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基于便携式高光谱近感快速监测内陆水体叶绿素a浓度OA

Rapid monitoring of chlorophyll-a concentration in inland water bodies using a portable proximal sensing technology

中文摘要英文摘要

浮游植物叶绿素a(Chl.a)浓度是评价水体富营养化程度的重要指标.然而传统实验室分析法流程繁琐、费时费力;水下原位传感器易受生物附着、反演精度低、运维成本高;传统的卫星和无人机遥感受限于大气校正、专业化程度高、时效性差,皆难以满足高精度的即时监测需求.高光谱近感技术的出现和应用弥补了传统监测方法的不足,提升了内陆水体Chl.a浓度的监测效率.因此,本研究利用一种新型便携式高光谱近感水质监测设备,结合2021-2024年8个湖泊、水库和河流获取的533个同步实测Chl.a浓度数据,引入线性回归算法与机器学习算法,构建和比选了高精度Chl.a浓度反演模型,实现了Chl.a浓度的即时监测.对比基于线性回归算法、随机森林算法、极度梯度提升树算法(XG-Boost)和支持向量机算法构建的Chl.a浓度估算模型发现,基于XGBoost的Chl.a浓度估算模型性能最好(R2=0.87,RMSE=6.02 μg/L,MAE=3.98 μg/L).该监测方法实现了光谱信号采集与Chl.a浓度估算的同步性,简化了流程,降低了专业化门槛,大幅提升了野外监测效率.

Phytoplankton chlorophyll-a(Chl.a)concentration is a key indicator for assessing water eutrophication status.Conven-tional monitoring approaches face significant limitations:laboratory analyses are time-consuming and labor-intensive,while in situ sensors are susceptible to biofouling,low accuracy,and high maintenance costs.Traditional satellite remote sensing is also unsuita-ble for high-precision,real-time monitoring due to challenges such as atmospheric correction errors,technical complexity,and low temporal resolution.The emergence of hyperspectral proximal sensing technology offers a promising alternative for improving Chl.a monitoring efficiency.In this study,we utilized a novel portable hyperspectral proximal sensing device to collect 533 synchronized in situ Chl.a measurements across eight lakes,reservoirs,and rivers between 2021 and 2024.We developed and compared high-accuracy Chl.a inversion models using both linear regression and machine learning methods.Among the evaluated algorithms—lin-ear regression,random forest,extreme gradient boosting(XGBoost),and support vector machine—the XGBoost-based model ex-hibited the best performance(R2=0.87,RMSE=6.02 μg/L,MAE=3.98 μg/L).This approach enables simultaneous spectral acquisition and Chl.a estimation,streamlining field monitoring workflows,lowering technical barriers,and significantly improving operational efficiency.

骆夏杨;李娜;张运林;郭宇龙;马宗伟

中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与流域水安全全国重点实验室,南京 211135||中国科学院大学南京学院,南京 211135||中国科学院大学,北京 100049中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与流域水安全全国重点实验室,南京 211135||中国科学院大学南京学院,南京 211135中国科学院南京地理与湖泊研究所,湖泊与流域水安全全国重点实验室,南京 211135||中国科学院大学南京学院,南京 211135||中国科学院大学,北京 100049南京中科深瞳科技研究院有限公司,南京 211899江苏省无锡谱视界科技有限公司,无锡 214131

便携式高光谱近感监测叶绿素a内陆水体机器学习

Portable hyperspectralproximal sensingchlorophyll-ainland watersmachine learning

《湖泊科学》 2026 (3)

980-993,中插2-中插3,16

江苏省生态环境科研项目(2023003)、江苏省重点研发计划(产业前瞻与关键核心技术)项目(BE2022152)、国家重点研发计划项目(2022YFC3204100)、江苏省卓越博士后计划项目(2024ZB312)和国家自然科学基金项目(42401479)联合资助.

10.18307/2026.0316

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