平行因子法结合自组织映射神经网络的三维荧光特征及其与水质的关系

利用三维荧光技术进行水质监测对干旱区绿洲河流水质的有效管理具有重要的意义。以三维荧光技术为手段,以艾比湖流域地表水为研究对象,结合平行因子(PARAFAC)法和自组织特征映射神经网络(SOM)方法,探讨了艾比湖流域地表水溶解性有机质的三维荧光特征及其与地表水水质指标之间的关系。通过PARAFAC法,有效提取了艾比湖流域地表水样中的4种荧光组分,C1荧光峰对应物质为紫外区类富里酸,C2荧光峰对应物质为类富里酸,C3包括2个峰C3(T1)和C3(T2),其中C3(T1)荧光峰对应物质为类蛋白,C3(T2)荧光峰对应物质为类腐殖酸,C4荧光峰对应物质为类腐殖质。经SOM训练,在不同聚类层中探讨水质参数分布情况,水质状况由差到好的顺序依次为博河上游、精河绿洲、乌苏周边农田、艾比湖周边。在艾比湖流域丰水期,酸碱度(pH)、电导率(EC)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)和五日生化需氧量(BOD5)与水样的三维荧光峰具有较为显著的相关性,而总磷(TP)、总氮(TN)及氨氮(NH+3-N)与各荧光峰相关性较弱。分别建立pH、EC、DO、COD及BOD5与各荧光组分间的多元线性回归方程,求得相关系数R分别为0.579、0.632、0.502、0.762和0.785,可以在一定程度上利用各荧光组分模拟水质参数的变化情况。在利用PARAFAC探讨地表水荧光特征的基础上,SOM网络作为一种有效的水体荧光光谱分析工具,可为干旱区水质监测和河流水质污染治理提供科学依据。     

基于三维荧光技术的艾比湖流域地表水盐分快速诊断研究

如何快速获取干旱区地表水盐分含量是干旱区绿洲地表水有效管理的关键问题。研究以艾比湖流域为研究区,三维荧光光谱技术为诊断手段,利用荧光激发发射矩阵(EEM)结合平行因子分析(PARAFAC)法,提取艾比湖流域地表水水体荧光组分,构建干旱区地表水三维荧光光谱指数。通过线性回归方法,建立基于三维荧光光谱技术的地表水盐分含量的诊断模型。结果表明： (1)艾比湖流域地表水溶解性有机质含有四种荧光组分即： 微生物腐殖质(C1),腐殖酸等有机物质(C2,C4),蛋白质类有机物质(C3)。(2)通过三维荧光指数分析发现,流域地表水有机污染类型为“陆源型”,受人类干扰比较严重,水体有机污染差异较大,且三维荧光指数、荧光组分分别与地表水水体含盐量呈显著相关性,W2,W4,W7,F355,HIX和BIX与水体盐分含量的关系显著,0.516<r<0.915,其中HIX与水体盐分含量呈明显负相关,相关系数r为-0.57。(3)利用三维荧光指数和荧光组分建立水体盐分估算模型,模型拟合系数大于0.7,模型验证精度符合统计学要求,估算模型的RPD值均大于1.4,模型估算能力较强。因此,基于三维荧光光谱技术实现艾比湖流域地表水水体含盐量诊断研究是可行的。该研究不仅探讨了干旱区艾比湖流域地表水三维荧光的特点,而且将为三维荧光应用于干旱中亚地区地表水有机污染监测提供一定的科学依据。     

基于CIE色度图的博尔塔拉河与精河水体荧光峰发光性初探

以艾比湖主要入湖河流博尔塔拉河及精河水体为研究对象,使用寻峰法找出水体荧光峰,采用色坐标分析法对博尔塔拉河与精河水体荧光发射光谱特性及荧光峰的发光性进行分析。首先,博尔塔拉河与精河水体的荧光发射光谱均含有3个荧光峰,各荧光峰的出现位置与峰强度大小均不同。博尔塔拉河第二荧光峰远大于第一荧光峰或第一荧光峰与第二荧光峰基本持平;精河前5个样点的3个荧光峰强度随波长增大呈依次递减分布,6号采样点第一荧光峰与第二荧光峰基本持平。其次,博尔塔拉河与精河3个荧光峰在色坐标中分布位置大致相同,且各点的荧光峰分布较为聚集,均在蓝光区域,属蓝光发射。最后,各荧光峰在CIE坐标中聚集分布,第一荧光峰在色坐标最底端;第二荧光峰分布在第一荧光峰上端,x坐标与第一荧光峰接近;第三荧光峰整体聚集分布在蓝光区域的右上角。     

大流量河道的水质荧光指纹变化

荧光光谱因与水样一一对应而被称为"水质荧光指纹",越来越多地被用于水环境监测。研究了大流量河道A河的水质荧光指纹特征及变化。结果表明,该河的三维荧光光谱中含有三个典型的荧光峰,分别在230/340,280/320和250/450nm附近,而三个峰的强度变化很大,而且有突变的现象。同期的CODMn没有明显变化。研究表明,荧光指纹很适合显示大流量水体的水质变化,且可以弥补常规参数不能反映成分变化的不足,是水质预警的好工具。     

平行因子分析法在太湖水体三维荧光峰比值分析中的应用

以太湖水样三维荧光光谱数据为例,提出在采用平行因子分析法(PARAFAC)处理后的荧光数据中提取荧光峰强度计算荧光峰比值进行水环境分析评价的方法,较直接在水样原始荧光谱图中获取的荧光峰强度更加准确客观。天然水体中各水样间由于受荧光团复杂多样性等因素的影响,某类荧光物质荧光峰的激发发射波长位置并不是固定不变的,就同一水样而言各类荧光峰之间的相互重叠干扰也将影响到荧光峰强度和位置的准确判断。而在PARAFAC模型各因子中提取相应荧光峰值可以保证各水样间同类荧光物质荧光峰在同一位置又有效减弱同一水样中各类荧光物质荧光峰之间的相互干扰,更加高效准确的利用荧光峰比值进行水环境分析。区域差异性分析时水样因子得分比值的区域变化与原始荧光峰比值变化趋势是一致的。     

石化废水处理过程中荧光有机物变化特征及去除效果

石化废水排放量大、污染物成分复杂,对环境的危害较大。采用三维荧光光谱扫描技术分析了某大型石化企业综合污水处理厂各处理单元(水解酸化+A/O+接触氧化工艺)进出水的荧光光谱特征。污水厂总进水包含四个荧光峰Peak A,Peak B,Peak D,Peak E,分别位于λex/λem=220/300,225/340,270/300,275/340nm附近,荧光物质主要来自工业废水,水解酸化池出水各荧光峰强度有所降低,位置基本不变,厌氧池出水λex/λem=250/425nm附近出现新荧光峰Peak C,好氧池出水荧光峰Peak C处荧光强度有所增强,二沉池出水Peak A消失,二沉池之后水样荧光谱图变化不大;该处理工艺对荧光有机物的总去除率为92.0%,Peak A,Peak B,Peak D,Peak E附近的荧光有机物去除率分别为100.0%,91.2%,80.3%,92.0%;污水厂进水IPeak B/IPeak E值波动较大而出水变化不大,表明该污水处理厂运行稳定,其处理工艺具有较强的抗冲击负荷能力。     

南方某河水质荧光指纹特征及污染溯源

基于三维荧光光谱随荧光有机物的种类和浓度的不同与水体或污染排放源呈现对应关系的特性,水质荧光指纹溯源技术能够通过水体的三维荧光信号追溯污染排放源。以我国南方C市地表水A河为主要研究对象,利用水质荧光指纹溯源技术对A河及其上游来水方向J河进行了水质荧光指纹特征解析和污染排放源溯源。A河水质荧光指纹主要包括三个特征荧光峰,其[激发波长,发射波长]分别为[280, 320],[235, 345]和[255, 460] nm,其上、中、下游水质指纹之间相似度均大于99%,具有典型的印染废水污染特征。A河上游由J河分流汇入,J河水质荧光指纹与A河相似度低于60%,且强度不超过A河的40%。J河对A河水质荧光指纹形成过程的影响较小,A河的荧光强度主要由A河上游区域贡献。溯源结果表明,A河河水与A河上游印染纺织工业园区的印染废水水质荧光指纹相似度为94%,A河污染很可能来自其上游未经处理的印染废水的排放。A河和J河河水水质荧光指纹各荧光峰强度与高锰酸盐指数的线性相关系数R2分别达到0.956 4,0.937 5和0.985 4,而水质荧光指纹法感知污染的灵敏度更高。与其他三维荧光光谱相似度算法的结果对比表明,水质荧光指纹溯源技术是一种可靠的水环境监管技术,能够为进一步实现污染源头治理和环境精细化管理提供有力的技术支撑。     

保定府河溶解性有机质三维荧光光谱分析(英文)

利用三维荧光光谱法(3D-EEM)研究了保定府河溶解性有机质(DOM)的荧光特性,根据三维荧光光谱图中荧光峰的位置、数量及强度变化,荧光峰之间的相关性,初步判断荧光物质的类别、分布和来源。府河水体溶解性有机质主要有类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物两类,类蛋白荧光峰Ex/Em=225~230/340nm(A);类溶解性微生物代谢产物荧光峰Ex/Em=275/340~350nm(B)。不同采样时间和采样点,府河水体基本上都存在类蛋白荧光峰和类溶解性微生物代谢产物荧光峰。分析各荧光峰强度与水质指标相关性发现,两荧光峰之间呈显著性相关,表明研究区域中类蛋白质和类溶解性微生物代谢产物具有同源性;DOM两类荧光峰与COD,TN,TP,NH3-N呈显著正相关,表明通过两类荧光峰强度可推测府河污染程度,为府河污染防治和沿河流域生态环境治理提供参考。     

基于荧光光谱技术的菜籽油氧化状态智能评价

菜籽油在加工及贮藏过程中，易受氧气、温度、光照等因素的影响，产生氧化酸败现象。为准确判断油脂氧化程度，实现不同氧化模式下菜籽油品质的快速判别，采用三维同步荧光光谱技术结合平行因子分析法及BP神经网络法建立菜籽油氧化状态的智能评价模型。以冷榨菜籽油为原料，将样品分别置于常温、Schaal烘箱、高温模式中氧化处理，期间采集菜籽油的三维同步荧光光谱数据及理化指标，当理化指标超出国标限定范围时，停止采集数据。结果表明，菜籽油中荧光物质在不同氧化模式中的演变规律呈显著差异，氧化温度对菜籽油荧光光谱有明显影响。常温氧化350 d与第1 d相比，菜籽油的特征荧光峰位置无变化，仅在激发波长Ex为620和660 nm附近荧光峰强度发生微弱变化；Schaal烘箱氧化26 d后，在激发波长Ex为620和660 nm附近荧光峰强度显著减弱，且在激发波长Ex为350～450 nm之间有新的荧光峰生成；高温氧化48 h后，Ex为620和660 nm处荧光峰消失，在Ex为400～550 nm处产生显著荧光峰，相对Schaal烘箱氧化，荧光波长发生一定程度红移，这是由于高温氧化过程中油脂氧化生成的物质稳定性较差引起的。利用平行因子分析法对三维同步荧光光谱数据进行分解获取有效的二维荧光光谱数据，当组分数为6，Δλ=60 nm时激发波长的载荷值最大，不同样品间差异最显著。选定Δλ=60 nm波段的二维荧光光谱数据用于智能评价，作为BP神经网络模型的输入值，以极性组分作为模型输出值，分别对菜籽油三种氧化模式数据建模训练。实验结果表明，三种氧化模式对应的训练集、验证集、测试集模型相关系数r均能达到0.9以上，其中常温氧化模式中验证集及测试集模型的相关系数r为1，输出值与目标值较接近，模型的预测效果较好；综合三种氧化模式数据建模，对应训练集、验证集、测试集模型的相关系数分别为0.999，0.913和0.988，均方误差均较小，说明该模型能准确判断菜籽油的不同氧化状态。因此，三维同步荧光光谱技术结合平行因子分析法、BP神经网络法建立快速检测模型能实现菜籽油不同氧化状态的判别，为菜籽油的氧化程度的评价提供新方法，同时为其他食用油的品质评价提供参考。     

荧光光谱法在水质监测中的应用

用荧光光谱法进行水质分析,比较了普通自来水、城市污水及纯水在紫外光激励下产生的荧光光谱特性并进行分析.在同一紫外光激励下,普通自来水和纯水所产生的荧光光谱无明显差异,而城市污水与纯水比较所产生的荧光光谱有明显差异;以不同波长的紫外光激励,城市污水以及纯水水样的荧光光谱除相对强度有所变化外,线形、峰值波长基本不变,符合荧...     

光谱指数的植被叶片含水量反演

利用光谱技术监测植被水分状况是了解植被生理状况及生长趋势的重要手段之一。选择艾比湖湿地自然保护区作为靶区。采用聚类分析、变量投影重要性分析(VIP)以及敏感性分析等方法，对植被不同含水量进行分级，并针对不同等级的植被含水量进行估算及验证。结果表明： (1)基于聚类分析中的欧氏距离的方法将植被叶片相对含水量划分为高等、中等、低等三个等级，其范围分别为70.76%～80.69%，53.27%～70.76%，31.00%～53.27%。在中红外与远红外(1 350～2 500 nm)之间，反射率越低植被含水量越高；波长380～1 350 nm范围，无此现象。(2)应用VIP方法可知，所选的8种植被水分指数VIP值均超过了0.8，说明植被水分指数预测能力均较强且差别不显著。其中MSI，GVMI与植被叶片相对含水量的非线性三次拟合函数效果最佳，MSI决定系数R2为0.6575和GVMI决定系数R2为0.674 2。植被叶片相对含水量在30%～45%范围，MSI指数的NE值最低，在45%～90%范围时，GVMI指数的NE值最低。NDWI₁₂₄₀指数的NE值在70%左右起伏较大，说明NDWI₁₂₄₀ 指数在植被含水量为70%左右，预测能力较差。(3)通过误差分析可知GVMI指数反演的结果误差最小，不同的植被指数对不同含水量的植被估算结果相差较为明显，因此分段估算植被含水量是有必要的。综上所述，利用高光谱遥感技术对监测艾比湖保护区植被生长及干旱环境提供基础研究。     

不同溶解氧水平上覆水中DOM荧光特性及总氮含量评估

采用荧光光谱技术研究不同溶解氧(DO)水平下二十埠河底泥上覆水中溶解性有机物(DOM)转化特性及类蛋白荧光强度与总氮浓度的关系。三维荧光光谱显示：上覆水中DOM主要由三种类蛋白物质(高激发波长类酪氨酸、低激发波长类酪氨酸、低激发波长类色氨酸)和两种类富里酸物质(紫外区类富里酸、可见区类富里酸物质)组成,类蛋白物质是上覆水中DOM的主要成分。经过曝气后类蛋白荧光强度均存在明显降低,其中低激发波长酪氨酸和低激发波长色氨酸相对于高激发波长酪氨酸更易被微生物降解。而类富里酸荧光强度则均呈现增强趋势,表明类富里酸物质属于难降解有机物。上覆水中DOM荧光指数介于1.65~1.8之间,表明上覆水体DOM既有陆源又有生物源但以生物源为主。荧光指数随DO增加而增大,说明随着DO增加微生物量及微生物活性逐渐增加,微生物代谢功能增强,使得上覆水中DOM的生物源成份加大。在较高的溶解氧水平下,即DO分别为2.5,3.5和5.5 mg·L-1时,高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度与上覆水中总氮浓度有良好的相关性,相关系数(r2)分别为0.956,0.946,0.953,说明可以通过三维荧光技术监测高激发波长类酪氨酸峰A的荧光强度而快速分析上覆水中总氮浓度,为河道水体诊断、治理及修复提供快速有效的技术参考和理论支持。     

店埠河农业小流域水体溶解性有机质三维荧光光谱的平行因子分析

店埠河农业小流域是巢湖的主要水源地之一,研究该流域水体溶解性有机质（DOM）组分及来源对了解巢湖水生生态系统至关重要。本研究结合水体的三维荧光光谱,利用平行因子分析（PARAFAC）方法对测定的三维荧光光谱矩阵进行拉曼及瑞利散射校正、组分提取等相关处理,实现对店埠河农业小流域水体DOM的分析,包括三维荧光光谱特征分析、三维荧光组分比例分析、三维荧光特征参数分析以及荧光特征与水质参数的相关性分析,以探究该流域水体DOM的组分及来源。实验结果显示：店埠河农业小流域水体DOM包含两个有效的荧光组分,分别为类蛋白质物质（类色氨酸组分）和类腐殖质物质（类富里酸组分）,荧光组分比例表明类色氨酸组分是该流域水体DOM的主要组成部分;水体的荧光指数FI、自生源指标BIX以及腐殖化指标HIX指明该水体中DOM具有强自生源特性和弱腐殖化特征,其内源主要来源于藕塘内部植物及水体其他微生物代谢活动,外源来自于生活污水及养殖饲料的输入,其中内源为水体DOM来源的主要贡献;溶解性有机碳（DOC）与DOM中类色氨酸组分C1呈现极显著正相关,类蛋白质荧光组分可用于该流域水体的DOC动态追踪;pH值与类富里酸组分C2呈现正相关,故水体pH值和类富里酸组分同步增加,说明该流域内水体碱化会伴随着溶解性有机质中类腐殖质物质的增加;溶解氧（DO）与类色氨酸组分C1呈现负相关,说明类色氨酸组分受到水体溶解氧含量的影响。该研究示踪了店埠河农业小流域水体DOM的荧光特征及其组分来源响应机制,可以更好的理解其在生态系统的功能及其环境地球化学循环过程,从而为该流域环境综合治理提供一定的科学依据。     

三维荧光光谱技术结合线性支持向量算法在水体有机污染监测中的应用

针对当前地表水体有机污染的原位快速监测需求,提出一种基于三维荧光光谱技术的水质指标预测模型和水质等级快速判断方法。以扬州市域内多种地表水体的水质监测数据作为模型训练样本,充分利用水体三维荧光光谱信息,结合线性支持向量回归算法（LIBLINEAR）,建立了与化学需氧量（COD_Cr）、高锰酸盐指数（COD_Mn）、氨氮（NH₃-N）、总磷（TP）、总氮（TN）和五日生化需氧量（BOD₅）6项有机污染相关水质指标的预测模型。研究结果表明,6项指标预测模型的训练集和测试集决定系数R2均大于0.73,预测值与国标及行业标准方法分析结果的相关系数r达到0.9以上。利用水质指标预测结果进一步判断有机污染指标相关水质等级,黑臭水体识别率达86%,对Ⅲ类~重度黑臭共6个水质等级的分类准确率为60%。结果说明该方法通过水体三维荧光光谱信息预测水质有机污染指标具有较好的准确性和精度,为广域时空尺度地表水的高效原位监测提供了一种新的解决方案。     

基坑排水对城市内河水体溶解性有机质的影响研究

工程施工时基坑排水是保障基坑安全的必要措施,排出水进入城市内河,对内河及下游水生态安全产生影响。该研究采集哈尔滨市何家沟欧亚之窗公园段建筑工程施工过程中基坑排出水(W1)、排水口上游100 m处(W2)、排水口处(W3)、排水口下游50 m处(W4)、排水口下游100 m处(W5)、排水口下游200 m处(W6)的水体样品,应用三维荧光光谱-平行因子分析方法,测定溶解性有机质(DOM)的荧光光谱特征,分析DOM的组成和来源,探究基坑排水对城市内河水体环境的影响。结果表明：内河水体腐殖化指数(HIX)在0.337~0.381范围内,腐殖化程度低,W1,W3～W6的HIX差异不显著,均显著低于W2,说明排水进一步降低了内河水体腐殖化程度。荧光指数(FI₃₇₀)介于2.330~2.900范围内,生物指数(BIX)在0.897~1.140范围内,W1和W2的FI₃₇₀和BIX均显著高于W3~W6,两者具有极强的自生源特征,说明排水使下游水体自生源特征降低。水体样品DOM中共识别出2类4种有机组分：可见类富里酸组分(C1)、类色氨酸组分(C2)、紫外类富里酸组分(C3)和类酪氨酸组分(C4),即类富里酸物质(C1、C3)和类蛋白物质(C2、C4),两者间成负相关关系。FI₃₇₀与4种有机组分间均呈极显著的相关性,说明DOM组成简单。W2具有相对较高的DOM浓度,而排水口下游水体DOM浓度低,基本保持稳定。类蛋白物质在上游水体中占有相对较高的比重,在W4中,4种有机组分相对比重差异不显著,W5和W6类富里酸物质的相对比重有升高趋势,同样说明基坑排水导致内河水体自生源特征降低。除pH值升高外,下游水体样品溶解氧(DO)、总氮、总磷等理化指标含量均降低,pH值与类富里酸物质呈正相关,与类蛋白物质呈负相关,而DO、化学需氧量及水体养分指标与之相反。水体DOM有机组分与理化指标的相关性不同,可直接或间接影响DOM组成。因此,工程施工基坑排水可降低城市内河水体DOM浓度,改变了水体DOM组成。     

不同来源水体有机综合污染指标的三维荧光光谱法与传统方法测量的对比研究

比较研究了科学岛、巢湖和太湖不同来源水样的三维荧光光谱、COD值和DOC值.结果表明巢湖过滤水样COD值与DOC值线性相关(r=0.928 9);三维荧光光谱法测得的科学岛水样溶解有机物(DOM)浓度、类蛋白荧光强度(Ipro-like)、类腐殖质荧光强度(Ihum-like)均与COD值线性相关(r分别为0.821 72,0.84651和0.836 89);而三维荧光光谱法测得的巢湖和太湖水样的DOM浓度、Ipro-like和Ihum-like则与COD值无明显线性关系.上述结论与前人研究结果产生分歧,文章对原因进行了分析,并阐述了利用荧光光谱法测量水体有机污染综合指标的可行性和必要前提.     

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。