赤潮是一种由海洋藻类引发的水质污染, 部分赤潮藻有毒性, 对海洋渔业发展有严重危害。 快速、 准确地鉴定赤潮藻种及其细胞浓度对污染的控制和治理具有重要意义。 传统的显微镜检测和基因测序等方法时效性低, 遥感检测易受到环境干扰导致精度低, 荧光光谱检测因设备昂贵无法大范围推广, 高光谱成像(HSI)技术为赤潮藻种提供了一种快速、 无损的检测方法。 搭建了HSI检测系统, 针对福建地区常见的甲藻(强壮前沟藻)、 硅藻(中肋骨条藻和三角褐指藻)和针胞藻(赤潮异湾藻)构建了大量高光谱样本库, 分别采用2种分类方法和3种回归方法建立藻种鉴别和细胞浓度测量模型, 并比较了7种光谱预处理(标准化、 归一化、 多元散射校正、 变量标准化、 Savitzky-Golay平滑、 基于SG的一阶导数、 基于SG的二阶导数)和2种波段提取方法(遗传算法和连续投影算法)对建模精度的影响。 结果表明： 基于SG的二阶导数(SG+2nd)预处理方法可以提高波段筛选和建模的准确率, 遗传算法(GA)所提取特征波段更具代表性和有效性。 SG+2nd-GA组合所提取特征波段(644.7、 547.8、 562.6、 829.4、 832 nm)与所选藻类中特定色素的吸收光谱波段相对应, 再结合支持向量机(SVM)或反向传播神经网络(BPNN)建模实现了利用高光谱成像技术有效鉴别强壮前沟藻、 赤潮异湾藻、 中肋骨条藻、 三角褐指藻。 在细胞浓度测量中, 支持向量回归(SVR)建模效果优于多元线性回归(MLR)和偏最小二乘算法(PLS), 四种藻SG+2nd-GA-SVR细胞浓度预测模型的决定系数(R2)均大于0.98。 其中强壮前沟藻和中肋骨条藻模型浓度预测范围分别在1.05×103~1.05×104和1.13×104~2.38×105 cells·mL-1, 最低测量浓度达到该藻种发生赤潮时的基准浓度。 三角褐指藻模型浓度预测范围为1.06×105~4.36×106 cells·mL-1, 最低测量浓度低于现有光谱技术对其测量的浓度。 本研究为快速、 准确、 无损探测赤潮提供了新方法。

城市景观河道由于接纳了不同来源的废水造成水体富营养化, 因此在夏季经常暴发藻华。 藻华暴发改变了水体中DOM的性状, 进而影响到水体中污染物的迁移转化行为。 本研究以天津市海河干流为例, 采集藻华暴发前后水体样品, 研究城市景观河道中藻华暴发对水体中DOM的影响。 结果表明: 藻华暴发后, 水体中DOM的含量从26.47 mg·L-1增加到38.20 mg·L-1, 水体中的TN, NH+4-N和TON的含量也分别为暴发前的3.1倍、 2.5倍和4.2倍, 但是TP和NO-3-N的含量保持稳定。 C/N比值从18.51降低到6.39, 而N/P比值则从5.69增加到20.10。 藻华暴发使得DOM的来源从以陆源为主转变为以内源为主, 水体也表现出一个逐步向磷限制转变的过程。 三维荧光图谱结果显示藻华暴发后, DOM的成分从较为复杂的多种来源的有机质转变为藻类为主的有机质, 而紫外特征光谱结果表明藻华暴发后DOM分子结构也从简单转变为复杂, 但是水体中的腐殖质物质的含量有所下降, 而类蛋白物质的含量出现了上升。 利用超滤装置研究藻华暴发前后水体中不同分子量的DOM特征后发现, 藻华暴发前后水体中DOM都主要以小分子的DOM为主, 分子量小于10 kD的DOM占到了总的DOM的80%以上, 随着分子量的增大, 三维荧光特征峰强度都出现了升高趋势, 而紫外特征吸收光谱也表明大分子量的DOM中可能含有更多的芳香族化合物。 研究结果表明, 在研究城市景观河道水体富营养化过程中要注意DOM在其中的作用, 尤其是当外源污染物得到控制时, 要充分考虑DOM降解对富营养化的贡献。

受水体富营养化的影响, 藻华暴发已成为目前我国湖泊和水库面临的主要环境问题之一。 针对藻华水体的动态监测, 特别是提前预警技术的研究对于内陆水体的污染防控具有重要意义。 该文结合高光谱实验数据, 综合运用指数法和遥感影像假彩色合成法, 建立了基于MODIS数据的太湖藻华水体遥感信息提取模型, 并在此基础上, 对2007年3～5月间太湖藻华形成过程进行了遥感实时动态监测研究。 通过对春夏季节蓝藻水华的空间分布特征和藻华不同形成阶段的特征分析, 提出了太湖藻华水体预警的技术方法, 即当MODIS水体绿度指数GI集中分布于0.6～0.8区间时, 可认为太湖水域已进入蓝藻水华大规模暴发前的预警阶段。