CN102288554A - 赤潮优势藻种色度学的实时识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对赤潮优势藻种色度学的实时识别方法。首先利用卫星遥感或地物光谱仪测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后将赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的分布区域作为识别特征达到藻种识别。另一方法是利用测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后根据色度坐标和C.I.E标准色度图进行常规计算分别得到赤潮优势藻种的纯度p和主波长λ_d；最后将赤潮优势藻种的纯度和主波长共同作为识别特征，达到藻种识别。显然，本发明方法简单，处理速度快，结果直观，实现了可以实时识别赤潮优势藻种的要求。

Description

赤潮优势藻种色度学的实时识别方法

技术领域

本发明涉及一种对赤潮优势藻种色度学的实时识别方法。

背景技术

赤潮是海水中的浮游生物在一定条件下过度增殖或聚集致使海水变色的一种生态异常现象。赤潮爆发时，因赤潮生物种类和数量的不同，海水可呈现红、黄、绿等不同颜色。有毒赤潮生物分泌的毒素可以直接导致海洋生物大量死亡，或者通过食物链传递造成人类食物中毒。无毒赤潮生物则因其产生的粘性分泌物阻塞鱼、贝类的呼吸系统，或者由于赤潮生物大面积衰亡时消耗了水体中大量的氧气，而造成鱼、贝类窒息死亡。近年来，我国沿海赤潮灾害的发生呈现出频率增加、规模扩大、有毒赤潮种比例上升等趋势。赤潮不仅破坏海洋生态环境，而且威胁海洋食品安全，已经成为我国和世界的一大海洋灾害，引起了各国政府及科学界的高度重视。

传统的赤潮优势种识别，是通过显微镜对赤潮暴发现场所采水样中赤潮藻细胞观测、计数以及统计来实现的，费时且对人员专业素质要求高；吸收光谱法、荧光光谱法、高效液相色谱法(HPLC法)、流式细胞仪法、化学发光流动注射法和分子探针法也被应用到赤潮优势种的识别工作中，但是在识别速度、操作难度或者识别结果方面存在不足，不能很好满足对赤潮的快速有效监测。随着赤潮发生频度的不断提高，针对赤潮优势藻种的实时识别也变得越来越迫切。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种基于色度学的，更直观、快速有效的赤潮优势藻种实时的识别方法。

研究发现，不同赤潮优势藻种的遥感反射率光谱(如图1所示，，以三种藻种为例)与C.I.E函数相乘、求和，然后进行归一化得到的色度坐标x、y、z，如下表所示：

利用x，y两色度坐标作为x轴、y轴坐标将其绘制在色度平面，如图2所示。同种赤潮优势藻种在色品图上的分布集中在同一区域，不同种的赤潮优势藻种分布在色品图上的不同区域。

因此，本发明的具体方法是首先利用卫星遥感或者地物光谱仪实时测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后将赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的分布区域作为识别特征，达到藻种识别。

研究还发现，根据色度坐标和C.I.E标准色度图计算得到与遥感反射率光谱对应的纯度和主波长，如下表所示。

计算每种赤潮优势藻种的纯度范围和主波长的范围，如下表所示。

	纯度范围	主波长范围(nm)
			丹麦细柱藻	0.3582～0.5790	574～578
红色中缢虫	0.7144～0.9362	582～587
			聚生角毛藻	0.2918～0.4155	563～570

不同种赤潮优势藻种的纯度的范围和主波长的范围存在明显差异，这种差异是由于不同种赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的分布区域有差异造成的。

因此，本发明的另一具体方法是

首先利用卫星遥感或者地物光谱仪测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后根据色度坐标和C.I.E标准色度图进行常规计算分别得到赤潮优势藻种的纯度p和主波长λ_d；最后将赤潮优势藻种的纯度和主波长共同作为识别特征，达到藻种识别。

上述两种方法的结论具有一致性，第二种方法是第一种方法的量化表达。

显然，本发明方法简单，处理速度快，结果直观，实现了实时识别赤潮优势藻种的要求。

附图说明

图1为本发明的赤潮现场地物光谱仪测得的丹麦细柱藻、红色中缢虫、聚生角毛藻的不同时间的遥感反射率光谱图。

图2为本发明的丹麦细柱藻、红色中缢虫、聚生角毛藻在色品图上的位置图。丹麦细柱藻、红色中缢虫、聚生角毛藻

图3为本发明的待识别的优势藻种丹麦细柱藻的遥感反射率光谱图。

图4为本发明的待识别藻种1在色品图上的位置图。

图5为本发明的待识别藻种2的遥感反射率光谱图。

图6为本发明的待识别藻种2在色品图上的位置图。

图7为本发明的待识别藻种3的遥感反射率光谱图。

图8为本发明的待识别藻种3在色品图上的位置图。

具体实施方式

本发明首先利用赤潮现场地物光谱仪测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱F(λ)和C.I.E三刺激函数进行相乘并求和，得到红绿蓝三组分X、Y、Z：

$X=K_m\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}F\left(\mathrm{\λ}\right)x\left(\mathrm{\λ}\right)$

$Y=K_m\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}F\left(\mathrm{\λ}\right)y\left(\mathrm{\λ}\right)$

$Z=K_m\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}F\left(\mathrm{\λ}\right)z\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，x(λ)，y(λ)，z(λ)为C.I.E函数在对应波长λ处的响应值，系数Km＝683lmW^-1是最大光视效率。

然后将红绿蓝三组分值分别与红绿蓝三组分值之和相除完成归一化得到色度坐标，即

(x，y，z)＝(X/(X+Y+Z)，Y/(X+Y+Z)，Z/(X+Y+Z))

最后将赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的位置R作为识别特征而达到赤潮优势藻种的识别。

利用上述方法计算得到遥感反射光谱对应的色度坐标(x，y)；然后从白光点W(其色度坐标为(1/3，1/3))画一条经过色度坐标R(x，y)的直线，直线与C.I.E标准色度曲线的交点为Q。Q点处对应的波长为色度坐标(x，y)的主波长λ_d。WR和WQ为相应线段的长度，p＝WR/WQ为色度坐标(x，y)的纯度。然后将主波长和纯度共同作为识别特征，达到赤潮优势藻种的识别。

实施例1

对待识别藻种1进行藻种识别。

1、首先将C.I.E函数和待识别藻种的遥感反射率(如图3所示)相乘并求和得到红绿蓝三组分X、Y、Z，再将红绿蓝三组分值分别与红绿蓝三组分值之和相除完成归一化得到色度坐标x、y、z。

利用x，y两色度坐标作为x轴、y轴坐标将其绘制在色度平面，如图4所示。

根据其坐标位置与研究结果比较可识别为丹麦细柱藻。

2、从白光点W(其色度坐标为(1/3，1/3))画一条经过色度坐标R(x，y)的直线，直线与C.I.E标准色度曲线的交点为Q，得到色度坐标(x，y)的主波长λ_d＝574nm。色度坐标(x，y)的纯度p＝WR/WQ＝0.5246。主波长值和纯度值在丹麦细柱藻的主波长和纯度范围内，也可识别为丹麦细柱藻。

实施例2

对待识别藻种2进行藻种识别。

1、首先将C.I.E函数和待识别藻种的遥感反射率(如图5所示)相乘并求和得到红绿蓝三组分X、Y、Z，再将红绿蓝三组分值分别与红绿蓝三组分值之和相除完成归一化得到色度坐标x、y、z。

利用x，y两色度坐标作为x轴、y轴坐标将其绘制在色度平面，如图6所示。

根据其坐标位置R(x，y)与研究结果比较可识别为红色中缢虫(如图6所示)。

2、从白光点W(其色度坐标为(1/3，1/3))画一条经过色度坐标R(x，y)的直线，直线与C.I.E标准色度曲线的交点为Q，得到色度坐标(x，y)的主波长λ_d＝587nm。色度坐标(x，y)的纯度p＝WR/WQ＝0.8456。主波长值和纯度值在红色中缢虫的主波长和纯度范围内，也可识别为红色中缢虫。

实施例3

对待识别藻种3进行藻种识别。

1、首先将C.I.E函数和待识别藻种的遥感反射率(如图7所示)相乘并求和得到红绿蓝三组分X、Y、Z，再将红绿蓝三组分值分别与红绿蓝三组分值之和相除完成归一化得到色度坐标x、y、z。

利用x，y两色度坐标作为x轴、y轴坐标将其绘制在色度平面，如图8所示。

根据其坐标位置与研究结果比较可识别为聚生角毛藻。

2、从白光点W(其色度坐标为(1/3，1/3))画一条经过色度坐标R(x，y)的直线，直线与C.I.E标准色度曲线的交点为Q，得到色度坐标(x，y)的主波长λ_d＝568nm。色度坐标(x，y)的纯度p＝WR/WQ＝0.4155。主波长值和纯度值在聚生角毛藻的主波长和纯度范围内，也可识别为聚生角毛藻。

综上所述，本发明采用的赤潮优势藻种以聚生角毛藻、丹麦细柱藻、红色中缢虫为例，原则上本方法还适用于其他赤潮优势藻种的识别。

Claims (2)

1.一种赤潮优势藻种色度学的实时识别方法，其特征在于首先利用测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后将赤潮优势藻种的色度坐标在色品图的分布区域作为识别特征，即达到优势藻种的识别。

2.一种赤潮优势藻种色度学的实时识别方法，其特征在于首先利用测得的赤潮优势藻种的遥感反射率光谱和C.I.E三刺激函数进行常规计算得到赤潮优势藻种色度坐标；然后根据色度坐标和C.I.E标准色度图进行常规计算分别得到赤潮优势藻种的纯度p和主波长λ_d；最后将赤潮优势藻种的纯度和主波长共同作为识别特征，即达到优势藻种的识别。

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