CN104990897A - 一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置，包括高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统；高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统的中轴线重合。本发明通过利用对应入射光线角度和折射光线角度的折射关系提供了一种测定养殖水体叶绿素a含量的方法，旨在解决现有利用高光谱技术检测水中叶绿素a含量精度低、水面反射严重和实时性差等问题，本发明具有安装入射角折射角测量系统简便，调节入射角折射角方便，实施性高和准确率高等优点。

Description

一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置及方法

技术领域

本发明涉及养殖水体水质的检测，特别涉及一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置及方法。

背景技术

叶绿素a是评价养殖水体水质的重要有机营养物指标，同时还是维持养殖水体持续供养的必须物质。目前检测养殖水体中叶绿素a的装置及方法有常规的理化实验法和遥感高光谱测定法。然而这些装置及方法耗时，费力，昂贵难以满足现代养殖水体营养物在线快速检测的需求。因此，发展一种无损、快速、准确的检测装置及方法来检测养殖水体中叶绿素a含量有着重要的科学意义和应用价值。高光谱遥感技术作为新兴的无损检测技术，能够同时快速、无损地获取光谱信息和空间分布信息，从而实现定性、定量及定位的全方位检测，在养殖水体检测中表现出极强的优越性。

叶绿素a含量是非常重要的水质指标，与水体营养水平息息相关。而且除了对光合作用的重要性,叶绿素a通常被作为主要的估计量对内陆水域浮游植物进行分析。因此,量化叶绿素a可以作为一个标准的方式对水体中的生物化学成分和水生生态系统进行评价。目前采集高光谱图像的装置及方法通常是，将装有检测水样的检测容器放在载物台上，通过移动载物台进行线扫描获得高光谱图像。但是由于水样的强烈镜面反射，使得光谱吸收值极低，导致无法准确的计算养殖水体中叶绿素a的含量。如中国专利CN201410185064.3公布的基于数据同化的内陆水体叶绿素浓度多模型协同反演装置及方法中利用反演模型检测水样中的叶绿素浓度、中国专利CN201410031687.3公布的基于遥感的湖泊水体蓝藻丰度的估算装置及方法中采用遥感技术避免了水面的强烈反射但是遥感技术并不适合于一般的实验室测定。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置，避免了水样的镜面反射导致吸收光谱值很低的问题，提高了养殖水体中叶绿素a含量测定的准确度。

本发明的另一目的在于提供基于上述测定养殖水体叶绿素a含量的装置的测定方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置，包括高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统；高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统的中轴线重合；

所述高光谱扫描系统包括镜头、高光谱仪、CCD相机和对称设置的两个单侧光源；

所述入射角测量盘为两个，分别固定于高光谱扫描系统的两个单侧光源上；所述入射角测量盘为以单侧光源为轴心的90°扇形量角器圆盘；

所述折射角测试系统设于高光谱扫描系统下方；所述折射角测试系统包括进水系统、出水系统和折射角测试装置；所述折射角测试装置包括水样容器，所述水样容器的上开口由密封层密封，所述密封层的材料的折射率为1.45-1.55；

所述水样容器内部的下方设有折射检测升降台，所述折射检测升降台的上方设有感光板，所述感光板随折射检测升降台运动；所述折射检测升降台上设有压力传感器，所述压力传感器根据压力控制折射检测升降台上升或下降。

所述折射检测升降台由防水膜密封，与水样容器中的水样隔绝。

所述折射检测升降台包括台面，双剪叉杆和液压缸；所述台面由双剪叉杆支撑；所述双剪叉杆由第一支撑杆和第二支撑杆铰接而成，所述液压缸的两端分别固定于第一支撑杆和第二支撑杆上，用于控制双剪叉杆的升降；所述液压缸与压力传感器连接；所述压力传感器固定在台面上。

所述进水系统包括进水腔、水泵和进水槽，所述进水腔设置在水样容器的底部，进水腔、水泵和进水槽依次通过导管连接。

所述出水系统包括出水腔和出水槽，所述出水腔设置于在水样容器顶部，所述出水腔和出水槽通过导管连接。

所述感光板上设有刻度。

所述的测定养殖水体叶绿素a含量的方法，包括以下步骤：

S1、选取多个种类的水样作为测试样本；

S2、通过进水系统抽取第j种水样，此时水样容器中第j种水样的深度至少高过感光板；j为正整数；

S3、调节入射光线的角度，双侧光源对称调节，保证光源恰巧打在水面正中央，分别记录下入射角旋转的角度a和入射角角度测量盘的角度即入射角的角度i、水面到感光板的距离h、感光板上的感光范围s；所述入射角旋转的角度a为入射光线与水平方向的夹角；

S4、计算折射角r的正切值tanr＝s/2h,计算折射角r＝arctan(s/2h)；利用入射角i和折射角r计算第j种水样的折射率n；

S5、将光源顺时针旋转调节入射光线的角度，重复步骤S3～S4；

S6、改变第j种水样的体积，重复S2～S5多次；

S7、计算前述步骤多次测量得到的第j种水样的折射率的平均值，得到平均折射率n；

S8、采用传统的乙醇分光光度法测定第j种水样的叶绿素a含量；

S9、改变水样的种类，重复步骤S2～S8多次；

S10、利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的叶绿素a含量，建立平均折射率n和叶绿素a含量的一次函数解析式；

S11、利用光谱扫描系统采集各个种类的水样的平均光谱c；利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的平均光谱c建立相关偏最小二乘模型；

S12、利用光谱扫描系统采集待测水样的平均光谱，代入步骤S11中建立的偏最小二乘模型中确定待测水样的折射率，将计算的折射率带入到S10已经建立的叶绿素a浓度和折射率的一次函数解析式中确定养殖水体中的叶绿素a含量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，利用光的折射定律避免了水样的镜面反射导致吸收光谱值很低的问题，提高了养殖水体中叶绿素a含量测定的准确度。

(2)本发明的测定养殖水体叶绿素a含量的方法，实时测定了入射角和折射角，计算方便，实现了由线到面的测定叶绿素a含量。

(3)本发明通过对不同角度的入射光线、不同体积的水样进行折射率测定，利用多次测定的结果进行建模，进一步保证了测试模型的准确性。

附图说明

图1为本发明的实施例的测定养殖水体叶绿素a含量的装置的示意图。

图2为本发明的实施例的折射角测试装置的示意图。

图3为本发明的实施例的折射检测升降台的示意图。

图4为本发明的实施例测定养殖水体叶绿素a含量的方法的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，测定养殖水体叶绿素a含量的装置，由上至下依次包括高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统；高光谱扫描系统、入射角测量盘2和折射角测试系统的中轴线重合；所述高光谱扫描系统包括镜头1-1(OLE23，德国施耐德公司)、高光谱仪1-2(Imspector V10E，芬兰光谱成像有限公司，波长范围为400-1000nm，波长分辨率是1.2nm)、CCD相机1-3(DL-604M，爱尔兰安道尔公司，像素是1004*501，机曝光时间为20s)和对称设置的两个单侧光源1-4；所述入射角测量盘为两个，分别固定于高光谱扫描系统的两个单侧光源上；所述入射角测量盘为以单侧光源为轴心的90°扇形量角器圆盘，所述的入射角测量盘为以单侧光源为轴心的90°扇形量角器圆盘，入射角可以在此范围内连续调节和计量，顺时针旋转不同的光线入射角，且双侧可见光光源为对称调节，以保证入射光线汇聚在检测水样表面正中央，以方便后续折射角计算。

如图1所示，所述折射角测试系统包括进水系统、出水系统和折射角测试装置；如图2～3所示，所述折射角测试装置包括水样容器3-6，所述水样容器3-6的上开口由密封层3-2密封，所述密封层的材料的折射率为1.45-1.55；所述水样容器内部的下方设有折射检测升降台，所述折射检测升降台的上方设有感光板3-1，感光板上设有刻度；感光板随折射检测升降台运动。所述折射检测升降台包括台面3-7，双剪叉杆和液压缸3-5；所述台面由双剪叉杆支撑；所述压力传感器3-3固定在台面3-7上，所述压力传感器根据压力控制折射检测升降台上升或下降。所述双剪叉杆由第一支撑杆3-8和第二支撑杆3-9铰接而成，所述液压缸的两端分别固定于第一支撑杆和第二支撑杆上，用于控制双剪叉杆的升降；所述液压缸与压力传感器连接。所述折射检测升降台由防水膜3-4密封，与水样容器中的水样隔绝。

如图1所示，所述进水系统包括进水腔4-1、水泵4-2和进水槽4-3，所述进水腔设置在水样容器的底部，进水腔、水泵和进水槽依次通过导管连接，通过水泵将进水槽中不同浓度的检测水样抽入水样检测容器，通过水泵抽入的检测水样容量控制水压升降台的高度变化。所述出水系统包括出水腔5-1和出水槽5-2，所述出水腔设于置在水样容器顶部，所述出水腔和出水槽通过导管连接，调节检测水样的容量，保证检测水样不会溢出检测水样容器污染实验环境，腐蚀容器等。

本实施例的测定养殖水体叶绿素a含量的方法，包括以下步骤：

S1、选取多个种类的水样作为测试样本；本实施例从广东省淡水名优鱼类种苗与繁育中心采集每个季节水样100个，其中70个作为训练水样，其余30个作为测试水样。

S2、通过进水系统抽取第j种水样，此时水样容器中第j种水样的深度至少高过感光板；j为正整数；

S3、调节入射光线的角度，双侧光源对称调节，保证光源恰巧打在水面正中央，分别记录下入射角旋转的角度a和入射角角度测量盘的角度即入射角的角度i、水面6到感光板3-1的距离h、感光板上的感光范围s；所述入射角旋转的角度a为入射光线与水平方向的夹角；本实施例的测定养殖水体叶绿素a含量的方法的原理图如图4所示。

S4、计算折射角r的正切值tanr＝s/2h,计算折射角r＝arctan(s/2h)；利用入射角i和折射角r计算第j种水样的折射率n；

S5、将光源顺时针旋转调节入射光线的角度，重复步骤S3～S4；本实施例调节10组不同角度的入射光线，10组入射旋转角a和入射角i分别为20°，70°；25°，65°；30°，60°；35°，55°；40°，50°；45°，45°；50°，40°；55°，35°；60°，30°；65°，35°。

S6、改变第j种水样的体积，重复S2～S5多次；本实施例取10次不同容量的水样(1250mL，1375mL，1500mL，1625mL，1750mL，1875mL，2000mL,2125mL,2250mL,2375mL)进入测量系统，由于不同容量的水样产生的水压不同，导致压力传导器带动折射检测升降台的高度改变，通过折射检测升降台的高度改变从而得到10组不同的感光板深度h(50mm，55mm，60mm，65mm，70mm，75mm，80mm,85mm，90mm，95mm)，感光板上的感光范围s(241.4mm,214.6mm,191.4mm,173.4mm,156.7mm,142.1mm,128.1mm,113.7mm,99.7mm,85.3mm)，折射率n(1.037，1.034，1.036，1.035，1.037，1.036，1.304，1.036,1.035，1.034)。

S7、计算前述步骤多次测量得到的第j种水样的折射率的平均值，得到平均折射率n(本实施例n＝1.035)；

S8、采用传统的乙醇分光光度法测定第j种水样的叶绿素a含量(本实施例c＝90.92μg/L)；

S9、改变水样的种类，重复步骤S2～S8多次；

S10、利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的叶绿素a含量，建立平均折射率n和叶绿素a含量的一次函数解析式；

S11、利用光谱扫描系统采集各个种类的水样的平均光谱c；利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的平均光谱c建立相关偏最小二乘模型；

S12、利用光谱扫描系统采集待测水样的平均光谱，代入步骤S11中建立的偏最小二乘模型中确定待测水样的折射率，将计算的折射率带入到S10已经建立的叶绿素a浓度和折射率的一次函数解析式中确定养殖水体中的叶绿素a含量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，包括高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统；高光谱扫描系统、入射角测量盘和折射角测试系统的中轴线重合；

所述高光谱扫描系统包括镜头、高光谱仪、CCD相机和对称设置的两个单侧光源；

所述入射角测量盘为两个，分别固定于高光谱扫描系统的两个单侧光源上；所述入射角测量盘为以单侧光源为轴心的90°扇形量角器圆盘；

所述折射角测试系统设于高光谱扫描系统下方；所述折射角测试系统包括进水系统、出水系统和折射角测试装置；所述折射角测试装置包括水样容器，所述水样容器的上开口由密封层密封，所述密封层的材料的折射率为1.45-1.55；

所述水样容器内部的下方设有折射检测升降台，所述折射检测升降台的上方设有感光板，所述感光板随折射检测升降台运动；所述折射检测升降台上设有压力传感器，所述压力传感器根据压力控制折射检测升降台上升或下降。

2.根据权利要求1所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，所述折射检测升降台由防水膜密封，与水样容器中的水样隔绝。

3.根据权利要求1所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，所述折射检测升降台包括台面，双剪叉杆和液压缸；所述台面由双剪叉杆支撑；所述双剪叉杆由第一支撑杆和第二支撑杆铰接而成，所述液压缸的两端分别固定于第一支撑杆和第二支撑杆上，用于控制双剪叉杆的升降；所述液压缸与压力传感器连接；所述压力传感器固定在台面上。

4.根据权利要求1所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，所述进水系统包括进水腔、水泵和进水槽，所述进水腔设置在水样容器的底部，进水腔、水泵和进水槽依次通过导管连接。

5.根据权利要求1所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，所述出水系统包括出水腔和出水槽，所述出水腔设置于在水样容器顶部，所述出水腔和出水槽通过导管连接。

6.根据权利要求1所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置，其特征在于，所述感光板上设有刻度。

7.基于权利要求1～6任一项所述的测定养殖水体叶绿素a含量的装置的测定养殖水体叶绿素a含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取多个种类的水样作为测试样本；

S2、通过进水系统抽取第j种水样，此时水样容器中第j种水样的深度至少高过感光板；j为正整数；

S3、调节入射光线的角度，双侧光源对称调节，保证光源恰巧打在水面正中央，分别记录下入射角旋转的角度a和入射角角度测量盘的角度即入射角的角度i、水面到感光板的距离h、感光板上的感光范围s；所述入射角旋转的角度a为入射光线与水平方向的夹角；

S4、计算折射角r的正切值tanr＝s/2h,计算折射角r＝arctan(s/2h)；利用入射角i和折射角r计算第j种水样的折射率n；

S5、将光源顺时针旋转调节入射光线的角度，重复步骤S3～S4；

S6、改变第j种水样的体积，重复S2～S5多次；

S7、计算前述步骤多次测量得到的第j种水样的折射率的平均值，得到平均折射率n；

S8、采用传统的乙醇分光光度法测定第j种水样的叶绿素a含量；

S9、改变水样的种类，重复步骤S2～S8多次；

S10、利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的叶绿素a含量，建立平均折射率n和叶绿素a含量的一次函数解析式；

S11、利用光谱扫描系统采集各个种类的水样的平均光谱c；利用步骤S2～S9测量到的多个种类的水样的平均折射率n和其对应的平均光谱c建立相关偏最小二乘模型；

S12、利用光谱扫描系统采集待测水样的平均光谱，代入步骤S11中建立的偏最小二乘模型中确定待测水样的折射率，将计算的折射率带入到S10已经建立的叶绿素a浓度和折射率的一次函数解析式中确定养殖水体中的叶绿素a含量。