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《中国海洋大学》 2010年
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多小波在浮游植物群落组成荧光测定技术中的应用

申俊  
【摘要】:赤潮在全球及我国近海频发,规模不断扩大,已经成为全社会共同关注的海洋生态环境问题。据统计,近60多年来我国大陆沿海共发生赤潮265次,其中东海发生频率最高。因此迫切需要建立一种快速、实时、有效的浮游植物群落组成测定技术,以实现对赤潮的常规和应急监测。荧光技术是近年来逐步发展起来的一种浮游植物种类测定技术,荧光光谱能够为不同种类浮游植物提供各自专属的特征光谱信息。此外,由于这一方法的灵敏度较高,仪器使用简便,因此易于实现现场实时检测。 在对我国近海海域赤潮发生期间与非赤潮期间浮游植物群落组成特点进行总结研究的基础上,本文最终选取了实验室培养的43种我国近海常见的优势藻种和赤潮浮游植物进行研究,所选藻种分别属于7个门32个属。其中硅藻门9属14种,金藻门6属6种,绿藻门4属4种,甲藻门6属11种,黄藻门2属2种,隐藻门1属2种,蓝藻门4属4种。 在实验室培养环境下,分别测得上述浮游植物在不同光照、不同温度、不同生长周期的活体三维荧光光谱,利用多小波分析、非负最小二乘等技术建立了我国近海典型浮游植物赤潮藻种及优势种的门一属分级识别技术。具体取得如下研究成果: 1.选用两种多小波函数(GHM多小波和SA4多小波)对扫描得到的活体浮游植物三维荧光光谱进行特征提取,依次得到不同的尺度分量及小波分量,应用Bayes判别原理选择了最佳的识别特征分量,初步选取两种多小波的第二层尺度分量Ca2、第三层尺度分量Ca3以及二者的联合Ca2-Ca3作为特征荧光光谱分量。 2.分别选用GHM多小波和SA4多小波所选取的浮游植物特征荧光光谱,通过系统聚类分析分别提取得到两种多小波的三种标准谱库Ca2标准谱库、Ca3标准谱库以及Ca2-Ca3标准谱库,并结合使用非负最小二乘法建立浮游植物荧光识别技术。分别使用两种多小波的三种标准谱库对所培养浮游植物的单种藻样品和模拟混合藻样品在门类、属类水平上进行分级识别,最终依据识别结果选定两种多小波的最佳标准谱库。对于GHM多小波而言,Ca2-Ca3标准谱库识别结果最佳:单种藻样品在门类水平上的识别正确率平均为94.4%,属类水平的识别正确率平均达到92.7%。对于SA4多小波而言,Ca2标准谱库的识别结果最佳:单种藻样品门类水平上的识别正确率平均为94.6%,属类水平的识别正确率平均为92.7%。将扫描得到的单种藻样品的原始荧光光谱经过一系列的数据前处理后按照一定的比例两两进行光谱拟合,分别采用两种多小波标准谱库进行门属识别,结果表明当不同种类的浮游植物荧光光谱分别按照3:1、4:1、6:1、9:1的比例两两混合时,GHM多小波Ca2-Ca3标准谱库在门类水平上的平均识别正确率范围为97.6%-97.9%,属类水平上的平均识别正确率范围为66.8%-90.7%;SA4多小波Ca2标准谱库在门类水平上的平均正确识别率范围为98.3%-99.1%,属类水平上的平均正确识别率范围为63.1%-91.6%。当模拟混合比例不低于4:1时,门类水平的识别正确率95%,属类水平的识别正确率70%;当模拟混合比例不低于6:1时,属类水平上的识别正确率可达80%以上。 3.对于实验室所做的实际混合藻样品而言,GHM多小波Ca2-Ca3标准谱库在门类水平的平均识别正确率为90.1%,属类水平的平均识别正确率76.4%。SA4多小波Ca2标准谱库门类水平的平均识别正确率为90.9%,属类水平的平均识别正确率74.2%。对于胶州湾调查水样以及麦岛围隔水样的识别,两种多小波标准谱库在门类水平上均能达到90%以上正确识别,属类水平上的识别正确率不低于80%。 本论文的创新之处在于基于多小波技术建立了我国近海浮游植物优势种和肇事种的标准荧光光谱库,结合非负最小二乘等化学计量学方法建立了浮游植物群落组成荧光识别测定技术。该技术能够在未发生赤潮时对浮游植物进行门类水平上的识别测定,而在发生赤潮时在属的水平上识别引发赤潮的浮游植物。
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