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。

海洋是地球生态环境的重要一环, 但人类对海洋资源的勘探和开采容易对其造成严重破坏, 如油气开采过程造成的大面积溢油、污染和赤潮爆发等。高光谱成像技术可以同时获取图像信息与高分辨光谱信息, 在海洋原位探测上具有重大应用。文中综述了小型高光谱图谱仪与激光雷达及其在海洋应用上的部分近期工作。小型高光谱图谱仪结合荧光技术, 实现了溢油种类的分类和油膜厚度的估计。多模式高光谱海洋原位探测系统可以工作于普通反射或透射成像、望远成像、显微成像三种模式, 实现了海洋不同藻类及鱼类传染病载体孢囊的高光谱探测。高光谱技术结合激光雷达技术在溢油、赤潮等海洋污染物监测方面具有很大潜力。非弹性高光谱沙姆激光雷达系统通过油品的荧光光谱实现了海洋溢油油品的遥测鉴别。形貌沙姆激光雷达系统基于二维沙姆成像原理, 通过空气-水界面折射矫正, 成功的对人体、贝壳、珊瑚等进行了三维形貌重构, 近处恢复精度可达毫米级, 表面纹路清晰可见, 为海洋监测应用提供了新的技术支持。

本文将海洋生态灾害定义为局部海域一种或少数几种海洋生物数量过度增多引起的海洋生态异常现象, 包括赤潮、绿潮、水母旺发和外来种入侵等, 根据相关研究及调查资料, 探讨了北海区赤潮、绿潮、水母、外来生物入侵等生态灾害发生特点及趋势。结果表明, 北海区赤潮和绿潮灾害频发, 影响面积较大, 渤海北部秦皇岛附近海域赤潮灾害严重, 黄海西部山东半岛近岸海域浒苔绿潮灾害严重; 水母灾害呈上升趋势, 对人体健康威胁较大, 北海区滨海城市都曾发生过水母蛰伤致死案例; 黄河三角洲区域米草和泥螺入侵扩展速度较快。面对这些海洋生态灾害巨大威胁, 北海区亟需加强海洋生态灾害防控研究。

利用三维荧光光谱(EEMs)技术测定了实验室培养的分属5个门13个属的17种中国近海常见赤潮藻的荧光性质， 通过db7二维小波变换提取赤潮藻三维荧光光谱的特征参量， 采用系统聚类法构建荧光特征标准谱库， 并利用多元线性回归辅以粒子群算法进行参数估计建立识别技术， 实现了赤潮藻在门、 属水平上的识别测定。 测定样品中： 赤潮藻纯种培养体在门、 属水平上的平均识别正确率分别为96.1%和73.6%； 对于优势度分别为60%， 75%， 80%， 90%的赤潮藻模拟混合样品， 优势藻在门水平上的平均识别正确率分别为86.7%， 96.9%， 98.7%， 99.4%， 识别相对含量分别为62.6%， 72.7%， 76.0%， 81.6%； 优势藻在属水平上的平均识别正确率分别为51.0%， 68.9%， 72.0%， 78.8%； 对于优势度达75%的赤潮藻实际混合样品， 优势藻在门、 属水平上的平均识别正确率分别为99.4%和75.9%。 将所建技术用于围隔实验水样和现场调查采集水样进行分析， 有效实现了浮游藻群落组成的识别测定， 尤其是硅藻和甲藻的分类识别。

针对海洋赤潮的实时监测和预报，提出了一种通过检测海水中布里渊散射回波信号，获取海洋赤潮水体温度和盐度分布信息的双参数检测技术。通过分析布里渊散射理论，建立基于机载蓝绿激光雷达的布里渊散射信号频移量和布里渊散射信号能量与海水温度和盐度的关系模型。通过仿真计算，可由海水中的蓝绿激光布里渊散射回波信号的频移量和能量，分别得出海表及海水50 m深度以内温度和盐度的分布情况，从而可以实现海水温度和盐度的双参数实时获取，为实时判断海洋赤潮的消长过程提供理论依据。

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高，引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质（IOP）的变化，并导致水体表观光学性质（AOP）的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测，基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据，发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ)，结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算，然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验，该方法估算a(675)，aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%，34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析，本方法的优势在于反演精度较高，所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。

基于Mie散射理论， 利用一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体吸收光谱数据， 反演了藻细胞的折射率虚部， 开展了细胞平均吸收效率因子(Ｑａ)、 后向散射效率因子(Ｑｂｂ)和散射相函数的光谱模拟与分析。 研究发现： （1）均匀球模型（Mie理论）能较好地重现聚生角毛藻的吸收光谱特征， Ｑａ平均相对误差在11%以内。 （2）Ｑｂｂ受吸收影响， 这一方面体现于Ｑｂｂ在400～700 nm波段的光谱变化， 即吸收极大值的波长处Ｑｂｂ取极小值； 也体现在整个赤潮生消过程中， 赤潮爆发前Ｑｂｂ大， 赤潮爆发后Ｑｂｂ变小。 （3）总散射与粒径参数(表征粒径相对于波长的大小)成正比， 受吸收的影响小； 总散射与角度散射强度反比于波长。

在珠江口海域海洋光学浮标实验中获取一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体光学数据和相应的生化数据。利用该数据，分析了赤潮生消过程中水体光谱吸收和后向散射等光学性质的时间序列变化。研究发现，在赤潮生消过程中，浮游植物色素、非藻类颗粒物以及黄色物质等水体组分吸收变化显著，赤潮爆发期各组分光谱吸收增强并达到最大值，赤潮消亡期各组分光谱吸收降低并至最小值；赤潮爆发期与赤潮发展和消亡期相比，浮游植物的光谱吸收贡献增加约16%，黄色物质的吸收贡献减小约18%，而非藻类颗粒物的吸收贡献变化不大；赤潮爆发期后向散射系数明显增大，日变化幅度大，赤潮发展期和赤潮消亡期后向散射系数较小，赤潮消亡期后向散射系数降至最低；颗粒物后向散射系数与叶绿素a浓度的相关性优于悬浮物浓度。有机颗粒物浓度虽然在总颗粒物浓度中占主导地位，但是颗粒物后向散射与无机颗粒物的相关性更高。

赤潮监测对于赤潮治理、　预防, 　减少赤潮危害有着重要作用。 通过分析东海赤潮多发区域实测遥感反射率曲线, 比较赤潮水体与非赤潮水体的光谱特性差异, 发展了一种针对MODIS传感器的赤潮水体分布信息遥感提取方法。 应用实测资料对提取方法进行验证, 发现在119组实测数据中, 只有一组不能正确识别。 将算法应用于MODIS卫星资料, 对2005年4月4日东海部分海区进行赤潮水体信息提取, 得到三个区域总面积约2000 km2的赤潮水体分布信息, 赤潮水体提取结果与遥感提取的叶绿素a浓度有很好的对应关系, 与实际观测记录对照大体吻合良好。 研究表明本文的算法可有效地排除悬浮泥沙水体等干扰影响, 确定可能发生赤潮的海区位置及提取海区大范围赤潮水体分布的信息。