水下高光谱成像揭示海洋的秘密 - 海洋物理测绘工具

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01 • 海底测绘新技术

为了有效的海洋管理，越来越需要改进海洋环境和工业测绘。传统的海底测绘和检查方法非常耗时，因为它们是通过查看无数小时的视频来执行的，而且结果往往因人而异。如何在合理的工时内以系统、可靠的方式收集和分析这些信息？

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挪威公司 Ecotone AS提供用于识别、监控和绘制海底特征和海洋设施的现代解决方案。几年前，Ecotone 的创始人看到了将遥感技术应用于水下应用的巨大潜力。他们在北极的生物光学和光方面的先前知识成为测试新型水下传感器以改进测绘和检测技术的跳板。一旦早期原型显示出前景，Ecotone 就开始将水下高光谱成像 (UHI)技术商业化并申请专利 。

UHI提供了一种自主测绘工具，可以从海底提供详细、准确和公正的地图产品。借助高光谱成像技术，UHI 揭示了海底领域以前从未实现过的细节。不仅可以识别物体，还可以监控它们的健康和状况。

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典型的 UHI 使用案例包括环境测绘、管道检查、钻屑测绘、矿物测绘和海底结构检查。目前还正在开发其他实验用例，例如 鲑鱼虱子的原位探测器。

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02 • 与 Specim 合作进行技术开发和设计

UHI 设计是与 Specim 密切合作，利用 Specim 的高光谱成像技术。

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“Specim 是我们创始人的几位科学界同事的首选供应商商，因此也是开发 UHI 的首选。对我们来说，与能够跳出框框思考的供应商合作非常重要，他们不会将我们的障碍视为限制，而是将其视为需要克服的挑战。

我们共同克服的主要问题是我们需要一个非常光敏的成像装置来抵消水的影响。成像仪还需要安装到我们的水下外壳中（无需大量工作/拆卸）。有几次，Specim 挺身而出，我们一起找到了解决方案。”Ecotone 首席技术官 Jorgen Tegdan 说道。

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03 • 水下高光谱成像如何工作？

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UHI 是一种水下推扫式扫描仪，指向海底，由遥控水下航行器 (ROV) 和外部灯装置拖曳。当光线从海床反射回来并照射到扫描仪时，反射率数据会记录在垂直于 ROV 移动方向的线上。反射率数据经过进一步处理，生成带有位置数据的高光谱图。使用这些高光谱图，可以生成不同类型的感兴趣物体的光谱库。当用作分类算法的输入时，可以自动对大海底区域进行分类并识别感兴趣的对象。

UHI 可以与任何其他测绘工具配合使用，无论是需要直线还是详细的测绘横断面。根据初始横断面的反馈，可以重新审视和更详细地检查某些感兴趣的区域。

海底的二维重建需要位置和姿态数据以及准确的定时信息

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附着在 600m 深度人造物体上的漂流藻类的阳性 ID。该物体本身覆盖着生物生长和碎屑的混合物，以及一些活的有机体（海绵）

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04 • 案例：鲑鱼虱子检测

鲑鱼虱是一种寄生在鲑鱼身上的寄生虫。在鲑鱼养殖场中，大量鲑鱼一起生活在网箱中，鲑鱼虱子数量可能会增长得如此之高，以至于对养殖和野生鲑鱼种群造成严重威胁。通过传统的侵入性方法来计数鲑鱼虱子会给鲑鱼带来严重的压力。此外，小虱子通常不会被检测到。拥有在任何阶段自动检测和计算鲑鱼虱子数量的工具将为养鱼业提供针对虱子造成的损害采取预防措施的可能性。

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Ecotone 发明了一种方法，能够检测死鱼和自由游动的鲑鱼中的鲑鱼虱子。他们还发现，不同阶段的虱子具有不同的光谱特征，可以用 UHI 进行识别。仍然需要进一步的开发才能准确地判断自由游动的鲑鱼中虱子的确切数量，但现在 UHI 已经可以用来检测海虱感染的趋势。这种方法提供了一个很好的机会，可以更多地了解鲑鱼虱子种群和侵染的趋势，并规划保护鲑鱼种群的预防方法。

下面的示例显示了正确检测到的四只虱子。

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一条死鲑鱼上发现了四只虱子

05 • 很多应用可能性

“与 Ecotone 合作对 Specim 来说是一个很好的机会，可以加深我们对水下高光谱成像的要求和可能性的了解。水下部署再次是高光谱成像几乎无限的科学和商业潜力的一个令人着迷的例子。我们很高兴能有这个机会，并期待与 Ecotone 继续合作”，Specim 创始人 Timo Hyvärinen 说道。

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Ecotone 在自动测绘方法方面迈出了重大一步，以改善我们收集海底信息的方式。他们成功地利用海底数据中的光谱信息来区分和表征冷水珊瑚礁和海绵栖息地，以及一系列相关生物，如龙虾、海葵和海参。 Ecotone 不仅将其作为钻探现场周围行业标准目视调查的一部分，而且还用于更多实验场景，例如覆盖着藻类、珊瑚和海绵的垂直墙壁。

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Ecotone 还在钻探事件后绘制钻屑沉积图的方法方面取得了巨大进步。通过使用顶层沉积物的光谱信息，他们可以确定沉积的程度并产生有关钻探影响的信息。

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“我们来到 Specim 时遇到了一些独特的挑战，我们认为 Specim 已采取一切措施为他们交付给我们的产品提供必要的工作，无论多么定制和具有挑战性。除了提供成像装置外，Specim 还在该技术的开发阶段提供了宝贵的联系人。我们认为 Specim 团队对我们的想法感到兴奋，并很乐意帮助我们进行开发。

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我们正在探索使用高光谱数据的方法，以及我们现在可以看到哪些水下物体，而以前使用普通相机很难检测到这些物体。根据我们的经验，我们正在调整和发明新的图像处理方法。我们每天都在学习！”约根·泰格丹说。

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