廣闊的大海中，有一類微小但重要的存在：浮游生物。如何更好地觀察它們?近日，中科院深圳先進(jìn)院李劍平高級(jí)工程師團(tuán)隊(duì)在海洋原位觀測(cè)儀器技術(shù)上取得了新進(jìn)展。據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)研制了一種用于海洋浮游生物原位監(jiān)測(cè)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(zhǎng)期海試。最新研究成果發(fā)表在海洋工程學(xué)期刊IEEE Journal of Oceanic Engineering。

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(shí)也是海洋漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。隨著沿海地區(qū)人口和人類活動(dòng)的日益密集，海水污染、致災(zāi)物種暴發(fā)等問(wèn)題日益突出，威脅著近海生態(tài)系統(tǒng)的健康，甚至近岸設(shè)施的運(yùn)行安全。因此，監(jiān)測(cè)浮游生物種群動(dòng)態(tài)變化的方法、工具和流程，對(duì)海洋生態(tài)科學(xué)研究和現(xiàn)代業(yè)務(wù)化海洋管理都極為重要。

浮游生物體積小且分布廣泛。很長(zhǎng)一段時(shí)間里，對(duì)它們的監(jiān)測(cè)都依賴人工網(wǎng)采和光學(xué)顯微鏡檢分析，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且鑒定人才匱乏。

此后，水面浮標(biāo)以其成本低、可長(zhǎng)時(shí)間部署、可無(wú)線組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)，成為海洋監(jiān)測(cè)中的熱門平臺(tái)選擇。20世紀(jì)90年代以來(lái)，出現(xiàn)了多種用于海洋浮游生物生態(tài)學(xué)研究的光學(xué)原位成像技術(shù)，但局限在于，現(xiàn)有水下成像儀并不能輕易集成到浮標(biāo)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期海上作業(yè)。

為此，李劍平團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種水下暗場(chǎng)彩色成像系統(tǒng)，采用一種新型的正交層狀閃光無(wú)影照明設(shè)計(jì)，不僅可對(duì)海洋浮游生物個(gè)體實(shí)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，最大限度地避免了浮游動(dòng)物因趨光性產(chǎn)生聚集而導(dǎo)致的觀測(cè)偏差。

針對(duì)水下微小目標(biāo)原位圖像的特點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種基于主動(dòng)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(shí)現(xiàn)圖像標(biāo)注、分類器訓(xùn)練和分類結(jié)果校正等目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上提出了雙卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(duì)浮游生物識(shí)別的干擾，最終實(shí)現(xiàn)了浮游生物圖像的高準(zhǔn)確度精細(xì)分類識(shí)別。

成果出來(lái)后，李劍平團(tuán)隊(duì)耗時(shí)4年，歷經(jīng)4期累計(jì)15天以上的近岸海試，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(guò)采取多項(xiàng)防生物附著措施，于今年2月25日成功回收。

在此次長(zhǎng)達(dá)8個(gè)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(shí)間序列數(shù)據(jù)，觀測(cè)到了浮游動(dòng)物的晝夜垂直遷徙現(xiàn)象、優(yōu)勢(shì)種的動(dòng)態(tài)變化，并成功監(jiān)測(cè)到了大亞灣海域首次記錄的尖筆帽螺暴發(fā)，為核電站及時(shí)處置應(yīng)對(duì)災(zāi)害提供了預(yù)警。

未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的海洋原位觀測(cè)傳感器與儀器。