一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及養(yǎng)殖水體水質(zhì)的檢測，特別涉及一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]葉綠素a是評價養(yǎng)殖水體水質(zhì)的重要有機(jī)營養(yǎng)物指標(biāo)，同時還是維持養(yǎng)殖水體持續(xù)供養(yǎng)的必須物質(zhì)。目前檢測養(yǎng)殖水體中葉綠素a的裝置及方法有常規(guī)的理化實(shí)驗(yàn)法和遙感高光譜測定法。然而這些裝置及方法耗時，費(fèi)力，昂貴難以滿足現(xiàn)代養(yǎng)殖水體營養(yǎng)物在線快速檢測的需求。因此，發(fā)展一種無損、快速、準(zhǔn)確的檢測裝置及方法來檢測養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。高光譜遙感技術(shù)作為新興的無損檢測技術(shù)，能夠同時快速、無損地獲取光譜信息和空間分布信息，從而實(shí)現(xiàn)定性、定量及定位的全方位檢測，在養(yǎng)殖水體檢測中表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)越性。
[0003]葉綠素a含量是非常重要的水質(zhì)指標(biāo)，與水體營養(yǎng)水平息息相關(guān)。而且除了對光合作用的重要性，葉綠素a通常被作為主要的估計量對內(nèi)陸水域浮游植物進(jìn)行分析。因此，量化葉綠素a可以作為一個標(biāo)準(zhǔn)的方式對水體中的生物化學(xué)成分和水生生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評價。目前采集高光譜圖像的裝置及方法通常是，將裝有檢測水樣的檢測容器放在載物臺上，通過移動載物臺進(jìn)行線掃描獲得高光譜圖像。但是由于水樣的強(qiáng)烈鏡面反射，使得光譜吸收值極低，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確的計算養(yǎng)殖水體中葉綠素a的含量。如中國專利CN201410185064.3公布的基于數(shù)據(jù)同化的內(nèi)陸水體葉綠素濃度多模型協(xié)同反演裝置及方法中利用反演模型檢測水樣中的葉綠素濃度、中國專利CN201410031687.3公布的基于遙感的湖泊水體藍(lán)藻豐度的估算裝置及方法中采用遙感技術(shù)避免了水面的強(qiáng)烈反射但是遙感技術(shù)并不適合于一般的實(shí)驗(yàn)室測定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，避免了水樣的鏡面反射導(dǎo)致吸收光譜值很低的問題，提高了養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量測定的準(zhǔn)確度。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供基于上述測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置的測定方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，包括高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)；高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)的中軸線重合；
[0008]所述高光譜掃描系統(tǒng)包括鏡頭、高光譜儀、CCD相機(jī)和對稱設(shè)置的兩個單側(cè)光源；
[0009]所述入射角測量盤為兩個，分別固定于高光譜掃描系統(tǒng)的兩個單側(cè)光源上；所述入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤；
[0010]所述折射角測試系統(tǒng)設(shè)于高光譜掃描系統(tǒng)下方；所述折射角測試系統(tǒng)包括進(jìn)水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和折射角測試裝置；所述折射角測試裝置包括水樣容器，所述水樣容器的上開口由密封層密封，所述密封層的材料的折射率為1.45-1.55 ；
[0011]所述水樣容器內(nèi)部的下方設(shè)有折射檢測升降臺，所述折射檢測升降臺的上方設(shè)有感光板，所述感光板隨折射檢測升降臺運(yùn)動；所述折射檢測升降臺上設(shè)有壓力傳感器，所述壓力傳感器根據(jù)壓力控制折射檢測升降臺上升或下降。
[0012]所述折射檢測升降臺由防水膜密封，與水樣容器中的水樣隔絕。
[0013]所述折射檢測升降臺包括臺面，雙剪叉桿和液壓缸；所述臺面由雙剪叉桿支撐；所述雙剪叉桿由第一支撐桿和第二支撐桿鉸接而成，所述液壓缸的兩端分別固定于第一支撐桿和第二支撐桿上，用于控制雙剪叉桿的升降；所述液壓缸與壓力傳感器連接；所述壓力傳感器固定在臺面上。
[0014]所述進(jìn)水系統(tǒng)包括進(jìn)水腔、水泵和進(jìn)水槽，所述進(jìn)水腔設(shè)置在水樣容器的底部，進(jìn)水腔、水泵和進(jìn)水槽依次通過導(dǎo)管連接。
[0015]所述出水系統(tǒng)包括出水腔和出水槽，所述出水腔設(shè)置于在水樣容器頂部，所述出水腔和出水槽通過導(dǎo)管連接。
[0016]所述感光板上設(shè)有刻度。
[0017]所述的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法，包括以下步驟:
[0018]S1、選取多個種類的水樣作為測試樣本；
[0019]S2、通過進(jìn)水系統(tǒng)抽取第j種水樣，此時水樣容器中第j種水樣的深度至少高過感光板；j為正整數(shù)；
[0020]S3、調(diào)節(jié)入射光線的角度，雙側(cè)光源對稱調(diào)節(jié)，保證光源恰巧打在水面正中央，分別記錄下入射角旋轉(zhuǎn)的角度a和入射角角度測量盤的角度即入射角的角度1、水面到感光板的距離h、感光板上的感光范圍s ;所述入射角旋轉(zhuǎn)的角度a為入射光線與水平方向的夾角；
[0021]S4、計算折射角r的正切值tanr = s/2h,計算折射角r = arctan(s/2h);利用入射角i和折射角r計算第j種水樣的折射率η ;
[0022]S5、將光源順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)入射光線的角度，重復(fù)步驟S3?S4 ;
[0023]S6、改變第j種水樣的體積，重復(fù)S2?S5多次；
[0024]S7、計算前述步驟多次測量得到的第j種水樣的折射率的平均值，得到平均折射率η ；
[0025]S8、采用傳統(tǒng)的乙醇分光光度法測定第j種水樣的葉綠素a含量；
[0026]S9、改變水樣的種類，重復(fù)步驟S2?S8多次；
[0027]S10、利用步驟S2?S9測量到的多個種類的水樣的平均折射率η和其對應(yīng)的葉綠素a含量，建立平均折射率η和葉綠素a含量的一次函數(shù)解析式；
[0028]S11、利用光譜掃描系統(tǒng)采集各個種類的水樣的平均光譜c ;利用步驟S2?S9測量到的多個種類的水樣的平均折射率η和其對應(yīng)的平均光譜c建立相關(guān)偏最小二乘模型；
[0029]S12、利用光譜掃描系統(tǒng)采集待測水樣的平均光譜，代入步驟Sll中建立的偏最小二乘模型中確定待測水樣的折射率，將計算的折射率帶入到SlO已經(jīng)建立的葉綠素a濃度和折射率的一次函數(shù)解析式中確定養(yǎng)殖水體中的葉綠素a含量。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0031](I)本發(fā)明的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，利用光的折射定律避免了水樣的鏡面反射導(dǎo)致吸收光譜值很低的問題，提高了養(yǎng)殖水體中葉綠素a含量測定的準(zhǔn)確度。
[0032](2)本發(fā)明的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法，實(shí)時測定了入射角和折射角，計算方便，實(shí)現(xiàn)了由線到面的測定葉綠素a含量。
[0033](3)本發(fā)明通過對不同角度的入射光線、不同體積的水樣進(jìn)行折射率測定，利用多次測定的結(jié)果進(jìn)行建模，進(jìn)一步保證了測試模型的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置的示意圖。
[0035]圖2為本發(fā)明的實(shí)施例的折射角測試裝置的示意圖。
[0036]圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的折射檢測升降臺的示意圖。
[0037]圖4為本發(fā)明的實(shí)施例測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的方法的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0039]如圖1所示，測定養(yǎng)殖水體葉綠素a含量的裝置，由上至下依次包括高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤和折射角測試系統(tǒng)；高光譜掃描系統(tǒng)、入射角測量盤2和折射角測試系統(tǒng)的中軸線重合；所述高光譜掃描系統(tǒng)包括鏡頭1-UOLE23，德國施耐德公司)、高光譜儀l-2(ImSpector V10E，芬蘭光譜成像有限公司，波長范圍為400_1000nm，波長分辨率是1.2nm)、CCD相機(jī)1-3 (DL-604M，愛爾蘭安道爾公司，像素是1004*501，機(jī)曝光時間為20s)和對稱設(shè)置的兩個單側(cè)光源1-4 ;所述入射角測量盤為兩個，分別固定于高光譜掃描系統(tǒng)的兩個單側(cè)光源上；所述入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤，所述的入射角測量盤為以單側(cè)光源為軸心的90°扇形量角器圓盤，入射角可以在此范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)和計量，順時針旋轉(zhuǎn)不同的光線入射角，且雙側(cè)可見光光源為對稱調(diào)節(jié)，以保證入射光線匯聚在檢測水樣表面正中央，以方便后續(xù)折射角計算。
[0040]如圖1所示，所述折射角測試系統(tǒng)包括進(jìn)水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)和折射角測試裝置；如圖2?3所示，所述折射角測試裝置包括水樣容器3-6，所述水樣容器3-6的上開口由密封層3-2密封，所述密封層的材料的折射率為1.45-1.55 ;所述水樣容器內(nèi)部的下方設(shè)有折射檢測升降臺，所述折射檢測升降臺的上方設(shè)有感光板3-1，感光板上設(shè)有刻度；感光板隨折射檢測升降臺運(yùn)動。所述折射檢測升降臺包括臺面3-7，雙剪叉桿和液壓缸3-5 ;所述臺面由雙剪叉桿支撐；所述壓力傳感器3-3固定在臺面3-7上，所述壓力傳感器根據(jù)壓力控制折射檢測升降臺上升或下降。所述雙剪叉桿由第一支撐桿3-8和第二支撐桿3-9鉸接而成，所述液壓缸的兩端分別固定于第一支撐桿和第二支撐桿上，用于控制雙剪叉桿的升降；所述液壓缸與壓力傳感器連接。所述折射檢測升降臺由防水膜3-4密封，與水