微囊藻生物光学特性及其遥感定量识别研究

本项目通过室内培养和模型模拟的方法，研究微囊藻与其他藻种的生物光学特性差异，确定微囊藻的特有光谱特征。分析微囊藻不同生长速率时的固有光学特性变化规律，探讨其细胞生理特征变化与生物光学变化的响应规律，构建微囊藻细胞分裂能力强弱的光谱指示特征。在此基础上，基于MIE散射理论和Aden-Kerker理论实现微囊藻的光学特性理论模拟。最终建立基于遥感反射率的微囊藻的分裂速率、浓度及其细胞密度的遥感定量反演方法，这对于蓝藻水华的遥感预警具有重要的意义。

铜绿微囊藻是内陆湖泊水华发生时的优势藻种，它的监测对预测水华具有重要意义。本项目选择太湖为研究区域，采用野外观测、室内试验相结合的方法，分析铜绿微囊藻与其他内湖泊常见藻种的光学特征差异，发现铜绿微囊藻在624nm有一个吸收峰，同时散射光谱在624nm具有散射谷和遥感反射率光谱中624nm的反射谷是其区别于其余四种藻的主要光谱特征。在此基础上构建了光谱相似指数（600nm~650nm）、偏最小二乘回归(450nm~700nm)和波段比值法(675nm和624nm)对太湖铜绿微囊藻含量进行定量遥感估测，反演误差最小可达10.36%；同时，针对铜绿微囊藻细胞结构特征，构建了铜绿微囊藻的光学特性均匀球形模拟模型和两层球形模拟模型，模拟的吸收和散射的误差小于5%。两层球形对铜绿微囊藻后向散射模拟较均匀球形模型模拟精度更高。利用批量培养的方法观察分析了铜绿微囊藻对数期、稳定期、衰退期固有光学量和表观光学量的变化差异，发现700nm处的遥感反射率在不同生长阶段表现出了明显的差异。发现吸收系数与后向散射的比值a_total (539)/b_b (539)与铜绿微囊藻生长速率存在很好的相关性。这可为中国内陆湖泊微囊藻水华预警提供科学依据和必要的技术手段。