高叶绿素水体荧光峰位置变化响应关系研究

水体反射光谱红光区荧光峰是叶绿素特有的光谱特征,研究其位置变化与叶绿素的响应关系有助于内陆水体叶绿素含量的定量反演。通过2004～2006年13次长春南湖水体反射光谱和水质参数实测数据,分析了不同光谱分辨率下荧光峰位置变化与叶绿素a含量的响应关系,结果表明,两者呈现指数函数关系,即Peak position=a(Chl-a)b,不同光谱分辨率下,a在686.11～686.29,b在0.006 2～0.006 5间变化,且光谱分辨率越高,响应关系越好;荧光峰平均波长位置与叶绿素平均含量高度相关(R2>0.81),荧光峰位置变化适合用于反演叶绿素含量分布较为均匀的水体。这为今后利用成像光谱仪监测内陆水体叶绿素含量提供了实验和工作基础。     

水体红波段反射光谱对叶绿素浓度变化的响应

在不考虑叶绿素荧光效应的前提下,基于水体光学活性因子藻类叶绿素、有色可溶性有机物及非藻类颗粒物的吸收和后向散射系数,根据前向辐射传输模型模拟水面以上遥感反射率,分析了藻类叶绿素红光峰强度和波长位置随浓度的变化规律。结果发现：叶绿素浓度为1～50 μg·L-1时,红光峰强度和叶绿素浓度呈较好的线性关系,随叶绿素浓度的增加,线性关系越来越不明显。当叶绿素浓度为1～1 000 μg·L-1时,则呈现较好的对数关系;随叶绿素浓度的增加,红波段反射峰波长位置按对数规律逐渐向长波方向移动,不同水色组分的水体,其叶绿素在红波段的光谱反射特性随浓度的变化规律是一致的;此外,对比研究显示红波段反射峰特征不同于荧光光谱。     

基于定量遥感反演的内陆水体藻类监测

叶绿素作为衡量湖泊富营养化的重要指标,利用遥感技术对其进行实时动态监测具有重要意义。以太湖为例,通过对水体实测光谱和水质采样数据的分析,建立了光谱反射率比值与叶绿素a浓度的回归模型。结果显示,700 nm附近波段与625 nm附近波段所构建的比值模型R2最高,710 nm以后波段与其他可见光波段所构建的比值模型的R2会随可见光波长的增大而逐渐下降。在高光谱遥感估算模型的基础上,应用同步MODIS卫星遥感数据进行了太湖叶绿素a浓度的空间分布反演,并基于MODIS绿度指数建立了太湖藻华水体信息提取模型,从叶绿素a浓度估算和藻华信息提取两个方面实现了太湖藻类空间分布特征的定量反演,为太湖等大型内陆水体藻类的实时定量遥感监测提供了新的研究思路。     

特征荧光光谱法定量检测水质的研究

讨论了一种可同时检测自然水体中有机物和叶绿素a含量的快速分析方法。以武汉东湖水为样品,采用激光诱导荧光(LIF)的方法测量了水体的总荧光光谱(TLS);并用特征光谱荧光标记(SFS)技术对水体中溶解的有机物(DOM)及叶绿素a (Chl-a)的荧光光谱特征进行了分析和指认。并利用水的拉曼散射信号强度进行归一化的方法,分别得到较低浓度腐殖酸和叶绿素a的特征光谱归一化荧光强度以及它们在水体中浓度的标定曲线和线性关系式。另外, 对于较高浓度的腐殖酸溶液,确定了其特征光谱的荧光强度与浓度之间满足的函数关系。结果表明,在一定的浓度范围内,特征光谱的荧光强度与浓度之间仍然有很好的线性关系。该方法在自然水体质量的检测方面有广泛的应用前景,它能快速识别水体中的污染物,定量测量它们在水体中的含量,实现对自然水体的质量状况进行大范围的实时动态监测。     

南漪湖叶绿素a浓度荧光反演算法研究

叶绿素a（Chlorophyll-a, Chl-a）浓度是监测浮游植物和水质状况的代表性指标，对湖泊富营养化评价具有重要意义。为了探求南漪湖多时相的Chl-a浓度高光谱特征及反演方法，选取2020年—2021年间南漪湖8次走航式水体实验同步采集的98组高光谱数据和Chl-a浓度数据，分析不同Chl-a浓度条件下南漪湖实测光谱的变化特征，同时考虑水质组分变化和采样时间变化对光谱的影响，提取能反映Chl-a浓度信息的特征波段。然后引入峰谷距离法、荧光基线高度法、峰面积法和基于峰面积法改进的谷上峰面积法共同反演南漪湖Chl-a浓度，并利用5折交叉验证法比较不同反演算法的优劣。研究结果表明：（1）随着Chl-a浓度的增大，荧光峰位置向红外方向移动，Chl-a吸收谷和荧光峰分别有加深和升高的趋势，峰谷差异更加明显，荧光峰附近谱段能够有效反映Chl-a浓度变化；（2）利用5折交叉验证法将样本分为5组，依次作为验证集进行建模，对于不同组别的验证集各方法的RMSE和 MAPE极差平均值分别为0.437 5 μg·L-1和28.27%，可见样本建模集与验证集的选取会显著影响精度评价结果，5折交叉验证的方法可以减小上述误差，在样本范围内最大程度地比较出各方法的优劣；（3）结合Chl-a浓度吸收谷极小值处水平切线提出的谷上峰面积法取得了最优的反演结果，其验证精度分别为R2=0.756 7，RMSE=1.653 1 μg·L-1，MAPE=40.77%，相较于峰谷距离法、荧光基线高度法和峰面积法精度均有提升，为叶绿素a浓度荧光反演提供了新的思路。     

用特征光谱荧光标记技术分析水中溶解有机物特性

讨论了一种自然水体中有机物的快速诊断分析方法。介绍了总荧光光谱(TLS)和特征光谱荧光标记(SFS)技术;以激光诱导荧光(LIF)方法测量了水体的总荧光光谱,利用特征光谱荧光标记技术对水体中溶解有机物(DOM)及叶绿素a(Chla)进行了分析,并给出了不同浓度腐殖酸的归一化荧光强度与浓度的关系曲线．结果表明,利用特征光谱荧光标记技术对水体总荧光光谱的分析,可以进行水体污染物的快速、实时和在线监测。     

一种新的水体叶绿素a指数及其应用潜力分析

以具有代表性的野外实测光谱数据作为端元,对水体遥感反射率进行线性混合光谱分解,基于分解得到的各组分丰度,构建了一种新的水体叶绿素a指数CSI(叶绿素a光谱指数)。以太湖、巢湖、滇池以及三峡水库水体的307组实测叶绿素a浓度及高光谱数据为基础,分析了CSI的特性。以该指数为自变量,构建了内陆浑浊二类水体叶绿素a浓度估算模型,并分析了模型的抗噪性和传感器适应性。结果表明:1)CSI对水体叶绿素a浓度大小有较好的指示作用,以fCSI=0为条件将实测光谱分为2个类别,可以表征光谱特征的明显差异;2)CSI作为自变量的叶绿素a浓度估算模型在实测高光谱数据集中的精度与三波段算法(TBA)相近(二者估算结果的平均相对误差分别为0.332和0.330,均方根误差分别为9.892和9.929);3)以CSI为自变量得到的估算模型对无偏移噪声和有偏移噪声都有较好的抗性,其中无偏移噪声几乎不影响算法的精度,而三波段算法对两种噪声同样敏感,随着噪声增加,估算结果出现较大误差;4)新的估算算法对传感器波段设置不敏感,其优势在宽波段多光谱数据集中更加明显。相比于传统水体叶绿素半经验算法,CSI算法具有更高的稳定性和更强的应用潜力。     

太湖表层悬浮泥沙遥感定量模式研究

二类水体光学活性成分的复杂性导致了水体光学特性的复杂性。通过对太湖区域实测高光谱数据的分析,进一步认识了太湖水体的光谱特性与悬浮泥沙浓度之间的关系： 最大反射峰波长随着悬浮泥沙浓度的增加向短波方向移动,即“蓝移现象”;敏感波段区域的光谱曲线对波长的积分面积与悬浮泥沙浓度之间具有良好的线性关系,近似后的梯形面积模型能较好地反映太湖泥沙浓度状况,并适用于LandSat/TM等多光谱卫星影像数据反演。梯形面积模型的反演,结果表明太湖区域悬浮泥沙浓度主要集中在30～80 mg·L-1之间,分布呈现湖西、湖南和湖心高,湖东低的格局;与实测数据相比较,反演模型相对误差为6.035%。     

基于小波变换的叶绿素荧光光谱测量系统研究

介绍一种基于小波变换的测量海藻中叶绿素a/b的全光纤荧光光谱在线测量系统.根据小波变换具有将频率按大小分解的特性,本系统将其与荧光法、光纤技术相结合用于含叶绿素a/b的藻类荧光光谱的测量、平滑和重叠荧光峰的解析.该系统具有小型化、结构简单、探头无源、所得光谱变形小、多参数同时测量等特点.实验证明,该测量方法是完全可行的.     

水体溶解有机物的激光诱导荧光与浊度的激光散射实验研究

以Nd：YAG的二倍频532 nm激光为激发光源,用激光诱导荧光(LIF)方法对几种不同水体中溶解有机物(DOM)和叶绿素a(Chl-a)的荧光光谱进行了测量和分析;并以水体对532 nm激发光的散射进行了水体浊度特性的研究,给出了散射光强度与浊度的关系曲线;研究结果表明,用此种方法测量水体浊度和污染物浓度可对水体质量进行有效的监测。     

Remote Estimation of the Chlorophyll Concentration of Living Trees Using Laser-induced Fluorescence Imaging Lidar

Monthly variation in chlorophyll concentration of living ginko tree leaves 65 m away from a system was remotely estimated by a laser-induced fluorescence imaging lidar. The combination of a pulsed laser and a short-time gated CCD using an image intensifier made it possible to monitor the weak fluorescence signal from the ginko tree leaves as an image. By applying the experimental idea that a ratio of intensity of the chlorophyll fluorescence at 740 nm to that at 685 nm showed a linear correlation to the chlorophyll concentration, the fluorescence image of the ginko tree obtained by the lidar was converted to the chlorophyll concentration distribution image.     

基于偏振技术的藻类水体散射光中叶绿素荧光分离方法研究

浮游藻类细胞内的叶绿素分子吸收光能后,会以释放能量的形式发射叶绿素荧光。水中颗粒物的弹性散射光是部分偏振光,而叶绿素荧光则是非偏振光,因此利用这一特性可以从总散射光谱中分离出荧光,从而达到反演叶绿素浓度的目的。但对于近岸等复杂水体,该方法能否适用并不清楚,基于此,实验通过测量分别分析了不同无机颗粒物浓度和叶绿素浓度对偏振分离方法的影响。结果表明,对含不同浓度无机颗粒物的藻类水体,分离出的荧光峰会随浓度增加有降低趋势,但是当颗粒物浓度达到300 mg·L-1时,反演结果仍然可靠。对含不同浓度叶绿素的藻类水体,叶绿素浓度越高,偏振方法分离荧光的效果越好,对低浓度正常水体,仍能识别。实验证明了利用偏振方法分离叶绿素荧光对复杂水体仍然有效,对进一步遥感探测近岸水体的叶绿素浓度具有重要意义。     

荧光光谱法研究羟基自由基诱导的酪氨酸氧化

二酪氨酸是酪氨酸氧化的标志性产物.为研究影响羟基自由基诱导酪氨酸氧化的因素,采用同步荧光光谱结合二维相关技术研究羟基自由基诱导酪氨酸氧化的反应过程.结果表明:pH变化时,二酪氨酸的荧光峰位、峰强发生变化.在羟基自由基诱导酪氨酸氧化体系中,随着酪氨酸浓度的增加,二酪氨酸产量升高;随着过氧化氧浓度的增加,二酪氨酸产量降低;...     

橄榄油的聚集荧光猝灭及吸收光谱特性的研究

素有“液体黄金”之称的橄榄油已成为健康食用油的代名词,不仅身价陡增,而且在非产地市场也已成为一种畅销油。在橄榄油检测技术中光谱法与其他技术相比具有快速、无损、无样品处理等优势而备受关注,而不同的光谱检测方法在检测的物质成分上各有侧重,例如红外光谱法侧重于脂肪酸含量的检测、拉曼光谱法侧重于分子的检测、荧光光谱法侧重于光敏物质的检测以及吸收光谱法侧重于光敏物质和不饱和脂肪酸的检测等。荧光及吸收光谱对光敏物质反应极其灵敏,而橄榄油富含叶绿素等光敏物质,因此荧光及吸收光谱成为一种鉴别橄榄油的有效技术手段。叶绿素是一种含有环卟啉结构的有机分子,该类分子结构具有吸光特性,且不同的叶绿素吸收光谱各异,其中绿色植物的叶绿素a含量最多。为深入研究叶绿素的吸收光谱及荧光特性在橄榄油鉴别中的应用,将特级初榨橄榄油中掺入不同比例的玉米油,已达到间接调控橄榄油中叶绿素含量的目的,测量不同掺伪比例橄榄油的荧光及吸收光谱并研究与叶绿素浓度的相关性,以此来研究叶绿素浓度与掺伪量对橄榄油吸收光谱及荧光特性的影响。取10份同批次的特级初榨橄榄油,将其中9份按照等比例稀释,并对10份样品按照掺伪量依次排序;依次采集这10份样品的荧光及吸收光谱,比较叶绿素浓度与掺伪量的相关性及对这两种光谱技术在橄榄油鉴别中的影响。随着叶绿素浓度的上升,荧光强度由弱变强,并在某一时刻后会出现荧光强度急剧减弱的现象,即聚集荧光猝灭。这种现象主要是由于叶绿素的环卟啉分子结构引起的分子间π-π作用,使未被激发的低能分子与高能分子堆叠在一起,能量的辐射跃迁（荧光）也转变为分子间的能量转移（热能交换）。对于吸收光谱,随着叶绿素浓度的上升,吸收光谱的强度也逐渐增强。橄榄油中叶绿素吸收的能量主要去向包括镁电子辐射跃迁产生荧光以及分子间热能交换两部分,而橄榄油的吸收光谱并未出现类似于聚集荧光猝灭的现象,且吸收光谱强度与掺伪浓度间存在近似线性相关的关系。结果表明：当聚集荧光猝灭出现时,叶绿素吸收的能量仍然与浓度呈线性相关,此时高、低能分子堆叠引起的热能交换效率提高。     

基于激光诱导叶绿素荧光寿命成像技术的植物荧光特性研究

针对植物荧光遥感探测中信号易受干扰的问题, 提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的荧光寿命成像技术. 采用凹透镜对355 nm波长的激光扩束, 再照射植物激发叶绿素荧光, 由增强型电荷耦合器件接收荧光信号. 采用时间分辨测量法, 连续用相同激光脉冲照射植物以激发相同的荧光信号, 同时不断改变激光脉冲触发探测器启动的延时时间, 从而能够得到完整的离散荧光信号分布图像. 对植物特定位置点产生的离散荧光信号进行拟合, 再运用一种改进型的迭代解卷积法可反演高精度的荧光寿命; 进而反演图像各点的荧光寿命以生成植物的荧光寿命分布图. 该方法所绘制的荧光寿命图比荧光强度图能更准确地反映植物内部的叶绿素含量, 并对活体植物叶绿素荧光寿命的物理特性进行了初步研究, 证明叶绿素荧光寿命与植物生理状态存在一定关联; 并且叶绿素荧光寿命与活体植物所处环境存在着复杂的关系. 未来将与生物物理学家们合作, 继续探寻叶绿素荧光寿命与植物生存环境的关系.     

农田土壤水分含量的激光诱导荧光光谱表征

通过实验探讨了植物的激光诱导叶绿素荧光光谱与土壤水分间的关系。实验利用Y-形光纤探头获取了植物在450 nm LED光源照射下所发出的叶绿素荧光光谱,同时利用TDR传感器测量土壤湿度。实验以水稻为研究对象,研究了在持续水分胁迫和间歇水分胁迫下,叶绿素荧光光谱743 nm附近波峰的变化,结果发现,波峰强度与土壤水分含量具有相关性。最后,利用Lorentzian方程,将持续水分胁迫下的土壤含水量与叶绿素荧光强度进行建模,发现所建的模型具有较高的决定系数,说明该方法可以应用于农业生产中对土壤水分的测量。     

激光诱导叶绿素荧光寿命的测量及其特性分析

提出了一种用于评估植物生长状况及环境监测的激光诱导叶绿素荧光寿命测量方法. 采用波长355 nm的激光作为光源激发叶绿素荧光, 由光电倍增管接收其荧光信号, 由于被测叶绿素荧光衰减函数与激光脉冲、仪器响应函数卷积在一起, 根据它们的特性, 运用时间分辨测量法分别测得叶绿素荧光及其背景信号, 并结合一种新型解卷积算法可分离出真实的叶绿素荧光衰减函数, 从而获取叶绿素的荧光寿命. 测试结果表明: 该方法能够实现叶绿素荧光寿命的高精度实时监测, 对不同叶绿素含量的溶液荧光寿命进行了测试, 证明叶绿素含量与其荧光寿命具有相关性, 并且拟合了叶绿素含量与荧光寿命的标定曲线. 关键词： 荧光寿命 激光诱导荧光 时间分辨测量法 叶绿素含量     

铜胁迫下玉米叶片反射光谱的红边位置变化及其与叶绿素的关系

采用5级梯度铜胁迫砂培试验,通过测定叶片反射光谱曲线和叶绿素含量,研究铜胁迫对玉米叶片反射光谱与叶绿素含量的影响。研究表明：玉米叶片反射光谱的红边位置与铜胁迫浓度显著相关(R2≥0.5755),且存在明显的“红边蓝移”现象,即叶片光谱红边位置向短波方向移动。随着铜胁迫浓度的升高或胁迫时间延长,红边蓝移程度增加。不同胁迫浓度之间,叶绿素a、叶绿素b含量及二者比值 (Chla/Chlb)均差异显著(p分别为0.002,0.007和0.001)。叶绿素a、b比值(Chla/Chlb)与培养液中铜浓度呈显著负相关(R=-0.898);Chla/Chlb与平均红边波长显著正相关(R=0.814)。这表明随着铜胁迫浓度升高,Chla/Chlb降低,叶绿素b相对于叶绿素a升高,叶片反射光谱的红边位置蓝移。铜胁迫改变了玉米叶片中Chla和Chlb含量和比值,由此导致的色素吸收光谱变化,是铜胁迫导致叶片反射光谱红边蓝移的可能的生理学成因。