（海洋化学专业论文）基于加权非负最小二乘法的近海浮游植物荧光识别测定技术.pdf

基于加权非负最小二乘法的 近海浮游植物荧光识别测定技术 摘要 近年来有害赤潮肆虐于我国和世界各国沿海，是国际社会共同关注的重大海 洋生态环境问题和自然灾害。赤潮监测是对赤潮进行预警预报和防治控制的基础， 通过快速、现场监测赤潮爆发前后浮游植物种群结构的变化过程，主要包括浮游 植物群落组成及变化过程、引发赤潮的浮游植物种类等，便于及时采取措施、控 制事态发展、减少损失，同时也为赤潮研究提供重要资料。浮游植物活体荧光光 谱可以提供丰富的光谱信息，而且灵敏度高，选择性好，不需要复杂的前处理过 程，可以满足对赤潮快速、实时监测的需要。 本文选择了我国近海常见2 5 种优势藻种和赤潮浮游植物，分属于甲藻门、 硅藻门、金藻门、蓝藻门、隐藻门和绿藻门，在实验室进行培养，获得浮游植物 三维荧光光谱。基于此，采用加权非负最小二乘、支持向量学习机等技术，建立 了能够在赤潮未发生时在门类的水平上测定浮游植物群落组成，赤潮发生时在属 的水平上识别引发赤潮的浮游植物种类的荧光分析技术。 ( 1 ) 基于荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术建立。对于扫描得到 的三维荧光光谱进行瑞利散射校正，并使用平滑方法去除光谱中的噪声干扰。然 后选择发射波长6 8 0 n m 的激发光谱进行技术建立。首先考察光谱的精密度和重 现性。通过f i s h e r 判别分析图可以直观的看出应用荧光激发光谱对浮游植物进行 分类的可行性。选取各门类浮游植物荧光激发光谱的平均值作为其特征谱。并考 察了不同门类浮游植物荧光特征谱的线性无关性以及浮游植物培养光照的影响。 在此基础上，利用多元回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于荧光激发光 谱的浮游植物群落组成测定技术。该技术对单种藻样品的识别正确率为甲藻 7 6 8 ，硅藻9 7 4 ，金藻9 1 7 ，蓝藻、隐藻和绿藻均为1 0 0 ，对于多种藻混 合样品的识别正确率为8 3 6 ，对于围隔样品的识别正确率为5 4 2 ，对于胶州 湾现场样品的识别正确率为6 6 7 。该技术可为现有荧光分光光度计提供技术支 持。 ( 2 ) 基于离散荧光激发光谱的浮游植物群落组成测定技术建立。运用四阶 导数并结合可获得的单色发光二极管的实际情况，选择11 个激发波长点的发射 波长为6 8 0 n m 的离散荧光激发光谱进行技术建立。考察了光谱的精密度和重现 性。通过f i s h e r 判别分析图可以直观的看出应用离散荧光激发光谱对浮游植物进 行分类的可行性。选取各门类浮游植物离散荧光激发光谱的平均值作为其特征 谱，并考察了不同门类浮游植物特征谱的线性无关性以及培养光照的影响。在此 基础上，利用多元线性回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于离散荧光激 发光谱的浮游植物群落组成测定技术。该技术对单种藻的样品正确率为：甲藻 8 1 6 ，硅藻9 2 2 ，金藻8 6 1 ，蓝藻、隐藻和绿藻均为1 0 0 。多种藻样品 测定正确率8 5 2 ，对于围隔样品的识别正确率为5 8 3 ，对于胶州湾现场样品 的识别正确率为8 3 3 。该技术为自主研制以发光二极管为光源的浮游植物荧光 分析仪提供了技术支持。 ( 3 ) 基于多激发荧光发射光谱建立了浮游植物群落组成测定技术。首先对 于扫描得到的三维荧光光谱进行瑞利散射校正，并使用平滑方法去除光谱中的噪 声干扰。根据多激发激光荧光雷达的常用激发波长，选择4 个激发波长点，发射 波长范围为6 0 0 7 5 0 n m ，构建多激发荧光发射光谱用于技术的建立。考察了光谱 的精密度和重现性。通过f i s h e r 判别分析图可以直观的看出应用多激发荧光发射 光谱对浮游植物进行分类的可行性。选取各个门类多激发荧光发射光谱的平均值 作为其特征谱。然后考察了不同门类浮游植物特征谱的线性无关性以及光照的影 响。此基础上，利用多元线性回归技术和加权非负最小二乘方法建立了基于多激 发荧光发射光谱的浮游植物群落组成测定技术。应用该技术对单种藻的样品识别 正确率为甲藻8 1 6 ，硅藻9 6 9 ，金藻7 2 2 ，蓝藻、隐藻和绿藻均为1 0 0 。， 对于多种藻混合样品的识别正确率为8 3 6 ，对于围隔样品的识别正确率为 6 2 5 ，对于胶州湾现场样品的识别正确率为6 6 7 。该技术将为多激发激光荧 光雷达提供技术支持。 ( 4 ) 应用支持向量机技术，基于赤潮浮游植物的三维荧光光谱建立了属水 平上的赤潮浮游植物荧光识别测定技术。首先校正三维光谱中的瑞利散射，利用 多项式平滑方法去除噪声的干扰。考察光谱的精密度和重现性。通过f i s h e r 判别 分析图可以直观的看出应用三维荧光光谱对浮游植物进行分类的可行性。应用支 持向量机技术时，选择使用径向基核函数，设定半径及惩罚因子，定义q p 函数 参量后应用m a t l a b 中的q u a d p r o g 函数解决该二次规划问题，求出拉格朗日乘子 后计算权向量和偏移量，确定支持向量机的相关参数。该技术对单种藻样品在属 的水平上的识别正确率为9 6 9 ，当加入5 的随机噪声时，判别正确率为7 5 ； 在属水平上对多种藻混合样品的识别正确率可达到8 0 1 。 本文针对不同的应用平台，以浮游植物的荧光激发光谱、离散荧光激发光谱 和多激发荧光发射光谱为研究对象，建立了能够将甲藻和硅藻分类测定的门类水 平上的浮游植物群落组成测定技术；同时，以发生赤潮时对引发赤潮的浮游植物 进行现场、快速识别测定为目标，基于浮游植物三维荧光光谱，应用支持向量机 技术初步建立了对于赤潮浮游植物属水平上的识别测定技术。 关键词：浮游植物；荧光光谱；加权非负最小二乘法；多元回归；支持向量机 i i i fiu o r e s c e n c edis o rimin a tio nt e c h niq u eb a s e do n w eig h t e dn o n n e g a tiv eie a s t s q u a r e sf o rt h e p h y t o p ia n k t o nint h ec o a s t alw a t e r s a b s t r a c t r e c e n t l y , m o r ea n dm o r er e dt i d e sh a v eb e e no c c u l t e di nt h ec h i n as e a , w h i c hh a s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o n so ft h es o c i e t ya sa ni m p o r t a n tm a l i n ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na n dn a t u r a ld i s a s t e r s t h ek e yt op r e d i c t i n gt h er e dt i d e sa n dr e d u c i n gi t s i n f l u e n c ei st of i n do u tt h em e c h a n i s mh o wt h er e dt i d eh a p p e n s a n dt h ep r e m i s eo f k n o w i n gt h em e c h a n i s mh o w t h er e dt i d e sh a p p e n sa n dd i e so u ti st h eo b s e r v i n go ft h e v a r i a b i l i t yo ft h ep h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yb e f o r ea n da f t e rt h er e dt i d e sh a p p e n s ， i n c l u d i n gt h ep h y t o p l a n k t o ng r o u p s ，q u a n t i t ya n dt h es p e c i e s ，e t c t h e i nv i v o f l u o r e s c e n c em e t h o d sc a np r o v i d ea b u n d a n ti n f o r m a t i o na n da v o i du s i n gc o m p l i c a t e d p r e - d i s p o s ep r o c e d u r e w i t ht h eh i g hs e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y , i tc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so fs p e e d i n e s sa n dr e a lt i m ef o rt h er e d t i d e ss u r v e y i nt h i s p a p e r , t w e n t y f i v ec o m m o na l g a e w h i c h b e l o n g t o d i n o p h y t a , b a c i l l a r i o p h y t a , c h r y s o p h y t a , c y a n o p h y t a , c r y p t o p h y t a a n dc h l o r o p h y t aw e r e c h o s e nt oc u l t u r e t h ea l g a ew e r ec u l t u r e di nt h el a b o r a t o r ya n dt h e3 df l u o r e s c e n c e s p e c t r aw e r em e a s u r e d t h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n s o ft h e p h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yw a se s t a b l i s h e du s i n gt h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ao nt h el e v e l o fd i v i s i o n ( e s p e c i a l l yf o rt h ed i n o p h y t aa n db a c i l l a r i o p h y t a ) u s i n gt h em u l t i - v a r i a b l e r e g r e s s i o nm e t h o da n dt h ew e i g h t e d n o n n e g a t i v el e a s t s q u a r e s a n d t h e d i s c r i m i n a t i o nt e c h n i q u eo nt h el e v e lo fg e n u sw h e nt h er e dt i d ew a sh a p p e n e dw a s e s t a b l i s h e db ys u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so ft h e p h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yb a s i n go nt h ef l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o ns p e c t r a f i r s t l y , t h e r a y l e i g hs c a t t e ri nt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r am e a s u r e dw a sc o r r e c t e d ，a n dt h en o i s e i nt h es p e c t r aw a sw i p e do f fu s i n gt h es gs m o o t h i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt h er e p o r t o ft h el i t e r a t u r e ，t h ef l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o ns p e c t r aa tt h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho f v 6 8 0 n mw a ss e l e c t e dt oe s t a b l i s ht h et e c h n i q u e t h ep r e c i s i o na n dr e p r o d u c t i o no ft h e s p e c t r aw e r ea n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n a n dt h e nt h e f i s h e r sl i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( f l d a ) h a sb e e nd o n et ot e s tw h e t h e rt h e s p e c t r ao fa l g a es p e c i e sb e l o n g i n gt od i f f e r e n td i v i s i o n sc a l lb ed i f f e r e n t i a t e d t h e m e a ns p e c t r ao fe v e r yd i v i s i o nw e r eu s e da st h ec l a s s i f i e dc r i t e r i o n ( n o r ms p e c t r a ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ep r e c i s i o no f t h es p e c t r a t h el i n e a ri n d e p e n d e n c eo ft h e n o r ms p e c t r aa n di n f l u e n c eo fi r r a d i a n c eo nt h en o r ms p e c t r aw e r ea l s od i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y t h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so f t h ep h y t o p l a n k t o n c o m m u r l i t yw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ew e i g h t e dn o n n e g a t i v el e a s t - s q u a r e s a n d m u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d s t h es i n g l ea l g a es a m p l e s ，t h em i x e ds a m p l e a n dt h ei ns i t us a m p l e sw e r et e s to nt h el e v e lo fd i v i s i o nu s i n gt h et e c h n i q u ei nt h i s c h a p t e r , a n dt h er i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i ow a s7 6 8 f o rd i n o p h y t a , 9 7 4 f o r b a c i l l a r i o p h y t a , 9 1 7 f o rc h r y s o p h y t a , 1 0 0 f o rc y a n o p h y t a , 1 0 0 f o r c r y p t o p h y t aa n d10 0 f o rc h l o r o p h y t a t h er i g h tr a t i ow a s8 3 6 f o rt h em i x e d s a m p l e s ，5 4 2 f o rt h em a i d a oe n c l o s u r es a m p l e sa n d6 6 7 f o rt h ej i a o z h o ub a y s a m p l e s ( 2 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo f t h ec o m p o s i t i o n so ft h e p h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yb a s i n go nt h ed i s p e r s e f l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o ns p e c t r a a c c o r d i n gt h ed e r i v a t i v ea n a l y z e sa n d t h ed e v e l o p m e n to ft h el e d ，t h ef l u o r e s c e n c e e x c i t a t i o ns p e c t r aa tt h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho f6 8 0 n mc o n s i s t e do fe l e v e ne x c i t a t i o n w a v e l e n g t hw a ss e l e c t e dt oe s t a b l i s ht h et e c h n i q u e t h ep r e c i s i o na n dr e p r o d u c t i o no f t h es p e c t r aw e r ea n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n a n dt h e nt h e f i s h e r sl i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( f l d a ) h a sb e e nd o n et ot e s tw h e t h e rt h e s p e c t r ao fa l g a es p e c i e sb e l o n g i n g t od i f f e r e n td i v i s i o n sc a nb ed i f f e r e n t i a t e d i n t u i t i v e l y t h em e a ns p e c t r ao fe v e r yd i v i s i o nw e r eu s e da st h ec l a s s i f i e dc r i t e r i o n ( n o r ms p e c t r a ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ep r e c i s i o no ft h es p e c t r a t h el i n e a r i n d e p e n d e n c eo ft h en o r ms p e c t r aa n di n f l u e n c eo fi r r a d i a n c eo nt h en o r ms p e c t r a w e r ea l s od i s c u s s e ds u b s e q u e n t l y t h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so f t h ep h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ew e i g h t e dn o n n e g a t i v e l e a s t s q u a r e sa n dm u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d s t h es i n g l ea l g a es a m p l e s ， v l t h em i x e ds a m p l ea n dt h ei ns i t us a m p l e sw e r et e s to nt h el e v e lo fd i v i s i o nu s i n gt h e t e c h n i q u ei nt h i sc h a p t e r , a n dt h er i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i ow a s81 6 f o rd i n o p h y t a , 9 2 2 f o rb a c i l l a r i o p h y t a , 8 6 1 f o rc h r y s o p h y t a , 10 0 f o rc y a n o p h y t a , 10 0 f o r c r y p t o p h y t aa n d10 0 f o rc h l o r o p h y t a t h er i g h tr a t i ow a s8 5 2 f o rt h em i x e d s a m p l e s ，5 8 3 f o rt h em a i d a oe n c l o s u r es a m p l e sa n d8 3 3 f o rt h ej i a o z h o ub a y s a m p l e s i to f f e r e dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h em a n u f a c t u r eo ff l u o r e s c e n c e s p e c t r o p h o t o m e t e ru s i n gt h el e d 髂t h el i g h ts o u r c ea n dc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s o fm a r i n es u p e r v i s es t a t i o nf o rt h er e dt i d e ( 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so ft h e p h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yb a s i n go nt h em u l t i - e x c i t a t i o nw a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c e e m i s s i o ns p e c t r a f i r s t l y , t h er a y l e i g hs c a t t e ri nt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r am e a s u r e d w a sc o r r e c t e d ，a n dt h en o i s ei nt h es p e c t r aw a sw i p e do f fu s i n gt h es gs m o o t h i n g m e t h o d s a c c o r d i n gt h er e p o r to ft h el i t e r a t u r e ，f o u re x c i t a t i o nw a v e l e n g t h sw e r e s e l e c t e da n dt h er a n g eo fe m i s s i o nw a v e l e n g t hi s6 0 0 - 7 5 0 n m t h em u l t i e x c i t a t i o n w a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r aw e r ec o n s t r u c t e di nt h ew a yo fe n dt oe n d t h ep r e c i s i o na n dr e p r o d u c t i o no ft h e s p e c t r aw e r ea n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h e r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o n a n dt h e nt h ef i s h e r sl i n e a rd i s c r i m i n a n t a n a l y s i s ( f l d a ) h a sb e e nd o n et ot e s tw h e t h e rt h es p e c t r ao fa l g a es p e c i e sb e l o n g i n gt o d i f f e r e n td i v i s i o n sc a i lb ed i f f e r e n t i a t e di n t u i t i v e l y t h em e a n s p e c t r ao fe v e r yd i v i s i o n w e r eu s e da st h ec l a s s i f i e dc r i t e r i o n ( n o r ms p e c t r a ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e p r e c i s i o no f t h es p e c t r a t h el i n e a ri n d e p e n d e n c eo ft h en o r ms p e c t r aa n di n f l u e n c eo f i r r a d i a n c eo nt h en o r ms p e c t r aw e r ea l s od i s c u s s e ds u b s e q u e n t l yt h ed e t e r m i n i n g t e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so ft h ep h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t yw a se s t a b l i s h e dw i t l l t h ew e i g h t e dn o n n e g m i v el e a s t - s q u a r e sa n dm u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d s t h es i n g l ea l g a es a m p l e s ，t h em i x e ds a m p l ea n dt h ei ns i t us a m p l e sw e r et e s to nt h e l e v e lo fd i v i s i o nu s i n gt h et e c h n i q u ei nt h i sc h a p t e r , a n dt h er i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i o w a s81 6 f o rd i n o p h y t a , 9 6 9 f o rb a c i l l a r i o p h y t a , 7 2 2 f o rc h r y s o p h y t a , 1 0 0 f o rc y a n o p h y t a , 10 0 f o rc r y p t o p h y ma n d10 0 f o rc h l o r o p h y t a t h ef i g h tr a t i o w a s8 3 6 f o rt h em i x e ds a m p l e s ，6 2 5 f o rt h em a i d a oe n c l o s u r es a m p l e sa n d 6 6 7 f o rt h ej i a o z h o ub a y s a m p l e s t h i st e c h n i q u es u p p o r tt h eu s a g eo fm a r i n el a s e r v l l l i d a rs y s t e mf o r t h er e dt i d es u p e r v i s e ( 4 ) t h ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o d so fr e dt i d ea l g a eo nt h el e v e lo fs p e c i e sw e r e e s t a b l i s h e du s i n gt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s 、析t l lt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r a f i r s t l y , t h er a y l e i g hs c a t t e ri nt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r am e a s u r e dw a sc o r r e c t e d ， a n dt h en o i s ei nt h es p e c t r aw a sw i p e do f fu s i n gt h es gs m o o t h i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt h er e p o r to ft h el i t e r a t u r e ，t h e f l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o ns p e c t r aa tt h e e m i s s i o nw a v e l e n g t ho f6 8 0 n mw a ss e l e c t e dt oe s t a b l i s ht h et e c h n i q u e t h ep r e c i s i o n a n dr e p r o d u c t i o no ft h es p e c t r aw e r ef i n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h er e l a t i v es t a n d a r d d e v i a t i o n a n dt h e nt h ef i s h e r sl i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ( f l d a ) h a sb e e nd o n e t ot e s tw h e t h e rt h es p e c t r ao fa l g a es p e c i e sb e l o n g i n gt od i f f e r e n td i v i s i o n sc a nb e d i f f e r e n t i a t e di n t u i t i v e l y w h e nt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sw e r eu s e d ，t h er a d i a lk e r n e lf u n c t i o nw a s s e l e c t e da c c o r d i n gt h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r a t h er a d i u sa n dp u n i s hf a c t o rw e r es e t ， a n dt h eq pf u n c t i o np a r a m e t e r sw e r ed e f i n e d t h e nt h eq u a d r a t i cl o s sf u n c t i o nw a s s o l v e du s i n gt h ef u n c t i o no fq u a d p r o gi nm a t l a b ，a n dt h el a g r a n g em u l t i p l i e rw a s c a l c u l a t e da n dt h eo t h e rp a r a m e t e r sw e r ea l s oc a l c u l a t e ds u b s e q u e n t l y c a l c u l a t i n gt h e s y m b o lf u n c t i o na n dt h e nj u d g e 。w h i c hs p e c i e st h et e s t e ds a m p l es h o u l db e a n dt h e r i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i ow a s9 6 9 ，b u tw h e nt h el e v e lo f n o i s ew a su pt o5 ，t h e r i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i ow a sd e c l i n e dt o7 5 t h er i g h td i s c r i m i n a t i o nr a t i ow a s 8 0 1 f o rt h em i x e ds a m p l e so nt h el e v e lo fg e n u s t h ed e t e r m i n i n gt e c h n i q u eo ft h ec o m p o s i t i o n so ft h ep h y t o p l a n k t o nc o m m u n i t y b a s i n go nt h ef l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o ns p e c t r a , t h ed i s p e r s ef l u o r e s c e n c ee x c i t a t i o n s p e c t r aa n dt h e m u l t i e x c i t a t i o nw a v e l e n g t hf l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r aw e r e e s t a b l i s h e d a n dt h ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o d so fr e dt i d ea l g a eo nt h el e v e lo fs p e c i e s u s i n gt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sw i t ht h e3 df l u o r e s c e n c es p e c t r ao f f e r e da n o t h e r m e t h o df o rt h ed i s c r i m i n a t i o no fr e dt i d eo nt h el e v e lo fg e n u s k e y w o r d s ：p h y t o p ia n k t o n ：fiu o r e s c e n c es p e c t r u m ；w eig h tin gn o n n e g a tiv e i e a s t - s q u a r e s ：u u i t iv a ri a b i er e g r e s s i o n , s u p p o r tv e c t o rm a t h i n e s v i i i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 塑遮直基丝耋要缱别重跑数! 奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：讯膏册签字日期：触年歹月芗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翻声胴 签字日期幺形年j 月3 1 日 导师签字一2 举 签字日期：，孵了月了7 曰 基于加权非负最小二乘法的近海浮游植物荧光识别测定技术 0 前言 近年来，我国近海海域发生频率以每1 0 年增加3 倍的速度不断上升，而且单 次赤潮发生时的面积和持续时间不断扩大，所造成的危害程度也逐年增加，对我 国沿海的海洋生态、资源、环境造成了严重的问题和重大的经济损失，已成为我 国政府和相关部门密切关注的问题。快速检测海水中浮游植物群落组成，不仅是 预测、预报赤潮发生的先决条件，也是掌握赤潮灾害发生、发展和消亡规律，以 及赤潮发生海区浮游植物种群变动及其数量变化规律的重要环节，发展快速、实 时的浮游植物群落组成测定技术已成为我国海洋科学工作者的一项重要任务。 目前，常用的浮游植物种类鉴别方法有图象识别技术、色素分析技术、荧光 技术等方法。图像技术和色素分析技术因仪器和操作条件的限制，无法普及于各 海洋监测站，也无法应用于现场实时测定。浮游植物活体荧光分析仪因具有便携、 快速、易于实现现场实时测定等优点而广受欢迎。近十年来，荧光技术在海洋浮 游植物群落组成监测方面得到很大的发展。t s a i - y u nl e e 等根据蓝藻所具有的藻 蛋白发出的特征荧光谱，建立了现场活体监测蓝藻含量的荧光分析技术，在 o 0 1 1 0 肛g m l 的范围内可准确测定海水样品中的蓝藻含量；b e u t l e r 等( 2 0 0 2 ) 也 使用发光二极管，利用五个激发波长( 4 5 0 n m ，5 2 5 n m ，5 7 0 r i m ，5 9 0 n m ，6 10 n m ) 的 叶绿素荧光光谱，将浮游植物分为四大类( 绿藻，蓝藻，隐藻，混合藻( 含甲藻 和硅藻) ) 识别测定，建立了浮游植物群落组成测定技术，基于此技术所研制的 便携式仪器和建立的实时定点监测系统，可用来测定浮游植物群落组成，这就是 目前已经商品化的b b e 藻类分析仪。b b e 技术在两个方面取得了突破性成果，一 是在门类的水平上测定浮游植物群落组成，即利用5 个激发波长点的叶绿素荧光 激发光谱，来实现对浮游植物群落组成测定；二是b b e 采用发光二极管作光源， 避免了一般荧光分光光度计使用氙灯为光源而使得仪器结构复杂、耗能大、需固 定使用、灵敏度低等缺点，适应了现场、实时、快速监测的需要。但a l g a ea n a l y s e r 藻分析仪没有将我国近海