技术领域：
本发明属于属于海洋生态、海洋技术以及公共安全领域，涉及海洋环境生态保护，尤其是一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法。
背景技术：
赤潮(Red tide)是在一定的环境条件下，海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在短时间内突发性增殖或高度聚集而引起的海水变色的一种生态异常现象。已有研究表明，赤潮不仅给旅游业、渔业资源和生产造成重大经济损失，而且还危害了水体生态环境，破坏循环系统，给人类带来了危害。据不完全统计，有害赤潮的发生在我国呈明显上升趋势，1998-2005年,在渤海、东海都发生了面积达到几千平方公里的特大有毒赤潮,对沿海地区的海洋经济发展和海洋生态环境造成了巨大的破坏。赤潮的形成机理较为复杂，目前尚无十分有效的方法防止赤潮的发生，只能通过及时监测来减少赤潮造成的损失。赤潮常用的监测工具是船只和飞机，但是船只和飞机需花费大量的财力、物力和人力，监测费用高，时效性和空间性较差；而卫星遥感技术具有快速、同步、大范围监测海洋的能力，更能省时省力又省财。因此，随着高光谱遥感技术的发展，基于高光谱技术的赤潮优势种识别成为可能。通过检索，发现如下三篇与本专利申请相关的公开专利文献I、一种对赤潮优势藻种色度学的实时识别方法(CN102288554A)，首先利用卫星遥感或地物光谱仪测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C. I. E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后将赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的分布区域作为识别特征达到藻种识别；另一方法是利用测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C. I. E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标，然后根据色度坐标和C. I. E标准色度图进行常规计算分别得到赤潮优势藻种的纯度P和主波长、d ;最后将赤潮优势藻种的纯度和主波长共同作为识别特征，达到藻种识别。显然，本发明方法简单，处理速度快，结果直观，实现了可以实时识别赤潮优势藻种的要求。2、一种浮游生物种类识别和分类的图像系统和方法(CN1645108)，涉及一种赤潮藻图像分析系统及其分析方法。该图像分析系统包括由光源和透镜纠正结构组成的光源照明装置，显微成像装置，CXD数码相机，图像采集卡、计算机以及以及图像分析软件，显微成像装置的入射光源处设置第一滤色片，产生激发光；接收口上设置有第二滤色片对显微成像滤波。3、赤潮生物图像自动识别方法(CN1811792)，赤潮生物图像自动识别装置设有发光二极管、光源透镜、流动室、物镜、景深透镜和照相机。发光二极管位于光源透镜焦点，流动室位于光源透镜与物镜之间，景深透镜位于物镜与照相机之间；其步骤为获取图像、预处理、目标探测、图像分割、图像特征获取、目标分类识别、结果输出。通过透镜的处理，可产生均匀的背景光源，有利于获得效果良好的图像。采用远焦物镜，增加流动室与物镜间的操作空间，给流动室较广的发展空间，提高仪器应用范围，对图像进行自动分析，提高仪器的自动化程度，满足赤潮生物现场监测的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，该方法利用手持便携式地物光谱仪对实验室培养的渤海湾赤潮优势藻(亚历山大藻、前沟藻、米氏凯伦藻)进行长期监测，定期定时测量藻类生消过程的细胞密度，同时获取他们的遥感反射率曲线，并对取得的数据进行处理后进行判别。本发明的目的是这样实现的一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，步骤是(I)光谱数据的获取，包括赤潮藻的实验室培养、遥感反射比测量、光谱数据的后处理；a实验室培养，获得三种赤潮优势藻在不同温度下的细胞密度，根据细胞密度绘制出生长曲线b遥感反射比测量，依照采集相对光谱数据的程序直到优化完毕，将镜头对准测量目标，任何落入RCR视场内的阴影影响采集到的辐亮度数值，电脑屏幕上出现遥感反射比图像光谱数据；c光谱数据后处理打开ViewSpec软件,选择菜单栏file,然后选择open file,选择要处理的赤潮藻光谱数据.asd格式,可以多选；选择process菜单下的statistics,选择刚才要处理的光谱数据，另存为一个指定地址，选择process菜单下的ascii export对话框，选择reflectance,同时选择output to a single file,通过view下的选择asciiexport对话框，然后打开刚才保存的处理好的txt文本，通过目视方法，手动剔除在相邻波段数据明显相差很大的光谱数据；(2)光谱数据分析利用ENVI软件进行光谱数据分析a通过光谱吸收特征参数提取方法利用ENVI软件进行光谱吸收特征参数比较，方法如下通过View Spec Spro获取遥感反射率的数据，再运用ENVI软件将遥感反射率曲线转化为比值反射率曲线，通过遥感反射率曲线，转换得出它的比值反射率，通过比值反射率曲线，计算出光谱吸收特征参数，然后分析不同赤潮优势藻吸收特征参数；b通过光谱微分方法提取其反射峰、吸收峰波长，对接种赤潮优势藻前后的水体进行比对分析。 而且，所述步骤(2)中b步骤的一阶、二阶微分光谱的计算方法如下P ’(λ ) = [ρ (λ i+1)-p (λ ^)1/2 Δ λP " (λ Xp，(λ i+1)-p，(λ η)]/2Δ λ =[ρ (λ i+1)-2p (λ i) + P (λ Η)]/Δ λ 2其中，λ i为波长，ρ ’( λ J，ρ " (Ai)分别为λ i波长位置上的一阶和二阶微分光谱，λ是λ η到λ i的波长间隔，取值为lnm。本发明的优点和积极效果是I、本发明采用光谱吸收特征参数提取方法和光谱微分方法对不同优势藻进行鉴另IJ，分析这三种藻类的光谱特性，为赤潮藻种的鉴别提供备库。光谱微分方法对接种赤潮优势藻前后的遥感光谱曲线进行分析，通过遥感反射率光谱曲线可以辨别出是否为接种赤潮优势藻的水体，且确定了接种后赤潮水体反射光谱两峰一谷的波长范围；在甲藻的生产周期内，吸收峰和反射峰的位置基本不发生偏移。光谱吸收特征参数提取方法分析了米氏凯伦藻，前沟藻，亚历山大藻在不同温盐条件下的吸收参数，并对其进行了比较，以米氏凯伦藻为例，22° C温度下，在28%。、33%。和40%。盐度下，可以发现米氏凯伦藻的的中心波长基本不发生偏移；在不同温度下，米氏凯伦藻的中心波长也不发生偏移。按照同样的方法可以计算得出，前沟藻和亚历山大藻的中心波长也不因温度的改变发生偏移，因此本方法能够检测赤潮的发生，而且也使得赤潮生物优势种识别成为可能。2、本发明比较了渤海湾常见赤潮优势藻的光谱特性，通过一定的光学分析技术，能够判别赤潮水体与非赤潮水体；在甲藻的生产周期内，吸收峰和反射峰的位置基本不发生偏移；不同温度、盐度对光谱曲线并不能产生很大的影响。
图I为本发明三种赤潮优势藻在不同温度下的生长曲线；图2为本发明在22°C温度下米氏凯伦藻不同盐度的生长曲线；图3为本发明获取的遥感反射比数据；图4为光谱吸收特征参数提取方法的亚历山大藻2010/11/04(25°C )比值反射率曲线；图5为光谱吸收特征参数提取方法的亚历山大藻2010/11/05(16°C )比值反射率曲线；图6为本发明未接种赤潮优势藻时的水体的遥感反射率光谱曲线。图7前沟藻2010/11/04 (25°C )遥感反射率光谱曲线；图8前沟藻2010/11/04 (25°C ) 一阶导数光谱曲线；图9前沟藻2010/11/04 (25°C ) 二阶导数光谱曲线。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。—种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，步骤是I、光谱数据的获取，本步骤包括赤潮藻的实验室培养、光谱仪器介绍、仪器预热、遥感反射比测量、光谱数据的后处理。(I)实验室培养实验室培养可获得三种赤潮优势藻在不同温度下的细胞密度，见下表。表1-1三种赤潮优势藻在不同温度下的细胞密度
权利要求
1.一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，其特征在于步骤是 (1)光谱数据的获取，包括赤潮藻的实验室培养、遥感反射比测量、光谱数据的后处理； a实验室培养，获得三种赤潮优势藻在不同温度下的细胞密度，根据细胞密度绘制出生长曲线 b遥感反射比测量，依照采集相对光谱数据的程序直到优化完毕，将镜头对准测量目标，任何落入RCR视场内的阴影影响采集到的辐亮度数值，电脑屏幕上出现遥感反射比图像光谱数据； c光谱数据后处理打开ViewSpec软件,选择菜单栏file,然后选择open file,选择要处理的赤潮藻光谱数据.asd格式,可以多选；选择process菜单下的statistics,选择刚才要处理的光谱数据，另存为一个指定地址，选择process菜单下的ascii export对话框，选择reflectance,同时选择output to a single file,通过view下的选择ascii export对话框，然后打开刚才保存的处理好的txt文本，通过目视方法，手动剔除在相邻波段数据明显相差很大的光谱数据； (2)光谱数据分析 利用ENVI软件进行光谱数据分析 a通过光谱吸收特征参数提取方法利用ENVI软件进行光谱吸收特征参数比较，方法如下 通过View Spec Spro获取遥感反射率的数据，再运用ENVI软件将遥感反射率曲线转化为比值反射率曲线，通过遥感反射率曲线，转换得出它的比值反射率，通过比值反射率曲线，计算出光谱吸收特征参数，然后分析不同赤潮优势藻吸收特征参数； b通过光谱微分方法提取其反射峰、吸收峰波长，对接种赤潮优势藻前后的水体进行比对分析。
2.根据权利要求I所述的一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，其特征在于所述步骤(2)中b步骤的一阶、二阶微分光谱的计算方法如下 P ' (λ i) = [p (λ i+1)-ρ (λ η) ] /2 Δ λ P " (λ j) = [p ' (λ i+1) - P，( λ H) ] /2 Δ λ = [ P (λ i+1) -2 P ( λ i) + P (λ H) ] / Δ λ 2其中，λ i为波长，P' (Ai), ρ " (Ai)分别为λ i波长位置上的一阶和二阶微分光谱，λ是λ卜丨到λ i的波长间隔，取值为lnm。
全文摘要
本发明涉及一种赤潮水体及其优势藻的光学判别方法，步骤是(1)光谱数据的获取，包括赤潮藻的实验室培养、遥感反射比测量、光谱数据的后处理；(2)光谱数据分析通过光谱吸收特征参数提取方法利用ENVI软件进行光谱吸收特征参数比较，通过光谱微分方法提取其反射峰、吸收峰波长，对接种赤潮优势藻前后的水体进行比对分析。本发明通过在实验室获得的不同赤潮优势藻的光谱数据，经过光谱数据流程处理，剔除异常值，得到米氏凯伦藻，亚历山大藻和前沟藻的遥感光谱曲线，为提取吸收特征参数以及光谱微分方法奠定了基础。
文档编号G01N21/31GK102721655SQ20121017795
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者刘文岭, 曹春晖, 李伟, 殷为, 陈双玲, 黄莉 申请人:天津科技大学