基于熒光機理的海藻識別方法與實驗研究.pdf

1、熒光法是現(xiàn)代測量領(lǐng)域的研究熱點之一。它通過測量物質(zhì)的特征熒光光譜特性來鑒別被測物質(zhì)的種類和濃度，在海洋環(huán)境監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。海水中的浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中最主要的初級生產(chǎn)者和能量的主要轉(zhuǎn)換者，海藻是主要的海洋浮游植物，對海洋中海藻進行識別，可以估測海區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)，實現(xiàn)海洋的監(jiān)測和綜合治理。 本文在對國內(nèi)外海藻狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析與綜合的基礎(chǔ)上，對具有代表性的綠藻門的扁藻、小球藻、鹽藻，硅

2、藻門的角毛藻、小新月藻，金藻門的叉鞭金藻等六種海藻的熒光光譜分析，提出基于海藻色素含量的熒光光譜的比值分析法、熒光總量法；基于海藻超微結(jié)構(gòu)差異的二階導(dǎo)數(shù)法、模糊聚類分析法；根據(jù)單一海藻和混合海藻的二階導(dǎo)數(shù)的統(tǒng)計特性，提出混合海藻熒光的多元線性回歸模型。為海洋污染的監(jiān)測和治理以及估測海水中浮游植物的種類，提供了一種新的識別手段。本文主要進行以下的研究工作： (1)從熒光測量的基本原理出發(fā)，研究海藻熒光檢測機理，為不同門類海藻識別提

3、供方法與實驗基礎(chǔ)。 (2)實驗研究不同種類、不同濃度海藻溶液的吸收光譜、激發(fā)光譜、熒光光譜特性，確定了用于海藻種類識別的最佳激發(fā)波長和熒光檢測波長。 (3)采用小波分析方法對熒光發(fā)射光譜、熒光激發(fā)光譜去噪，使光譜信號的失真小、有用信號的衰減小，提高光譜信號的信噪比和光滑性。 (4)研究了色素特征激發(fā)光激發(fā)的海藻熒光發(fā)射光譜的比值、440nm激發(fā)光激發(fā)的熒光發(fā)射光譜的二階導(dǎo)數(shù)、熒光總量等單一海藻的特征提取方法，并提

4、出以單一海藻的熒光激發(fā)光譜二階導(dǎo)數(shù)谷點為特征點的模糊聚類分析法，分析了單一海藻的聚類問題。 (5)依據(jù)單一海藻和混合海藻熒光激發(fā)光譜的二階導(dǎo)數(shù)統(tǒng)計特點，研究了海藻熒光激發(fā)光譜的二階導(dǎo)數(shù)峰值點、谷點為特征的多元線性回歸模型，分析出混合海藻的海藻組分。 (6)對六種不同門類的單一海藻和它們的混合物進行識別實驗，驗證了所建立的特征提取方法和識別模型的合理性。 本研究的主要創(chuàng)新點在于將熒光法與比值光譜分析、熒光總量分析、

5、模糊聚類分析模式識別算法等相結(jié)合，降低了識別算法的復(fù)雜程度，為識別系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了實用的設(shè)計方案；以線性疊加模型為基礎(chǔ)對混合海藻進行多元線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)了混合海藻的熒光激發(fā)光譜滿足線性疊加特性。實驗研究進一步驗證了單一海藻與混合海藻的二階導(dǎo)數(shù)熒光法發(fā)射光譜和超微結(jié)構(gòu)上的強相關(guān)性。 將本文研究的上述幾種識別方法，應(yīng)用于熒光海藻監(jiān)測系統(tǒng)，可以對幾種不同門類單一海藻和混合海藻的海藻組分進行識別，為海藻監(jiān)測提供了一種新穎的技術(shù)手段。