基于陸基高光譜遙感系統的藻類(lèi)水華監測研究取得進(jìn)展
在氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)雙重作用的影響下，藻類(lèi)水華頻發(fā)且呈現全球加劇態(tài)勢，嚴重威脅經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展和人類(lèi)健康。由于藻類(lèi)水華生消過(guò)程快，實(shí)時(shí)精準的監測是藻類(lèi)水華預測、預警和有效管控的關(guān)鍵。目前藻類(lèi)水華監測主要包括現場(chǎng)觀(guān)測、水下自動(dòng)監測和衛星遙感反演等三種方式?，F場(chǎng)觀(guān)測費時(shí)費力，且無(wú)法在時(shí)間和空間上連續監測；水下自動(dòng)監測探頭易受到水中物質(zhì)侵蝕，且維護費用高昂；衛星遙感的時(shí)間分辨率低且受大氣影響較大。
對此，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所張運林研究員團隊聯(lián)合南京中科深瞳科技研究院有限公司、杭州?？低晹底旨夹g(shù)股份有限公司，基于水色遙感原理，研發(fā)了一款陸基高光譜遙感監測儀及原位高頻在線(xiàn)監測系統，實(shí)現了藻類(lèi)水華連續、精準、實(shí)時(shí)監測，有效彌補了現有方法的不足。
圖1 陸基遙感系統的原理和結構示意圖
該系統主要由高光譜測量?jì)x器、數據處理平臺和遠程訪(fǎng)問(wèn)控制、顯示和存儲平臺等三部分組成（圖1）。高光譜測量?jì)x測定的水體光譜反射率信號，通過(guò)嵌入AI芯片處理器（數據處理平臺）的反演算法，轉化為葉綠素a信息。光譜反射率和葉綠素a數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設備進(jìn)行遠程訪(fǎng)問(wèn)控制、顯示和存儲。通過(guò)系統評估近幾十年來(lái)應用最廣泛的三種葉綠素a遙感反演的經(jīng)驗算法、半分析算法以及機器學(xué)習算法等，遴選了建模和驗證精度最高的反演模型作為陸基遙感系統葉綠素a提取的主要模型（圖2）。
圖2 陸基高光譜遙感監測系統機器學(xué)習算法檢驗與校正精度結果
架設在太湖的陸基高光譜遙感監測系統清晰捕捉到2021年8月發(fā)生的兩次藻類(lèi)水華形成過(guò)程（圖3）。除了藻類(lèi)水華以外，陸基遙感系統亦可同步監測水體透明度、懸浮物、總氮、總磷、高錳酸鹽指數、營(yíng)養狀態(tài)指數、藻密度等多個(gè)水生態(tài)環(huán)境參數，可為藻類(lèi)水華發(fā)生機理研究提供精細化觀(guān)測和科學(xué)證據。該觀(guān)測系統主要有以下優(yōu)勢：（1）低成本、環(huán)保的方式實(shí)時(shí)、連續地提供藻類(lèi)水華的高頻數據；（2）水體信號不受大氣影響，不需要進(jìn)行復雜的大氣校正；（3）適用于中小型河流、湖泊的藻類(lèi)水華動(dòng)態(tài)監測；（4）嵌入的AI芯片支持算法快速替換和升級以及遠程控制和數據訪(fǎng)問(wèn)。目前該系統已廣泛應用于廣東、四川、江蘇、浙江、北京等數十個(gè)重要水體的水質(zhì)監測。
圖3 陸基遙感系統捕捉到的兩次浮游植物水華和對應的現場(chǎng)照片
相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權威期刊Journal of Hazardous Materials，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所施坤研究員為論文通訊作者，王瑋佳博士為第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中國科學(xué)院科學(xué)儀器研發(fā)項目、南京地理湖泊研究所青年科學(xué)家小組等項目的聯(lián)合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129623