【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】導(dǎo)讀：近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所光電工程技術(shù)中心高級工程師李劍平團(tuán)隊在海洋原位觀測儀器技術(shù)上取得突破。
 

　　據(jù)悉，團(tuán)隊研制了一種用于海洋浮游生物原位監(jiān)測的新型水下成像儀系統(tǒng)，并在大亞灣海域的系泊水面浮標(biāo)上進(jìn)行了長期海試。相關(guān)研究成果以Development of a Buoy-Borne Underwater Imaging System for In situ Mesoplankton Monitoring of Coastal Waters為題，發(fā)表在Journal of Oceanic Engineering上。
 

　　浮游生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在生物地球化學(xué)循環(huán)和碳循環(huán)中發(fā)揮著核心作用，同時也是海洋漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。開發(fā)監(jiān)測浮游生物種群動態(tài)變化的方法、工具和流程，不僅對海洋生態(tài)科學(xué)研究意義重大，對現(xiàn)代業(yè)務(wù)化海洋管理也極為重要。然而，浮游生物監(jiān)測一直依賴人工網(wǎng)采和光學(xué)顯微鏡檢分析，不能滿足準(zhǔn)確、及時、連續(xù)和可持續(xù)地浮游生物監(jiān)測需求。該團(tuán)隊利用浮標(biāo)平臺成本低、可長時間部署、可無線組網(wǎng)等優(yōu)勢，研發(fā)了一種水下暗場彩色成像系統(tǒng)，提升了對海洋浮游生物長期、連續(xù)、高頻、原位監(jiān)測的能力，彌補了現(xiàn)有觀測技術(shù)的不足。
 

　　該成像系統(tǒng)采用了一種新型的正交層狀閃光無影照明設(shè)計，不僅可對海洋浮游生物個體實現(xiàn)高質(zhì)量的水下真彩色攝影，還減少了照明光向水下局部環(huán)境的泄漏，最大程度地避免了浮游動物因趨光性產(chǎn)生聚集而導(dǎo)致的觀測偏差。此外，成像儀還支持不同的放大倍率，覆蓋了200μm-20mm不同大小的浮游生物體長范圍。為了減少數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)膲毫Γ上駜x配備的嵌入式計算單元可在圖像采集后實時進(jìn)行目標(biāo)檢測預(yù)處理，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將感興趣的目標(biāo)圖像即時傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，通過在云端計算的深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)一步識別和量化，以獲取監(jiān)測信息，供最終用戶遠(yuǎn)程檢索。
 

　　針對水下微小目標(biāo)原位圖像的特點，團(tuán)隊研發(fā)了一種基于主動學(xué)習(xí)的圖像標(biāo)注和分類算法訓(xùn)練策略，充分利用人類智能與機(jī)器智能協(xié)同實現(xiàn)圖像標(biāo)注、分類器訓(xùn)練和分類結(jié)果校正等目的。在此基礎(chǔ)上團(tuán)隊提出了雙卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)算法，不僅高效地構(gòu)建了包含90類圖像的大規(guī)模圖像數(shù)據(jù)集，還有效地消除了近岸水體中顆粒物對浮游生物識別的干擾，最終實現(xiàn)了浮游生物圖像的高準(zhǔn)確度精細(xì)分類識別。
 

　　在四年時間里，該團(tuán)隊歷經(jīng)四期累計15天以上的近岸海試后，于2020年6月22日將成像儀系統(tǒng)集成至水面浮標(biāo)，并部署于深圳大亞灣海域。通過采取多項防生物附著措施，于2021年2月25日成功回收。在此次長達(dá)8個月的連續(xù)海試中，儀器成功獲取了該海域浮游生物豐度變化的時間序列數(shù)據(jù)，觀測到了浮游動物的晝夜垂直遷徙現(xiàn)象、優(yōu)勢種的動態(tài)變化，并監(jiān)測到了大亞灣海域首次記錄的尖筆帽螺暴發(fā)。團(tuán)隊研發(fā)的海洋浮游生物觀測系統(tǒng)能夠提供全面及時的浮游生物監(jiān)測信息，有望成為海洋浮標(biāo)觀測平臺的一種新工具。