南京地理所在藻類水華監測研究方面取得進展

在氣候變暖和人類活動雙重作用的影響下，藻類水華頻發且呈現全球加劇態勢，嚴重威脅經濟社會可持續發展和人類健康。由于藻類水華生消過程快，實時精準的監測是藻類水華預測、預警和有效管控的關鍵。目前藻類水華監測主要包括現場觀測、水下自動監測和衛星遙感反演等三種方式。現場觀測費時費力，且無法在時間和空間上連續監測；水下自動監測探頭易受到水中物質侵蝕，且維護費用高昂；衛星遙感的時間分辨率低且受大氣影響較大。

　　對此，中國科學院南京地理與湖泊研究所研究員張運林團隊等基于水色遙感原理，研發了一款陸基高光譜遙感監測儀及原位高頻在線監測系統，實現了藻類水華連續、精準、實時監測，有效彌補了現有方法的不足。

　　該系統主要由高光譜測量儀器、數據處理平臺和遠程訪問控制、顯示和存儲平臺等三部分組成（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（數據處理平臺）的反演算法，轉化為葉綠素a信息。光譜反射率和葉綠素a數據通過無線傳輸設備進行遠程訪問控制、顯示和存儲。研究人員通過系統評估近幾十年來應用最廣泛的三種葉綠素a遙感反演的經驗算法、半分析算法以及機器學習算法等，遴選了建模和驗證精度最高的反演模型作為陸基遙感系統葉綠素a提取的主要模型（圖2）。

　　架設在太湖的陸基高光譜遙感監測系統清晰捕捉到2021年8月發生的兩次藻類水華形成過程（圖3）。除了藻類水華以外，陸基遙感系統亦可同步監測水體透明度、懸浮物、總氮、總磷、高錳酸鹽指數、營養狀態指數、藻密度等多個水生態環境參數，可為藻類水華發生機理研究提供精細化觀測和科學證據。該觀測系統主要有以下優勢：低成本、環保的方式實時、連續地提供藻類水華的高頻數據；水體信號不受大氣影響，不需要進行復雜的大氣校正；適用于中小型河流、湖泊的藻類水華動態監測；嵌入的AI芯片支持算法快速替換和升級以及遠程控制和數據訪問。目前該系統已廣泛應用于廣東、四川、江蘇、浙江、北京等數十個重要水體的水質監測。

　　相關研究成果發表在Journal of Hazardous Materials上。研究工作得到國家自然科學基金優秀青年基金、中科院科學儀器研發項目、南京地理所青年科學家小組等項目的聯合資助。

圖1 陸基遙感系統的原理和結構示意圖

圖2 陸基高光譜遙感監測系統機器學習算法檢驗與校正精度結果

圖3 陸基遙感系統捕捉到的兩次浮游植物水華和對應的現場照片