1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 合肥学院，安徽合肥20601
针对目前浮游植物种类鉴别镜检法中存在的相似形态藻细胞难以区分、同粒径杂质干扰大、藻细胞位置难以定位分割等问题，设计了一种浮游植物明场荧光显微同步成像系统。系统使用高分辨显微成像光路结构、透射式与落射式结合的照明方式和以分光光路为核心的明场荧光双光路同步成像方法，获取浮游植物显微图像下的明场形态信息和色素荧光信息。利用该系统对绿藻门、蓝藻门、硅藻门等不同门类藻种进行明场图像与荧光图像同步成像测试，实验结果表明：系统成像分辨率达1.5 μm，成像周期时间为707 ms，系统采集的图片中藻细胞纹理清晰，细胞边缘明显，利用系统中的明场图像并结合荧光图像，可有效定位藻细胞位置，降低样品中杂质对藻种鉴别的影响，丰富浮游植物显微图像信息量，为基于浮游植物显微图像的相关研究提供方法参考。
浮游植物 显微成像 荧光成像 双光路成像 phytoplankton microscopy imaging fluorescence imaging double optical path imaging 光学 精密工程
2023, 31(12): 1725
1 燕山大学电气工程学院河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 河北先河环保科技股份有限公司, 河北 石家庄 050000
藻华现象的频繁发生严重影响了海洋环境和人类的生产活动, 因此对水体浮游植物的监测十分重要。 三维荧光光谱被广泛应用于水体浮游植物中藻类的群落组成分析和浓度定量分析, 然而三维荧光光谱数据中的信息冗余给藻类定性定量分析带来了一定的影响。 针对光谱信息冗余问题, 提出了特征区域积分与凸点提取相结合的三维荧光光谱波长选择方法。 以抑食金球藻、 细长聚球藻、 小球藻为研究对象, 采用Savitzky-Golay卷积平滑法对三维荧光光谱进行预处理, 解决了因外界因素造成的光谱噪声问题, 采用马氏距离法剔除三维荧光光谱数据集中的异常光谱样本, 运用浓度残差法剔除三维荧光光谱数据集中的异常浓度值样本, 然后通过偏最小二乘回归模型的内部交叉验证均方根误差衡量不同特征区域下凸点的可靠性进行波长变量的选择。 为验证波长筛选方法的有效性, 对三种藻类建立偏最小二乘回归模型, 以内部交叉验证决定系数(R2)、 内部交叉验证均方根误差(RMSECV)作为模型评价指标。 与全光谱数据建立的回归模型进行了比较, 抑食金球藻、 小球藻、 细长聚球藻的波长变量由全谱的1071个分别减少到77个、 75个、 67个, R2分别提高了0.016 4, 0.002和0.032 4, RMSECV分别降低了1.8×105, 2.0×105, 2.6×105。 与UVE方法相比, 抑食金球藻、 小球藻、 细长聚球藻的波长变量分别减少了599个、 357个、 317个, R2分别提高了0.014 5, 0.000 4和0.012 3, RMSECV分别降低了1.6×105, 7.0×104和1.6×105。 经过该方法进行波长变量选择后, 减少了冗余信息, 提高了模型预测能力。
浮游植物 三维荧光光谱 特征区域 凸点 波长选择 Phytoplankton 3D fluorescence spectroscopy Feature region Convex point extraction Wavelength selection 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3031
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室，安徽 合肥 230031
3 合肥学院，安徽 合肥 230601
4 安徽省合肥生态环境监测中心，安徽 合肥 230088
5 安徽大学，安徽 合肥 230601
通过融合浮游植物藻类细胞显微明场图像和荧光图像对浮游植物进行鉴定可以有效提高浮游植物鉴定的精度，然而在图像采集过程中存在明场图像与荧光图像中藻细胞位置不匹配的问题。为此，本文以刚体变换作为明场图像与荧光图像的空间变换模型，以明场HSV颜色空间S通道二值化图像与荧光灰度二值化图像的归一化互信息作为明场图像与荧光图像的相似度，利用粒子群优化算法对小波五级分解的低频分量进行粗配准，然后将初步配准的平移量和旋转角度作为初始值，利用鲍威尔算法对小波三级分解的低频分量进行配准精度微调。栅藻、羊角月牙藻和念珠藻的实验结果表明：对明场图像与荧光图像进行处理后的归一化互信息具有明显的峰值，可以更好地表征浮游藻细胞明场图像与荧光图像的相似度；将粒子群优化算法与鲍威尔算法结合的多分辨率图像配准方法，对栅藻、羊角月牙藻、念珠藻显微明场图像与荧光图像配准的误配率分别为0、9.4%、6.5%，平均配准时间分别为10.43、27.98、17.02 s，配准后的归一化互信息分别为0.673、0.495、0.631。研究结果验证了所提方法在配准精度、运行时间等方面的优势，为融合显微荧光图像和明场图像进行浮游植物鉴定奠定了基础。
生物光学 浮游植物 明场图像 荧光图像 图像配准 互信息 中国激光
2022, 49(24): 2407202
1 南京信息工程大学海洋科学学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京 100101
3 自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012
4 浙江海洋大学水产学院，浙江 舟山 316022
针对浮游植物的总叶绿素a和7种诊断色素（叶绿素b、岩藻黄素、多甲藻素、19-己酰基氧化盐藻黄素、19-丁酰基氧化盐藻黄素、别藻黄素和玉米黄素），基于现场多波段激发荧光光谱数据，通过构建激发荧光光谱特征表征量，利用极限梯度提升（XGBoost）机器学习算法，建立了浮游植物色素浓度的反演模型。验证结果表明，反演模型具有良好的估算精度，其中总叶绿素a的反演模型精度最高（决定系数为0.87，平均绝对相对百分比误差为28.1%，均方根误差为1.168 mg·m-3）。将建立的色素反演模型应用于东海典型断面处，成功获取了色素浓度的垂向分布特征。
光谱学 激发荧光光谱 浮游植物色素浓度 反演模型 XGBoost机器学习算法 光学学报
2022, 42(18): 1830002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
浮游植物初级生产作为海洋生态系统的重要起点, 是海洋食物网的基础, 是衡量海水质量的重要指标。 为了准确测量、 监测和预测浮游植物初级生产力的时空变化及其对外部环境条件的动力学响应, 研究了一种基于叶绿素荧光动力学的测量技术, 研制出响应时间为1.6 min、 精度为4.86%的快速测量仪器。 仪器测得的浮游植物初级生产力与液相氧电极法测得的光合放氧速率的相关系数为0.991。 该仪器装备在中国海监101号实验船上, 用于黄渤海浮游植物初级生产力在线测量和垂直剖面测量。 测量结果表明, 渤海湾内的浮游植物初级生产力是湾外的1.1~1.4倍, 垂直剖面测量结果显示黄海区域各点位的浮游植物初级生产力的均与深度相关。 与传统方法相比, 所研制的仪器具有快速、 稳定、 无需样品培养等优点, 可为海洋生态环境评价提供先进的技术方法。
浮游植物 荧光动力学 光合荧光参数 初级生产力 快速测量 Phytoplankton Fluorescence kinetics Photosynthetic fluorescence parameters Primary productivity Fast measurement
1 河海大学自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室, 江苏 南京 210098
2 河海大学海洋学院, 江苏 南京 210098
3 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室, 广东 广州 510301
4 中国科学院南海海洋研究所中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室, 广东 广州 510301
基于南海海区2006年至2015年8个航次调查数据,采用导数光谱分析方法研究了浮游植物光谱吸收系数与南海典型色素浓度之间的相关特征,进一步建立了用于色素浓度估算的偏最小二乘回归模型(简称PLS回归模型)。研究结果表明:浮游植物吸收系数的导数光谱变化特征可用于关键色素浓度的定量估算,基于二阶导数光谱估算的结果稍优于四阶导数光谱;模型对总叶绿素a(TChl a)、光合有效类胡萝卜素(PSC)、岩藻黄素(Fuco)、19'-丁酰基氧化岩藻黄素(19But)、19'-乙酰基氧化岩藻黄素(19Hex)、硅甲藻黄素(Diadino)等表现出较高的精度,预测值与实测值之间的线性相关性较强,但对于光保护类胡萝卜素(PPC)和玉米黄素(Zea)的估算精度相对较低。与基于总叶绿素a浓度的经验模型相比,基于导数光谱的PLS回归模型对于PSC,Fuco,19Hex,Diadino等色素的估算效果相当,而对于19But,PPC,Zea等表现出一定的优势。不同种类色素浓度与吸收系数导数光谱之间的内在联系可能是造成不同色素估算精度差异的重要因素。建立的基于浮游植物吸收系数的导数光谱定量提取色素浓度的方法,可为深入细致研究浮游植物种群结构的高光谱水色卫星遥感提供参考。
海洋光学 吸收系数 浮游植物色素 导数光谱 高光谱 南海
1 南京信息工程大学海洋科学学院, 江苏 南京 210044
2 江苏省海洋动力遥感与声学重点实验室, 江苏 南京 210044
3 江苏省海洋环境探测工程技术研究中心, 江苏 南京 210044
浮游植物比吸收系数是关联浮游植物生物量与吸收光谱的重要参数。对浮游植物种群比吸收系数的量化分析,可弥补黄渤海浮游植物种群比吸收光谱研究的不足,为监测浮游植物种群浓度提供新思路。结合2016年6月黄渤海航次的浮游植物吸收系数与色素浓度数据,利用CHEMTAX软件分析得到黄渤海8个优势藻种的浓度。运用留一法,对吸收系数与藻种浓度数据进行多元线性回归分析,提取各藻类比吸收光谱,重建总吸收光谱。结果显示,模型反演效果较好,重构的吸收光谱与实测光谱在蓝、红光波段具有较高的一致性。此外,分析优势藻种对浮游植物吸收系数的贡献时,发现在所有优势藻种中,定鞭藻对浮游植物的吸收贡献最大,蓝藻次之。
海洋光学 浮游植物比吸收系数 线性分解模型 种群浓度 黄渤海
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
3 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
4 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
快速、准确评估浮游植物的初级生产力对研究海洋生态环境科学及理解全球碳循环演变规律等至关重要。针对
14C示踪法和黑白瓶法等传统方法表示的初级生产力存在测量周期长、操作繁琐等问题,依据生物膜能流理论,基于荧光动力学方法,即通过光源诱导产生可变叶绿素荧光获得光合参数,结合光合电子传递速率“生物-光学”模型,对基于荧光动力学参数的光合电子传递速率的测量进行研究。通过不同胁迫条件下蛋白核小球藻的测试,对比液相氧电极测量的光合放氧速率,验证光合电子传递速率测量浮游植物初级生产力的有效性。结果表明:在不同浓度的二氯苯基二甲脲的胁迫下,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率具有良好的一致性,且二者随胁迫浓度增加而减小明显,光合放氧速率与光合电子传递速率分别减小了71.55%和68.87%,二者相关系数的平方达到0.934;在不同营养盐或光照强度下胁迫培养15 d,浮游植物的光合电子传递速率与光合放氧速率仍然具有良好的一致性,二者相关系数的平方大于0.955。
生物光学 光合电子传递速率 初级生产力 浮游植物 光合放氧速率 光学学报
2018, 38(11): 1126001
中国科学院 南海海洋研究所 热带海洋环境国家重点实验, 广东 广州 510301
浮游植物粒级通常采用采集水样的分级叶绿素法来测定, 比较费时且难以实现剖面连续测量。本文提出了一种基于测定海水光吸收来反演浮游植物粒级结构的原位测量系统。该测量系统硬件主要由高稳定光源、光学窗口、样品管、光纤高精度微型光谱仪、数据采集系统等组成。测量数据基于遗传算法来分析浮游植物粒级结构。海上初步试验结果表明, 该仪器能够测定水下300 m之内的浮游植物粒级结构, 实现1 m剖面分辨率的连续测量, 尤其适用于分析50~80 m深度叶绿素最大值层的浮游植物粒级结构变化, 在未来海洋浮游植物粒级结构测定中有良好的应用前景。
浮游植物粒级结构 原位测量 海水光吸收 光谱分析 phytoplankton size class in situ measurement light absorption of seawater spectral analysis
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 桂林电子科技大学计算机与信息安全学院, 广西 桂林 541004
5 合肥学院电子工程系, 安徽 合肥 230601
浮游植物有效光合反应中心浓度与其生长环境、生理状态密切相关,文中以生物膜能流理论为基础,基于初始荧光效率(F0)和功能吸收截面(σPSII)的荧光动力学参数研究了浮游植物有效光合反应中心浓度分析方法。利用该方法对不同生长条件下的蛋白核小球藻进行了测试,结果表明:正常生理状态下,荧光动力学参数法与同化系数法分析结果具有良好的一致性,相关系数R2达到0.999;非正常生理状态下,荧光动力学参数法较同化系数法更能准确反映浮游植物光合活性(Fv/Fm)和光合单元尺寸(nPSII)引起的有效光合反应中心浓度的变化;在短期胁迫条件下,荧光动力学参数法分析结果与Fv/Fm相关系数R2可达0.920;在长期光照胁迫条件下的分析结果也能反映光照变化引起的浮游植物nPSII变化信息,且与已有研究成果相符。研究结果为浮游植物有效光合反应中心浓度的准确测量提供了一种新方法。
生物光学 浮游植物 荧光动力学参数 有效光合反应中心浓度 生物能量流理论
