CN116297027A - 一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置，方法包括：获取待测量微囊藻群体的样品数据，送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。通过本发明提供的方法及装置，能够测量不同大小微囊藻群体的迁移轨迹，分析了微囊藻群体自身迁移特性，为微囊藻群体迁移分布数值模拟提供参数。
Description
技术领域
本发明涉及水生态环境技术领域，具体涉及一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置。
背景技术
微囊藻水华是全球普遍面临的水域生态问题。我国属于微囊藻水华频发的国家，以三峡水库为例，自三峡水库蓄水以来，神农溪、香溪河、小江等支流速度变缓，库湾多次暴发不同程度的微囊藻水华。微囊藻水华暴发需要满足两个条件：一是微囊藻生长使水体中生物量达到较高水平；二是微囊藻迁移聚集在水体表面。在富营养化水体中，微囊藻通常能达到较高的生物量，因此微囊藻在水体中的迁移成为水华暴发的关键过程。
现有关于研究微囊藻在水体迁移的方法主要包括显微计数法和遥感监测法。其中，显微计数法是一种微囊藻群体上浮速度的估测方法，具有精度低、效率低的劣势；遥感监测法一般用来获取微囊藻水平方向上的分布信息，而微囊藻水华暴发的关键在于微囊藻群体的垂向迁移。此外，微囊藻群体大小不一，不同大小微囊藻群体自身迁移特性也有所差别，现有技术中鲜有对不同大小微囊藻群体迁移特性的测量，难以为微囊藻水华数值模拟研究和水华预测预报提供支撑。
发明内容
因此，本发明提供了一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置，能够测量不同大小微囊藻群体的迁移轨迹，分析了微囊藻群体的自身迁移特性，进一步为微囊藻群体迁移分布数值模拟提供参数，为水华预测预报提供有效支撑，以解决上述背景中提出的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种测量微囊藻群体迁移特性的方法，包括：
获取待测量微囊藻群体的样品数据；
将待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；
提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
优选地，预设实验装置，包括：水柱系统、进样系统、PLIF系统和外部减震平台，其中，进样系统用于将待测量微囊藻群体的样品数据注入水柱系统，水柱系统用于观察微囊藻群体迁移特性，PLIF系统用于拍摄微囊藻群体迁移过程，外部减震平台用于减少振动干扰。
优选地，采用Image-J软件提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹。
优选地，微囊藻群体迁移轨迹规律为：迁移轨迹的整体形状呈扇形，展现出平移扩散特性。
优选地，迁移方向分布规律为：微囊藻群体迁移方向整体是垂直向上的，也存在其他方向的偏移。
优选地，基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度的过程，包括：
对不同时刻拍摄的微囊藻群体迁移轨迹照片通过Image-J软件进行读取，得到微囊藻群体不同时刻的运动轨迹z；
基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹z进行处理，得到任一时刻i对应的上浮速度
，具体为：
其中，K为像素和实际尺寸的转换系数，Δt为时刻间隔，n为群体迁移轨迹照片的时刻数目；
对求得的多个时刻的上浮速度取平均得到上浮速度
。
优选地，将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式的过程，包括：
通过Image-J软件读取每张微囊藻群体迁移轨迹照片的微囊藻群体直径D；
采用Log-Log拟合法对上浮速度
和微囊藻群体直径D进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
第二方面，本发明实施例提供一种测量微囊藻群体迁移特性的装置，包括：
获取单元，用于获取待测量微囊藻群体的样品数据；
测量单元，用于将待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；
分析单元，用于提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的一种测量微囊藻群体迁移特性的方法。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的一种测量微囊藻群体迁移特性的方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置，方法包括：获取待测量微囊藻群体的样品数据；将待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。通过本发明提供的方法及装置，能够测量不同大小微囊藻群体的迁移轨迹，分析了微囊藻群体的自身迁移特性，进一步为微囊藻群体迁移分布数值模拟提供参数，为水华预测预报提供有效支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例中提供的测量微囊藻群体迁移特性的方法的流程示意图；
图2本发明实施例中提供的预设实验装置的结构示意图；
图3本发明实施例中提供的微囊藻群体迁移轨迹规律的示意图；
图4本发明实施例中提供的微囊藻群体迁移方向分布规律的示意图；
图5本发明实施例中提供的上浮速度和微囊藻群体直径数据拟合的结果示意图；
图6本发明实施例中提供的测量微囊藻群体迁移特性的装置的模块组成图；
图7本发明实施例中提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
图中，
1、实验柱；2、保温盒；3、底座；4、橡胶管；5、注射器；6、哈佛泵；7、电脑；8、相机；9、激光。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种测量微囊藻群体迁移特性的方法，如图1所示，该方法包括：
步骤S1：获取待测量微囊藻群体的样品数据。
在本实施例中，对目标区域的微囊藻群体进行采样，再对其进行常规实验室处理后得到待测量微囊藻群体的样品数据，仅作为举例说明，不以此为限制。
步骤S2：将待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片。
在本实施例中，预设实验装置包括：水柱系统、进样系统、PLIF系统和外部减震平台，实验均在减震平台上进行，例如，卓立汉光OTR09-06专用减震平台，仅作为举例说明，不以此为限制。如图2所示，水柱系统，包括：实验柱1、保温盒2和底座3；进样系统，包括：橡胶管4、注射器5和哈佛泵6；PLIF系统，包括：电脑7、相机8和激光9，按照图示位置将各个器件安装固定好，用于后续的实验。
需要说明的是，实验采用非接触式的激光诱导荧光方法，即平面激光诱导荧光（Planer Laser Induced Fluorescence, PLIF）来获取微囊藻群体的迁移轨迹，实验过程中需考虑激光、温度和扰动等对环境流场的影响，严格遵循实验操作要求，即实验均在暗室以及25℃室温下进行同时考虑实验过程中减少外部扰动对微囊藻群体自身迁移的影响，具体实验过程为：
进样：通过进样系统的哈佛泵6将注射器5里装有待测量微囊藻群体的样品数据通过橡胶管4注入到水柱系统的实验柱1里。需要注意的是，注射器5吸取微囊藻群体的样品数据后固定在哈佛泵6上，静置30分钟后开启哈佛泵6，以0.1μL/s的注射流量将样品注入实验柱1，上述操作旨在进样时减少对水柱中液体的扰动，以保证实验的精确性与稳定性。
观察：水柱系统均采用透明有机玻璃制作而成，便于观察微囊藻群体迁移轨迹。连接并打开PLIF系统的激光9、相机8、以及电脑7中相应控制软件，调整激光9使片光通过实验柱1的中心，相机8调焦至画面清晰。为减少激光对流场的热影响，激光9采用脉冲模式，强度为2W；相机8的拍摄张数为100张，曝光时间为40ms，仅作为举例说明，不以此为限制，依据实际应用做适应性修改。需要说明的是，需等待实验柱1里的测量微囊藻群体的样品数据上浮至拍摄范围后，通过相机8纪录微囊藻群体迁移轨迹，拍摄范围选在距实验柱1底部27-30cm处，主要是考虑到样品从底部到达该位置时自身迁移速度已达到稳定状态且受初始注射条件影响较小，用以排除微囊藻群体自身迁移特性以外的其他干扰。
步骤S3：提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
在本实施例中，采用Image-J软件提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，并对微囊藻群体迁移轨迹进行处理和分析，具体为：统一将所有微囊藻群体迁移轨迹的原点移到同一位置（0, 0），得到微囊藻群体迁移轨迹规律的示意图，如图3所示，迁移轨迹的整体形状呈扇形，展现出平移扩散特性。由图可知，运动轨迹z有长有短说明了不同大小的微囊藻群体迁移的上浮速度是不同的。此外，通过统计微囊藻群体迁移方向，得到微囊藻群体迁移方向分布规律的示意图，如图4所示，微囊藻群体迁移方向整体是垂直向上的，即90°，也存在其他方向的偏移，即60°-120°。
在本实施例中，通过对不同时刻拍摄的微囊藻群体迁移轨迹照片基于Image-J软件进行读取，得到微囊藻群体不同时刻的运动轨迹z。基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹z进行处理，得到任一时刻i对应的上浮速度
，具体为：
其中，K为像素和实际尺寸的转换系数，Δt为时刻间隔，n为群体迁移轨迹照片的时刻数目；需要说明的是K的取值依据实际需求设定，在此不做具体限制。对求得的多个时刻的上浮速度取平均得到上浮速度
。
通过Image-J软件读取每张微囊藻群体迁移轨迹照片的微囊藻群体直径D；采用Log-Log拟合法对上浮速度
和微囊藻群体直径D进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式，即u B=0.117D 1.25，拟合结果如图5所示。
本发明实施例提供的测量微囊藻群体迁移特性的方法，利用PLIF技术观察测量了不同大小微囊藻群体的迁移轨迹，分析了微囊藻群体的自身迁移特性，进一步为微囊藻群体迁移分布数值模拟提供参数，为水华预测预报提供有效支撑。
实施例2
本发明实施例提供一种测量微囊藻群体迁移特性的装置，如图6所示，包括：
获取单元，用于获取待测量微囊藻群体的样品数据；此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。
测量单元，用于将待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。
分析单元，用于提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式；此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。
本发明实施例提供的测量微囊藻群体迁移特性的装置，能够测量不同大小微囊藻群体的迁移轨迹，分析了微囊藻群体的自身迁移特性，进一步为微囊藻群体迁移分布数值模拟提供参数，为水华预测预报提供有效支撑。
实施例3
本发明实施例提供一种计算机设备，如图7所示，包括：至少一个处理器701，至少一个通信接口703，存储器704和至少一个通信总线702。其中，通信总线702用于实现这些组件之间的连接通信，通信接口703可以包括显示屏和键盘，可选通信接口703还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器704可以是高速易挥发性随机存取存储器，也可以是非不稳定的存储器，还可以是至少一个位于远离前述处理器701的存储装置。其中处理器701可以执行实施例1的测量微囊藻群体迁移特性的方法。存储器704中存储一组程序代码，且处理器701调用存储器704中存储的程序代码，以用于执行实施例1的测量微囊藻群体迁移特性的方法。
其中，通信总线702可以是外设部件互连标准（Peripheral ComponentInterconnect，简称PCI）总线或扩展工业标准结构（Extended Industry StandardArchitecture，简称EISA）总线等。通信总线702可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器704可以包括易失性存储器（Volatile Memory），例如随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）；存储器也可以包括非易失性存储器（Non-volatileMemory），例如快闪存储器（Flash Memory），硬盘（Hard Disk Drive，简称HDD）或固态硬盘（Solid-state Drive，简称SSD）；存储器704还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器701可以是中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），网络处理器（Network Processor，简称NP）或者CPU和NP的组合。
其中，处理器701还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit，简称ASIC），可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，简称PLD）或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，简称CPLD）、现场可编程逻辑门阵列（FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA）、通用阵列逻辑（Generic Array Logic，简称GAL）或其任意组合。
可选地，存储器704还用于存储程序指令。处理器701可以调用程序指令，实现如本发明执行实施例1中的测量微囊藻群体迁移特性的方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的测量微囊藻群体迁移特性的方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read Only Memory，简称ROM）、随机存储记忆体（Random Access Memory，简称RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（HardDisk Drive，简称HDD）或固态硬盘（Solid State Drive，简称SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，包括：
获取待测量微囊藻群体的样品数据；
将所述待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；
提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
2.根据权利要求1所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，所述预设实验装置，包括：水柱系统、进样系统、PLIF系统和外部减震平台，其中，进样系统用于将待测量微囊藻群体的样品数据注入水柱系统，水柱系统用于观察微囊藻群体迁移特性，PLIF系统用于拍摄微囊藻群体迁移过程，外部减震平台用于减少振动干扰。
3.根据权利要求2所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，采用Image-J软件提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹。
4.根据权利要求1所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，所述微囊藻群体迁移轨迹规律为：迁移轨迹的整体形状呈扇形，展现出平移扩散特性。
5.根据权利要求1所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，所述迁移方向分布规律为：微囊藻群体迁移方向整体是垂直向上的，也存在其他方向的偏移。
6.根据权利要求3所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，所述基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度的过程，包括：
对不同时刻拍摄的微囊藻群体迁移轨迹照片通过Image-J软件进行读取，得到微囊藻群体不同时刻的运动轨迹z；
基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹z进行处理，得到任一时刻i对应的上浮速度
，具体为：
其中，K为像素和实际尺寸的转换系数，Δt为时刻间隔，n为群体迁移轨迹照片的时刻数目；
对求得的多个时刻的上浮速度取平均得到上浮速度
。
7.根据权利要求6所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法，其特征在于，所述将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式的过程，包括：
通过Image-J软件读取每张微囊藻群体迁移轨迹照片的微囊藻群体直径D；
采用Log-Log拟合法对上浮速度
和微囊藻群体直径D进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
8.一种测量微囊藻群体迁移特性的装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取待测量微囊藻群体的样品数据；
测量单元，用于将所述待测量微囊藻群体的样品数据送入预设实验装置，通过实时记录微囊藻群体迁移过程，得到微囊藻群体迁移轨迹照片；
分析单元，用于提取每张微囊藻群体迁移轨迹照片中微囊藻群体直径和运动轨迹，对不同时刻的运动轨迹进行分析得到微囊藻群体迁移轨迹规律和迁移方向分布规律，以及基于像素坐标与实际尺寸转换关系对不同时刻的运动轨迹进行处理得到上浮速度，并将上浮速度和微囊藻群体直径进行数据拟合，得到表征微囊藻群体自身迁移特性的指数关系式。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行权利要求1-7中任一所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一所述的测量微囊藻群体迁移特性的方法。
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| CN202310520422.0A Active CN116297027B (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 一种测量微囊藻群体迁移特性的方法及装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116297027B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102494986A (zh) * | 2011-11-22 | 2012-06-13 | 南京大学 | 一种测定微囊藻上浮百分比的方法 |
| CN102818755A (zh) * | 2012-07-23 | 2012-12-12 | 河海大学 | 使用激光粒度仪实测微囊藻密度及群体大小的方法 |
| CN103439303A (zh) * | 2013-08-09 | 2013-12-11 | 中国长江三峡集团公司 | 用于水华预警的藻类复苏及垂向迁移监测装置及监测方法 |
| CN204702739U (zh) * | 2015-05-13 | 2015-10-14 | 天津农学院 | 一种微囊藻群体细胞分散仪 |
| CN106018245A (zh) * | 2016-05-20 | 2016-10-12 | 河海大学 | 一种富集及检测微囊藻单细胞和群体生物量的方法 |
| CN106124708A (zh) * | 2016-07-28 | 2016-11-16 | 中国林业科学研究院林业新技术研究所 | 藻类垂直迁移模拟实验装置及其应用 |
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2023
- 2023-05-10 CN CN202310520422.0A patent/CN116297027B/zh active Active
Patent Citations (6)
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