南京地理所研發(fā)陸基高光譜遙感監(jiān)測儀及原位高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)

2022-07-25 09:58:44來源：中科院南京地理與湖泊研究所閱讀量：141 評論

　　在氣候變暖和人類活動雙重作用的影響下，藻類水華頻發(fā)且呈現(xiàn)全球加劇態(tài)勢，嚴重威脅經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和人類健康。由于藻類水華生消過程快，實時精準的監(jiān)測是藻類水華預測、預警和有效管控的關(guān)鍵。

　　目前藻類水華監(jiān)測主要包括現(xiàn)場觀測、水下自動監(jiān)測和衛(wèi)星遙感反演等三種方式?，F(xiàn)場觀測費時費力，且無法在時間和空間上連續(xù)監(jiān)測；水下自動監(jiān)測探頭易受到水中物質(zhì)侵蝕，且維護費用高昂；衛(wèi)星遙感的時間分辨率低且受大氣影響較大。

　　對此，中國科學院南京地理與湖泊研究所研究員張運林團隊等基于水色遙感原理，研發(fā)了一款陸基高光譜遙感監(jiān)測儀及原位高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了藻類水華連續(xù)、精準、實時監(jiān)測，有效彌補了現(xiàn)有方法的不足。

　　該系統(tǒng)主要由高光譜測量儀器、數(shù)據(jù)處理平臺和遠程訪問控制、顯示和存儲平臺等三部分組成(圖1)。高光譜測量儀測定的水體光譜反射率信號，通過嵌入AI芯片處理器(數(shù)據(jù)處理平臺)的反演算法，轉(zhuǎn)化為葉綠素a信息。光譜反射率和葉綠素a數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備進行遠程訪問控制、顯示和存儲。研究人員通過系統(tǒng)評估近幾十年來應(yīng)用最廣泛的三種葉綠素a遙感反演的經(jīng)驗算法、半分析算法以及機器學習算法等，遴選了建模和驗證精度最高的反演模型作為陸基遙感系統(tǒng)葉綠素a提取的主要模型(圖2)。

　　架設(shè)在太湖的陸基高光譜遙感監(jiān)測系統(tǒng)清晰捕捉到2021年8月發(fā)生的兩次藻類水華形成過程(圖3)。除了藻類水華以外，陸基遙感系統(tǒng)亦可同步監(jiān)測水體透明度、懸浮物、總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、藻密度等多個水生態(tài)環(huán)境參數(shù)，可為藻類水華發(fā)生機理研究提供精細化觀測和科學證據(jù)。

　　該觀測系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢：低成本、環(huán)保的方式實時、連續(xù)地提供藻類水華的高頻數(shù)據(jù)；水體信號不受大氣影響，不需要進行復雜的大氣校正；適用于中小型河流、湖泊的藻類水華動態(tài)監(jiān)測；嵌入的AI芯片支持算法快速替換和升級以及遠程控制和數(shù)據(jù)訪問。目前該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于廣東、四川、江蘇、浙江、北京等數(shù)十個重要水體的水質(zhì)監(jiān)測。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Hazardous Materials上。研究工作得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金、中科院科學儀器研發(fā)項目、南京地理所青年科學家小組等項目的聯(lián)合資助。

圖1 陸基遙感系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 陸基高光譜遙感監(jiān)測系統(tǒng)機器學習算法檢驗與校正精度結(jié)果

圖3 陸基遙感系統(tǒng)捕捉到的兩次浮游植物水華和對應(yīng)的現(xiàn)場照片

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