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，中科院深圳先進院李劍平高級工程師團隊在海洋原位觀測儀器技術(shù)上取得了新進展。據(jù)悉，團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上進行了長期海試。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)人口和人類活動的日益密集，海水污染、致災(zāi)物種暴發(fā)等問題日益突出，威脅著近海生態(tài)系統(tǒng)的健康，甚至近岸設(shè)施的運行安全。因此，監(jiān)測浮游生物種群動態(tài)變化的方法、工具和流程，對海洋生態(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。很長一段時間里，對它們的監(jiān)測都依賴人工網(wǎng)采和光學(xué)顯微鏡檢分析，不僅費時費力，而且鑒定人才匱乏。

此后，水面浮標以其成本低、可長時間部署、可無線組網(wǎng)等優(yōu)勢，成為海洋監(jiān)測中的熱門平臺選擇。20世紀90年代以來，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平臺，從而實現(xiàn)長期海上作業(yè)。

為此，李劍平團隊研發(fā)了一種水下暗場彩色成像系統(tǒng)，采用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，最大限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。

針對水下微小目標原位圖像的特點，團隊研發(fā)了一種基于主動學(xué)習(xí)的圖像標注和分類算法訓(xùn)練策略，充分利用人類智能與機器智能協(xié)同實現(xiàn)圖像標注、分類器訓(xùn)練和分類結(jié)果校正等目標。在此基礎(chǔ)上提出了雙卷積神經(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確度精細分類識別。

成果出來后，李劍平團隊耗時4年，歷經(jīng)4期累計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，并部署于深圳大亞灣海域。通過采取多項防生物附著措施，于今年2月25日成功回收。

在此次長達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，并成功監(jiān)測到了大亞灣海域首次記錄的尖筆帽螺暴發(fā)，為核電站及時處置應(yīng)對災(zāi)害提供了預(yù)警。

未來，團隊將進一步探索小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的海洋原位觀測傳感器與儀器。