一种水华蓝藻模拟实验监测系统及方法与流程

本发明涉及水生植物模拟生长领域，特别涉及一种水华蓝藻模拟实验监测系统及方法。

背景技术：

目前，藻类水华是最为突出的世界性水环境问题之一，且随着全球经济的发展和人类活动影响的扩大而日趋严重。我国水华蓝藻现象尤为严重，大多数河流、湖泊甚至水库中都不同程度地有水华的发生，太湖、滇池、巢湖等湖泊水华爆发更是时有出现。水华蓝藻现象大面积、长时间频发，不仅破坏了湖泊功能和生态环境，而且威胁着人体健康及生活饮用水的安全，己成为困扰中国经济持续发展的主要环境问题之一。但是目前，人们对水华蓝藻的形成机理尚不完全明确，还处于深入探索阶段。

蓝藻之所以形成水华的优势种，是它们都具有一种调节细胞沉降的结构—伪空胞，通过动态调节伪空胞内的气囊数与体积，使蓝藻能够控制它的浮力。基于其独特的生理特征(譬如细胞分泌的胞外多糖导致的细胞群体的形成、细胞具有伪空泡使得其具有上浮至水面的生理趋向)，在光强、温度、风浪扰动等一系列条件作用下，蓝藻通过碰撞形成絮凝大群体，并快速上浮形成表面可见水华——即水华“爆发”。一般认为水华蓝藻形成包括相互区别而又连续的四个过程：下沉和越冬(休眠)——复苏——生物量增加——聚集上浮形成水华，而了解蓝藻复苏——爆发过程在水华预警与控制中具有重要意义。

由于水华蓝藻的复苏过程相当复杂，同时因为野外监控技术的限制，对于水华蓝藻复苏和从底泥中进入水体到爆发上浮的过程仍然没有一个完整的认识。因此，在短期内水华蓝藻问题尚难得到根本解决的情况下，为了快速、全面掌握水华蓝藻爆发信息，模拟研究蓝藻异常生长的方法与装置显得尤为重要。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的是提供一种可以在实验室内模拟水华蓝藻复苏上浮过程的实验模拟监测系统，通过高分辨率显微数码成像装置分上中下三层监控并拍摄水华蓝藻复苏—形成水华的过程，计算水华爆发过程相关参数与三维模拟演示的方法。通过掌握蓝藻在水下复苏生长的过程和特点，制作模拟水华爆发的三维演示图，为进一步了解水华蓝藻复苏周期内由底泥向水中迁移的基本规律提供实验依据，了解水华形成过程中蓝藻群体在水体中迁移和具体的分层分布机制，为进一步制定预报和预防蓝藻爆发提供准确的数据和技术支持。

一种水华蓝藻模拟实验监测系统，包括：

培养装置，用于盛放含有休眠期蓝藻的底泥及取样点水体；

多个成像装置，均匀逐层地布置于所述培养装置的侧壁外，用于拍摄所述培养装置内位于不同水体层中的蓝藻在不同时间点的生长图像；

远程监测装置，与所述成像装置连接，用于接收和处理所述成像装置传送的图像并获得水华爆发过程中位于不同水体层的蓝藻絮凝体在不同时间点的特征参数。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述蓝藻絮凝体的特征参数为蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述培养装置外部套设有外层夹套装置，所述培养装置和所述外层夹套装置的侧壁间留有空隙，用于水的流动以调控所述培养装置内的水体温度；优选地，所述培养装置和所述外层夹套装置的侧壁间的距离为10～15cm(比如10.5mm、11mm、12mm、13mm、14mm、14.5mm)。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述系统还包括循环水供给装置，与所述培养装置和所述外层夹套装置侧壁间的空隙连通，以向所述空隙中供给具有特定温度的水，更优选地，所述循环水供给装置的出口与所述外层夹套装置的入口连接，所述外层夹套装置的出口与所述循环水供给装置的入口连接。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述循环水供给装置包括：水槽；调温元件，设置在所述水槽上；温度探头，设置于所述水槽内，用于检测所述水槽内的水温；温度控制器，设置在所述水槽外，分别与所述温度探头和所述调温元件连接，根据所述温度探头反馈的信息控制所述调温元件调节所述水槽内的水温；优选地，所述水槽的出水温度为10～40℃(比如11℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、39℃)。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述培养装置为顶面开口的正方体缸，所述培养装置由透明有机玻璃制成；优选地，所述培养装置的壁厚为7-9mm(比如7.5mm、8mm、8.5mm)。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述外层夹套装置为顶面开口的正方体缸，所述外层夹套装置由透明pe材料或玻璃制成；优选地，所述外层夹套装置的壁厚为7-9mm(比如7.5mm、8mm、8.5mm)。

更优选地，所述外层夹套装置的四周壁和底壁的外表面上涂覆有黑色颜料，以使所述培养装置的四周壁和底壁密闭不透光。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，在所述外层夹套装置的四周侧壁上设置多个通孔，通孔穿透外层夹套装置并沿外层夹套装置的内壁延伸至所述培养装置外壁面；成像装置设置于通孔内；所述通孔的尺寸与所述成像装置相匹配，所述成像装置的数量与所述通孔的数量相同；更优选地，所述成像装置通过支架设置在所述通孔内。

优选地，沿所述外层夹套装置的周向在所述外层夹套装置的侧壁上设置3层相互平行的通孔，每层均匀设置12个通孔，所述3层通孔中，第一层通孔设置于靠近所述培养装置的底部，以便所述成像装置拍摄蓝藻复苏时期的图像；第二层通孔设置于所述培养装置中水体的中部，以便所述成像装置拍摄到蓝藻上浮时期的图像；第三层通孔设置于所述培养装置中水体的上部，以便所述成像装置拍摄到蓝藻聚集在水面形成水华的图像。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述成像装置为高分辨率显微数码成像装置；所述高分辨率显微数码成像装置优选为500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器；优选地，所述远程监测装置为电脑处理器；所述电脑处理器内设置有显微数码分析测量系统；所述显微数码分析测量系统优选为明美显微数码成像系统v9.5.2；更优选地，所述电脑处理器内还设置有图像拼接、图像叠加和三维动画制作软件中的至少一种。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述系统还包括：光照强度控制装置，设置在所述培养装置正上方，用于向所述培养装置提供光照；优选地，所述光照强度控制装置由多个日光灯并联而成，所述每个所述日光灯都设置开关，一个开关控制一个日光灯，通过控制所述日光灯的开启数量来控制光照强度；

优选地，所述光照强度控制装置的光照强度为0～10000lux(比如100lux、500lux、1000lux、2000lux、3000lux、4000lux、5000lux、6000lux、7000lux、8000lux、9000lux、9500lux、9900lux)。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，该系统还包括供风设备，所述供风设备包括鼓风机和风速测量仪；所述鼓风机设置在所述培养装置上方，用于向培养装置提供一定的风；优选地，所述鼓风机为可移动设备，以自由调整所述鼓风机的高度和角度来控制鼓风机的风速和风向；所述风速测量仪靠近所述培养装置的水体表面设置，用于测量所述培养装置的水体表面的风速；优选地，所述培养装置的水体表面的风速为0～3.5m/s(比如0.1m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、3.4m/s)。

在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，作为一种优选实施方式，所述培养装置内水体的氮磷比为1～40：1(比如2:1、5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1、39:1)。

一种水华蓝藻模拟实验监测方法，依次包括：

步骤一，采用成像装置采集培养装置内位于不同水体层的蓝藻在不同时间点的生长图像，并传送至远程监测装置；

步骤二，采用所述远程监测装置中的第一处理系统对所述生长图像进行预处理，以使所述生长图像更清晰；

步骤三，采用所述远程监测装置中的第二处理系统对所述预处理后的生长图像中的蓝藻絮凝体进行分析测量，得到不同时间点各水体层中的蓝藻絮凝体的特征参数，所述特征参数为蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l；

步骤四，根据步骤三获得的所述蓝藻絮凝体的特征参数按照预算法计算水华爆发过程中位于同一水体层的同一图像采集时间点的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3；

所述预算法具体如下：

首先，位于同一水体层的同一图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l与位于该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3存在如式(1)～(3)所示的关系：

p∝l^d1(1)；

a∝l^d2或a∝p^d2(2)；

v∝l^d3或v∝p^d3(3)；

其中，v代表所述蓝藻絮凝体的成球体积，由所述蓝藻絮凝体的投影面积a换算得到，具体计算方法如下：由所述蓝藻絮凝体的投影面积a求得与投影面积a等面积的圆的直径dp(即当量直径)，再由直径dp计算出所述蓝藻絮凝体成球体积v；

然后，将式(1)、(2)、(3)两边取自然对数，得到如式(4)～(6)所述的关系式：

lnp＝d1·lnl+a(4)；

lna＝d2·lnp+b＝d2·lnl+b(5)；

lnv＝d3·lnp+c＝d3·lnl+c(6)；

之后，用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lnp与lnl值作lnp-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的一维分形维数d1，截距为常数a；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lna与lnp或lna与lnl值作lna-lnp或lna-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的二维分形维数d2，截距为常数b；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lnv与lnp或lnv与lnl值作lnv-lnp或lnv-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的三维分形维数d3，截距为常数c。

在上述水华蓝藻模拟实验监测方法，作为一种优选实施方式，还包括三维演示动画制作步骤，首先，将同一图像采集时间点采集的位于同一水体层的图像进行拼接叠加处理，从而得到每个水体层的各个图像采集时间点的拼接叠加图；然后，按照图像采集时间的先后顺序将各水体层的所述拼接叠加图制作成不同时间维度上模拟蓝藻水华爆发过程的三维演示动画。

在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，作为一种优选实施方式，所述第一处理系统为显微数码分析测量系统；所述显微数码分析测量系统优选为明美显微数码成像系统v9.5.2。

在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤二中，所述预处理为依次进行除噪、校正处理。

在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，作为一种优选实施方式，所述第二处理系统为图像测量和分析软件，用于测量和分析蓝藻絮凝体的特征参数。优选地，所述第二处理系统为明美显微数码成像系统v9.5.2。

在上述水华蓝藻模拟实验检测方法中，作为一种优选实施方式，所述不同时间点采集蓝藻生长图像是指：在蓝藻开始从底泥中释放聚集上浮前每隔1-2h拍摄一次蓝藻生长图像，在蓝藻开始从底泥中释放、聚集上浮时每隔5-10分钟拍摄一次蓝藻生长图像。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1、本发明提供的水华蓝藻模拟实验监测系统，可以快速、全面掌握水华蓝藻的爆发信息，了解其爆发机理。

2、通过掌握蓝藻在水下复苏生长的过程和特点，制作模拟水华爆发的三维动画演示图，为进一步了解水华蓝藻复苏周期内由底泥向水中迁移的基本规律提供实验依据，了解水华形成过程中蓝藻群体在水体中迁移和聚集的分层分布机制，为进一步制定预报和预防蓝藻爆发提供准确的数据和技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例1的水华蓝藻模拟实验监测系统的示意图；

图2为水华蓝藻模拟实验监测方法的流程图；

附图标记如下：1—内层培养缸(即培养装置)，2—外层夹套缸(即外层夹套装置)，21—外层夹套缸的入口，22—外层夹套缸的出口，23-通孔，3—进水管，4—出水管，5—水槽，51—水槽的入口，52—水槽的出口，53—调温元件，6—温度探头，7—温度控制器，8—日光灯，9—鼓风机，10—成像装置，11—远程监测装置，12—循环水供给装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种水华蓝藻模拟实验监测装置进行说明。应理解，这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了一种水华蓝藻模拟实验监测系统，包括培养装置1、成像装置10和远程监测装置11等，下面对本发明系统中的各个部件及连接关系一一进行说明，参见图1。

一种水华蓝藻模拟实验监测系统，包括：

培养装置1，用于盛放含有休眠期蓝藻的底泥及取样点水体；

多个成像装置10，均匀逐层地布置于培养装置1的侧壁外，用于拍摄培养装置1内位于不同水体层中的蓝藻在不同时间点的生长图像；

远程监测装置11，与成像装置10连接，用于接收和处理成像装置10传送的图像并获得水华爆发过程中位于不同水体层的蓝藻絮凝体在不同时间点的特征参数。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，蓝藻絮凝体的特征参数为蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l。

进一步地，培养装置1外部套设有外层夹套装置2，培养装置1和外层夹套装置2的侧壁间留有空隙，用于水的流动以调控培养装置1内的水体温度；优选地，培养装置1和外层夹套装置2的侧壁间的距离为10～15cm(比如10.5mm、11mm、12mm、13mm、14mm、14.5mm)。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，系统还包括循环水供给装置12，与培养装置1和外层夹套装置2侧壁间的空隙连通，以向空隙中供给具有特定温度的水，更优选地，循环水供给装置12的出口与外层夹套装置2的入口连接，外层夹套装置2的出口与循环水供给装置12的入口连接。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，循环水供给装置12包括：水槽5；调温元件53，设置在水槽5上；温度探头6，设置于水槽5内，用于检测水槽5内的水温；温度控制器7，设置在水槽5外，分别与温度探头6和调温元件53连接，根据温度探头6反馈的信息控制调温元件53调节水槽5内的水温；优选地，水槽5的出水温度为10～40℃(比如11℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、39℃)。从水槽出口52流出的循环水经进水管3和外层夹套缸的入口21流向培养装置1与外层夹套装置2的侧壁间的空隙，进而经外层夹套缸的出口22流出，然后经出水管4和水槽入口51流回水槽5。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，培养装置1为顶面开口的正方体缸，培养装置1由透明有机玻璃制成；优选地，培养装置1的壁厚为7-9mm(比如7.5mm、8mm、8.5mm)。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，外层夹套装置2为顶面开口的正方体缸，外层夹套装置2由透明pe材料或玻璃制成；优选地，外层夹套装置2的壁厚为7-9mm(比如7.5mm、8mm、8.5mm)。

更优选地，外层夹套装置2的四周壁和底壁的外表面上涂覆有黑色颜料，以使培养装置1的四周壁和底壁密闭不透光。通过上述设置，仅使培养装置1的顶端接受光照，相当于将培养装置1设置为类似湖库等水体的光照情况。黑色颜料比如为黑色涂料。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，外层夹套装置2的四周侧壁上设置多个通孔23，通孔23穿透外层夹套装置2并沿外层夹套装置2的内壁延伸至培养装置1外壁面；成像装置10设置于通孔23内；通孔23的尺寸与成像装置10相匹配，成像装置10的数量与通孔23的数量相同；更优选地，成像装置10通过支架设置在通孔23内。

优选地，沿外层夹套装置2的周向在外层夹套装置2的侧壁上设置3层相互平行的通孔23，每层均匀设置12个通孔23，3层通孔23中，第一层通孔23设置于靠近培养装置1的底部，以便成像装置10拍摄蓝藻复苏时期的图像；第二层通孔23设置于培养装置1中水体的中部，以便成像装置10拍摄到蓝藻上浮时期的图像；第三层通孔23设置于培养装置1中水体的上部，以便成像装置10拍摄到蓝藻聚集在水面形成水华的图像。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，成像装置10为高分辨率显微数码成像装置；高分辨率显微数码成像装置优选为500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器；优选地，远程监测装置11为电脑处理器；电脑处理器内设置有显微数码分析测量系统；显微数码分析测量系统优选为明美显微数码成像系统v9.5.2；更优选地，电脑处理器内还设置有图像拼接、图像叠加和三维动画制作软件中的至少一种。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，系统还包括：光照强度控制装置，设置在培养装置1正上方，用于向培养装置1提供光照；优选地，光照强度控制装置由多个日光灯8并联而成，每个日光灯8都设置开关，一个开关控制一个日光灯8，通过控制日光灯8的开启数量来控制光照强度；

优选地，光照强度控制装置的光照强度为0～10000lux(比如100lux、500lux、1000lux、2000lux、3000lux、4000lux、5000lux、6000lux、7000lux、8000lux、9000lux、9500lux、9900lux)。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，该系统还包括供风设备，供风设备包括鼓风机9和风速测量仪；鼓风机9设置在培养装置1上方，用于向培养装置1提供一定的风；优选地，鼓风机9为可移动设备，以自由调整鼓风机9的高度和角度来控制鼓风机9的风速和风向；风速测量仪靠近培养装置1的水体表面设置，用于测量培养装置1的水体表面的风速；优选地，培养装置1的水体表面的风速为0～3.5m/s(比如0.1m/s、0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s、3.4m/s)。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测系统中，培养装置1内水体的氮磷比为1～40：1。

一种水华蓝藻模拟实验监测方法，依次包括：

步骤一，采用成像装置10采集培养装置1内位于不同水体层的蓝藻在不同时间点的生长图像，并传送至远程监测装置11；

步骤二，采用远程监测装置11中的第一处理系统对生长图像进行预处理，以使生长图像更清晰；

步骤三，采用远程监测装置11中的第二处理系统对预处理后的生长图像中的蓝藻絮凝体进行分析测量，得到不同时间点各水体层中的蓝藻絮凝体的特征参数，特征参数为蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l；

步骤四，根据步骤三获得的蓝藻絮凝体的特征参数按照预算法计算水华爆发过程中位于同一水体层的同一图像采集时间点的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3；

预算法具体如下：

首先，位于同一水体层的同一图像采集时间点的蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l与位于该水体层的该图像采集时间点的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3存在如式(1)～(3)所示的关系：

p∝l^d1(1)；

a∝l^d2或a∝p^d2(2)；

v∝l^d3或v∝p^d3(3)；

其中，v代表蓝藻絮凝体的成球体积，由蓝藻絮凝体的投影面积a换算得到，具体计算方法如下：由蓝藻絮凝体的投影面积a求得与投影面积a等面积的圆的直径dp(即当量直径)，再由直径dp计算出蓝藻絮凝体成球体积v；

然后，将式(1)、(2)、(3)两边取自然对数，得到如式(4)～(6)的关系式：

lnp＝d1·lnl+a(4)；

lna＝d2·lnp+b＝d2·lnl+b(5)；

lnv＝d3·lnp+c＝d3·lnl+c(6)；

之后，用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个蓝藻絮凝体对应的lnp与lnl值作lnp-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1，截距为常数a；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个蓝藻絮凝体对应的lna与lnp或lna与lnl值作lna-lnp或lna-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的蓝藻絮凝体的二维分形维数d2，截距为常数b；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个蓝藻絮凝体对应的lnv与lnp或lnv与lnl值作lnv-lnp或lnv-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的蓝藻絮凝体的三维分形维数d3，截距为常数c。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测方法，还包括三维演示动画制作步骤，首先，将同一图像采集时间点采集的位于同一水体层的图像进行拼接叠加处理，从而得到每个水体层的各个图像采集时间点的拼接叠加图；然后，按照图像采集时间的先后顺序将各水体层的拼接叠加图制作成不同时间维度上模拟蓝藻水华爆发过程的三维演示动画。优选地，采用明美显微数码成像系统v5.1、matlab、sufer等软件对图像进行拼接叠加处理。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，第一处理系统为显微数码分析测量系统；显微数码分析测量系统优选为明美显微数码成像系统v9.5.2。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，在步骤二中，预处理为依次进行除噪、校正处理。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验监测方法中，第二处理系统为图像测量和分析软件，用于测量和分析蓝藻絮凝体的特征参数。优选地，第二处理系统为明美显微数码成像系统v9.5.2。

进一步地，在上述水华蓝藻模拟实验检测方法中，不同时间点采集蓝藻生长图像是指：在蓝藻开始从底泥中释放聚集上浮前每隔1-2h拍摄一次蓝藻生长图像，在蓝藻开始从底泥中释放、聚集上浮时每隔5-10分钟拍摄一次蓝藻生长图像。

当模拟自然状态下水华的爆发时，不需要投加营养盐，直接调节不同光照强度、温度及风力扰动就可以开展光照、温度、风力扰动等影响因素引发蓝藻复苏水华爆发的模拟实验。

当将营养盐(只考虑氮和磷)作为影响因素(类似光照、温度、风力扰动等影响因素)来进行模拟实验时，通过投加一定量的硝酸钾、磷酸二氢钾等控制水体氮磷比1～40，开展实验。

实施例1

本实施例采用如图1所示的水华蓝藻模拟实验监测系统来模拟及监测水华蓝藻的生长过程。

(1)实验装置的具体设置如下：

在外层夹套缸的外层开孔处，分上中下三层放置500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器，每层均匀放置12个500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器(环绕外层夹套缸，每层每面3个)，总共放置36个，并用支架固定。下层500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器距外层夹套缸的缸底40cm，中层距缸底80cm，上层距缸底120cm。培养装置高1.5m。同一面同一层中两个500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器之间间隔50cm，两侧的500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器距外层夹套缸的侧边缘25cm。

(2)在进行水华蓝藻模拟实验时，设置以下实验组实验：

第一组，在培养装置中仅投入积累了休眠蓝藻的底泥样品及底泥采样点的水体；该组实验作为空白组；具体地，含休眠蓝藻的底泥样品是通过如下方法获得的：用柱状采样器采集底泥样品，将最上层2～5cm泥柱切下，放入平皿中保持其表面完整带回实验室，同时取采样点水样带回实验室。保持底泥表面完整，注意避免搅动底泥表面，放入铺满培养装置底部(底泥样品厚5～10cm)。沿容器内壁缓慢加入预先经过whatmangf/c滤纸(φ1.2μm)过滤除藻的原水体水样(过滤后的水样可以保证模拟实验开始前水体中无蓝藻)，水体控制在1.3m内。

第二组，在培养装置中投入积累了休眠蓝藻的底泥样品及底泥采样点的水体，并施加一定量的硝酸钾、磷酸二氢钾等营养盐进行实验，加入硝酸钾和磷酸二氢钾的量使水体中氮：磷的摩尔比为1～40:1为宜；该组实验用于测试不同氮磷比在水华蓝藻爆发过程中的影响；

第三组，在培养装置中投入积累了休眠蓝藻的底泥样品及底泥采样点的水体，然后通过开启日光灯的数量设置不同的光照强度进行实验；该组实验用于测试光照强度在水华蓝藻爆发过程中的影响；

第四组，在培养装置中投入积累了休眠蓝藻的底泥样品及底泥采样点的水体，然后设置不同循环水的温度进行实验；该组实验用于测试温度在水华蓝藻爆发过程中的影响；

第五组，在培养装置中投入积累了休眠蓝藻的底泥样品及底泥采样点的水体，设置不同的风力和风向进行实验；该组实验用于测试风力和风向在水华蓝藻爆发过程中的影响。

(3)水华蓝藻模拟实验的具体测试方法如下：

采用500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器监控水华蓝藻的爆发过程，在蓝藻开始聚集上浮前每隔1小时拍摄一次蓝藻生长图像；在蓝藻开始从底泥中释放、聚集上浮时每隔5-10分钟拍摄一次蓝藻生长图像，具体时间间隔可视实验情况而定。24小时时时监控水华蓝藻爆发情况，并分层拍摄蓝藻上浮图像。

将电脑处理器与500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器连接使用，500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器拍摄的图像信息传递给电脑处理器，电脑处理器进行接收和处理，具体如下：

第一步，采用500万像素彩色cmos逐行扫描图像传感器采集培养装置内位于不同水体层的蓝藻在不同时间点的生长图像，并传送至电脑处理器；

第二步，利用电脑处理器中的明美显微数码成像系统v9.5.2对生长图像行除噪、校正等预处理；

第三步，利用电脑处理器中的明美显微数码成像系统v9.5.2对预处理后的生长图像中的蓝藻絮凝体进行分析测量，得到不同时间点各水体层中的蓝藻絮凝体的特征参数，特征参数为蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l，上述特征参数用以计算分形维数。

第四步，根据第三步获得的蓝藻絮凝体的特征参数按照预算法计算水华爆发过程中位于同一水体层的同一图像采集时间点的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3；

预算法具体如下：

首先，位于同一水体层的同一图像采集时间点的蓝藻絮凝体的投影面积a、最大周长p以及最大长度l与位于该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3存在如式(1)～(3)所示的关系：

p∝l^d1(1)；

a∝l^d2或a∝p^d2(2)；

v∝l^d3或v∝p^d3(3)；

其中，v代表所述蓝藻絮凝体的成球体积，由所述蓝藻絮凝体的投影面积a换算得到，具体计算方法如下：由蓝藻絮凝体的投影面积a求得与投影面积a等面积的圆的直径dp(即当量直径)，再由直径dp计算出所述蓝藻絮凝体成球体积v；

然后，将式(1)、(2)、(3)两边取自然对数，得到如式(4)～(6)所述的关系式：

lnp＝d1·lnl+a(4)；

lna＝d2·lnp+b＝d2·lnl+b(5)；

lnv＝d3·lnp+c＝d3·lnl+c(6)；

之后，用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lnp与lnl值作lnp-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的一维分形维数d1，截距为常数a；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lna与lnp或lna与lnl值作lna-lnp或lna-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的二维分形维数d2，截距为常数b；

用位于同一水体层的同一图像采集时间点的各个所述蓝藻絮凝体对应的lnv与lnp或lnv与lnl值作lnv-lnp或lnv-lnl直线关系图，其中，直线的斜率为该水体层的该图像采集时间点的所述蓝藻絮凝体的三维分形维数d3，截距为常数c。

第五步，首先，采用明美显微数码成像系统v5.1对将同一图像采集时间点采集的位于同一水体层且位于同一侧壁面上的图像进行拼接处理，再采用matlab或sufer等软件将四个侧壁面上分别形成的拼接图像进行叠加处理，从而得到每个水体层的各个图像采集时间点的拼接叠加图；然后，按照图像采集时间的先后顺序将各水体层的所述拼接叠加图制作成不同时间维度上模拟蓝藻水华爆发过程的三维演示动画。

(5)结论：

①本发明的方法可以清晰地了解到不同外部影响因素下，蓝藻水华爆发过程中蓝藻絮凝体形成的整个过程，由于每种蓝藻都有其最适的n/p、水温、光强及风速，所以可以通过本发明的系统及方法确定其爆发形成水华的最适影响因子。采用预算法可计算出不同图像采集时间点的同一水体层的蓝藻絮凝体的一维分形维数d1、二维分形维数d2以及三维分形维数d3，得到的不同时间点的分形维数可用于建立水华蓝藻爆发过程的模型。

②将同一图像采集时间点采集的位于同一水体层的图像采用matlab或sufer等软件进行拼接叠加处理，得到每个水体层的各个图像采集时间点的拼接叠加图；然后，按照图像采集时间的先后顺序将各水体层的所述拼接叠加图制作成不同时间维度上模拟蓝藻水华爆发过程的三维演示动画。