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基于加权非负最小二乘法的近海浮游植物荧光识别测定技术

胡序朋  
【摘要】: 近年来有害赤潮肆虐于我国和世界各国沿海,是国际社会共同关注的重大海洋生态环境问题和自然灾害。赤潮监测是对赤潮进行预警预报和防治控制的基础,通过快速、现场监测赤潮爆发前后浮游植物种群结构的变化过程,主要包括浮游植物群落组成及变化过程、引发赤潮的浮游植物种类等,便于及时采取措施、控制事态发展、减少损失,同时也为赤潮研究提供重要资料。浮游植物活体荧光光谱可以提供丰富的光谱信息,而且灵敏度高,选择性好,不需要复杂的前处理过程,可以满足对赤潮快速、实时监测的需要。 本文选择了我国近海常见25种优势藻种和赤潮浮游植物,分属于甲藻门、硅藻门、金藻门、蓝藻门、隐藻门和绿藻门,在实验室进行培养,获得浮游植物三维荧光光谱。基于此,采用加权非负最小二乘、支持向量学习机等技术,建立了能够在赤潮未发生时在门类的水平上测定浮游植物群落组成,赤潮发生时在属的水平上识别引发赤潮的浮游植物种类的荧光分析技术。 (1)基于荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术建立。对于扫描得到的三维荧光光谱进行瑞利散射校正,并使用平滑方法去除光谱中的噪声干扰。然后选择发射波长680nm的激发光谱进行技术建立。首先考察光谱的精密度和重现性。通过Fisher判别分析图可以直观的看出应用荧光激发光谱对浮游植物进行分类的可行性。选取各门类浮游植物荧光激发光谱的平均值作为其特征谱。并考察了不同门类浮游植物荧光特征谱的线性无关性以及浮游植物培养光照的影响。在此基础上,利用多元回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术。该技术对单种藻样品的识别正确率为甲藻76.8%,硅藻97.4%,金藻91.7%,蓝藻、隐藻和绿藻均为100%,对于多种藻混合样品的识别正确率为83.6%,对于围隔样品的识别正确率为54.2%,对于胶州湾现场样品的识别正确率为66.7%。该技术可为现有荧光分光光度计提供技术支持。 (2)基于离散荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术建立。运用四阶导数并结合可获得的单色发光二极管的实际情况,选择11个激发波长点的发射波长为680nm的离散荧光激发光谱进行技术建立。考察了光谱的精密度和重现性。通过Fisher判别分析图可以直观的看出应用离散荧光激发光谱对浮游植物进行分类的可行性。选取各门类浮游植物离散荧光激发光谱的平均值作为其特征谱,并考察了不同门类浮游植物特征谱的线性无关性以及培养光照的影响。在此基础上,利用多元线性回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于离散荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术。该技术对单种藻的样品正确率为:甲藻81.6%,硅藻92.2%,金藻86.1%,蓝藻、隐藻和绿藻均为100%。多种藻样品测定正确率85.2%,对于围隔样品的识别正确率为58.3%,对于胶州湾现场样品的识别正确率为83.3%。该技术为自主研制以发光二极管为光源的浮游植物荧光分析仪提供了技术支持。 (3)基于多激发荧光发射光谱建立了浮游植物群落组成测定技术。首先对于扫描得到的三维荧光光谱进行瑞利散射校正,并使用平滑方法去除光谱中的噪声干扰。根据多激发激光荧光雷达的常用激发波长,选择4个激发波长点,发射波长范围为600-750nm,构建多激发荧光发射光谱用于技术的建立。考察了光谱的精密度和重现性。通过Fisher判别分析图可以直观的看出应用多激发荧光发射光谱对浮游植物进行分类的可行性。选取各个门类多激发荧光发射光谱的平均值作为其特征谱。然后考察了不同门类浮游植物特征谱的线性无关性以及光照的影响。此基础上,利用多元线性回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于多激发荧光发射光谱的浮游植物群落组成测定技术。应用该技术对单种藻的样品识别正确率为甲藻81.6%,硅藻96.9%,金藻72.2%,蓝藻、隐藻和绿藻均为100%。,对于多种藻混合样品的识别正确率为83.6%,对于围隔样品的识别正确率为62.5%,对于胶州湾现场样品的识别正确率为66.7%。该技术将为多激发激光荧光雷达提供技术支持。 (4)应用支持向量机技术,基于赤潮浮游植物的三维荧光光谱建立了属水平上的赤潮浮游植物荧光识别测定技术。首先校正三维光谱中的瑞利散射,利用多项式平滑方法去除噪声的干扰。考察光谱的精密度和重现性。通过Fisher判别分析图可以直观的看出应用三维荧光光谱对浮游植物进行分类的可行性。应用支持向量机技术时,选择使用径向基核函数,设定半径及惩罚因子,定义QP函数参量后应用Matlab中的quadprog函数解决该二次规划问题,求出拉格朗日乘子后计算权向量和偏移量,确定支持向量机的相关参数。该技术对单种藻样品在属的水平上的识别正确率为96.9%,当加入5%的随机噪声时,判别正确率为75%;在属水平上对多种藻混合样品的识别正确率可达到80.1%。 本文针对不同的应用平台,以浮游植物的荧光激发光谱、离散荧光激发光谱和多激发荧光发射光谱为研究对象,建立了能够将甲藻和硅藻分类测定的门类水平上的浮游植物群落组成测定技术;同时,以发生赤潮时对引发赤潮的浮游植物进行现场、快速识别测定为目标,基于浮游植物三维荧光光谱,应用支持向量机技术初步建立了对于赤潮浮游植物属水平上的识别测定技术。


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