Мультиспектральні вимірювання біомаси фітопланктону у водних середовищах для задач екологічного контролю

Abstract

Метою роботи є підвищення точності опосередкованих вимірювань біомаси фітопланктону у природних водних об’єктах, використовуючи різні варіанти реалізації засобів мультиспектрального екологічного вимірювального контролю. Розв’язано зворотну задачу опосередкованого вимірювання біомаси фітопланктону у природних водних об’єктах на основі результатів мультиспектральних вимірювань. Проведено аналіз похибок вимірювань біомаси фітопланктону у природних водних об’єктах за різних варіантів реалізації засобів екологічного контролю. Для оцінювання трофічного статусу і екологічного контролю якості вод природних водних об’єктів використовують такі параметри фітопланктону: чисельність, біомаса, вміст хлорофілу та інших пігментів у сирій масі фітопланктону, співвідношення між основними пігментами, які дозволяють оцінювати продукційно-дес­трукційні процеси у водній екосистемі. У результаті розв’язку зворотної оптичної задачі визначення біомаси фітопланктону у природних водних об’єктах на основі мультиспектральних вимірювань отримано регресійні рівняння, які дозволяють опосередковано вимірювати біомасу фітопланктону з використанням у засобі екологічного контролю. У ході множинної регресії отримано кількість спектральних каналів засобу мультиспектрального вимірювального контролю, а також методичну похибку, яка визначається тим, наскільки точно регресійне рівняння дозволяє опосередковано виміряти біомасу фітопланктону. Так, з використанням у джерелі випромінювання світлодіодів та лазерних діодів отримано 7 і 8 спектральних каналів, відповідно. За використання як джерела випромінювання монохроматора отримано лише 3 спектральних канали. Отримане значення методичної похибки вимірювань, яке визначається регресійним рівнянням, є меншим за інструментальну похибку, що визначається аналого-цифровим перетворенням та шумами ПЗЗ камери. Розраховано загальну похибку опосередкованого вимірювання біомаси фітопланктону у природних водних об’єктах на основі мультиспектральних вимірювань, що склала від 0,167 % до 0,397 % за різних варіантів реалізації засобу вимірювального контролю.

Целью работы является повышение точности косвенных измерений биомассы фитопланктона в природных водных объектах при использовании различных вариантов реализации средств мультиспектрального экологического измерительного контроля. Решена обратная задача косвенного измерения биомассы фитопланктона в природных водных объектах на основе результатов мультиспектральных измерений. Проведен анализ погрешностей измерения биомассы фитопланктона в природных водных объектах при различных вариантах реализации средств экологического контроля. Для оценки трофического статуса и экологического контроля качества вод природных водных объектов используют такие параметры фитопланктона, как численность, биомассу, содержание хлорофилла и других пигментов в сырой массе фитопланктона, соотношение между основными пигментами, которые позволяют оценивать продукционно-деструкционные процессы в водной экосистеме. В результате решения обратной оптической задачи определения биомассы фитопланктона в природных водных объектах на основе мультиспектральных измерений были получены регрессионные уравнения, позволяющие косвенно измерить биомассу фитопланктона при использовании в средстве экологического контроля. В ходе множественной регрессии получено количество спектральных каналов средства мультиспектрального измерительного контроля, а также значение методической погрешности, что определяется тем, насколько точно регрессионное уравнение позволяет косвенно измерить биомассу фитопланктона. Так, при использовании в источнике излучения светодиодов и лазерных диодов получено 7 и 8 спектральных каналов соответственно. При использовании в качестве источника излучения монохроматора получено только 3 спектральных канала. Значение методической погрешности измерений, которое определяется регрессионным уравнением, получено меньше инструментальной погрешности, которая определяется аналого-цифровым преобразованием и шумами ПЗС камеры. Рассчитана общая погрешность косвенного измерения биомассы фитопланктона в природных водных объектах на основе мультиспектральных измерений, что составила от 0,167 % до 0,397 % при различных вариантах реализации средства измерительного контроля.

The aim of the work is to increase the accuracy of indirect measurements of phytoplankton biomass in natural water bodies on the basis of the results of multispectral measurements using various options for implementing environmental monitoring tools. The inverse problem of indirect measurement of phytoplankton biomass in natural water bodies is solved based on the results of multispectral measurements. The analysis of errors in biomass measurements of phytoplankton in natural water bodies is carried out under various options for the implementation of environmental monitoring tools. When studying aquatic ecosystems, considerable attention is paid to phytoplankton, as the main producer of primary organic matter. To assess the trophic status and ecological control of the quality of the waters of natural water bodies, phytoplankton parameters such as abundance, biomass, the content of chlorophyll and other pigments in the raw mass of phytoplankton, the ratio between the main pigments that allow us to evaluate the production-degradation processes in the aquatic ecosystem are used. As a result of solving the inverse optical problem of determining phytoplankton biomass in natural water bodies on the basis of multispectral measurements, regression equations have been obtained, which allow to indirectly measure the biomass of phytoplankton when used in environmental controls. In the course of multiple regression, the number of spectral channels of the multispectral measurement instrument is obtained, as well as the methodical error, which is determined by how accurately the regression equation allows indirectly measuring the biomass of phytoplankton. Thus, when light emitting diodes and laser diodes were used in the radiation source, 7 and 8 spectral channels were obtained, respectively. When using a monochromator as a radiation source, only 3 spectral channels are obtained. The value of the methodical measurement error, which is determined by the regression equation, is obtained less than the instrumental error, which is determined by the analog-to-digital conversion and the CCD camera noise. The general error of the indirect measurement of phytoplankton biomass in natural water bodies is calculated on the basis of multispectral measurements, which was from 0.167 to 0.397% for various versions of the measuring instrument.