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：122 評論

導(dǎo)讀：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所研究員張運(yùn)林團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了藻類水華連續(xù)、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法的不足。

　　在氣候變暖和人類活動(dòng)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(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和人類健康。由于藻類水華生消過程快，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測是藻類水華預(yù)測、預(yù)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(dòng)監(jiān)測和衛(wèi)星遙感反演等三種方式?，F(xiàn)場觀測費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法在時(shí)間和空間上連續(xù)監(jiān)測；水下自動(dòng)監(jiān)測探頭易受到水中物質(zhì)侵蝕，且維護(hù)費(fèi)用高昂；衛(wèi)星遙感的時(shí)間分辨率低且受大氣影響較大。

　　對此，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所研究員張運(yùn)林團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了藻類水華連續(xù)、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效彌補(bǔ)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(tái)和遠(yuǎn)程訪問控制、顯示和存儲(chǔ)平臺(tái)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(tái))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(jìn)行遠(yuǎn)程訪問控制、顯示和存儲(chǔ)。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(yàn)算法、半分析算法以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，遴選了建模和驗(yàn)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(gè)水生態(tài)環(huán)境參數(shù)，可為藻類水華發(fā)生機(jī)理研究提供精細(xì)化觀測和科學(xué)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(shí)時(shí)、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(jìn)行復(fù)雜的大氣校正；適用于中小型河流、湖泊的藻類水華動(dòng)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(yuǎn)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(gè)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(xué)基金優(yōu)秀青年基金、中科院科學(xué)儀器研發(fā)項(xiàng)目、南京地理所青年科學(xué)家小組等項(xiàng)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(jī)器學(xué)習(xí)算法檢驗(yàn)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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