經(jīng)過三年攻關(guān)，南水北調(diào)中線浮游藻類AI識別研究取得新突破。長江局監(jiān)測科研中心牽頭承擔(dān)的“十三五”水專項(xiàng)子課題“中線水質(zhì)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)與體系優(yōu)化技術(shù)”項(xiàng)目圍繞南水北調(diào)中線浮游藻類自動在線監(jiān)測的現(xiàn)實(shí)需求，開展了中線浮游藻類AI識別研究，開發(fā)的智能設(shè)備在多通路藻類樣本進(jìn)樣、聚焦、拍攝、識別及計(jì)數(shù)等方面突破性實(shí)現(xiàn)了自動化，能在無人值守條件下實(shí)現(xiàn)藻類的種類、比例、藻密度等多指標(biāo)自動分析輸出，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

圖1浮游藻類智能監(jiān)測設(shè)備

浮游藻類監(jiān)測國內(nèi)外目前仍以人工鏡檢為主，其監(jiān)測設(shè)備多是基于光譜法或傳統(tǒng)圖像識別算法，檢測誤差大，實(shí)用性不強(qiáng)，難以大范圍推廣。為突破藻類識別精度瓶頸，長江局監(jiān)測科研中心（原長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心）在國家水專項(xiàng)“十三五”課題“南水北調(diào)中線輸水水質(zhì)預(yù)警與業(yè)務(wù)化管理平臺建設(shè)”支持下，聯(lián)合南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局、?？谁h(huán)境科技（中國）有限公司等單位開展了南水北調(diào)中線浮游藻類AI識別研究，在藻類自動進(jìn)樣技術(shù)、多景深顯微拍攝與圖片處理技術(shù)、藻類AI識別模型研發(fā)等方面取得了重大進(jìn)步。

該浮游藻類AI識別設(shè)備集成化的控制箱與樣本加載裝置，原創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了15路樣本自動切換取樣檢測。樣本加載裝置具備自動震蕩功能，能保證藻類均勻進(jìn)樣。自動清洗進(jìn)樣管道和觀測卡匣功能，可避免管路堵塞，延長管路使用壽命。

圖2 藻類自動進(jìn)樣系統(tǒng)

新穎的顯微圖像掃描系統(tǒng)在軟硬件配合下，利用多通道流體樣本卡匣，能在顯微鏡下對不同焦平面深度下的測試樣本進(jìn)行拍攝對比，確保當(dāng)前視野內(nèi)不同位置、不同形態(tài)的浮游藻類全部拍攝成像，并可篩選處理出最清晰的藻類個體顯微圖像，為后續(xù)的智能識別過程打下基礎(chǔ)。

圖3 藻類自動掃描

人工智能識別軟件的創(chuàng)新是本項(xiàng)目的重點(diǎn)與難點(diǎn)。浮游藻類具有種類多樣、群聚、排列變化多樣、相近屬種相似度高、分類依據(jù)復(fù)雜等特點(diǎn)。如何讓機(jī)器準(zhǔn)確識別浮游藻類是業(yè)內(nèi)前沿的學(xué)術(shù)挑戰(zhàn)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了藻類人工智能識別的針對性路徑：以基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征檢測方法為核心，以專家知識輔助建立的人工特征檢測方法為補(bǔ)充，進(jìn)行決策層融合后產(chǎn)生最終的目標(biāo)檢測結(jié)果。經(jīng)過三年的努力，目前針對中線浮游藻類識別系統(tǒng)已構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)記圖庫，并進(jìn)行了深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對南水北調(diào)中線總干渠常見藻類的智能識別，具備了大規(guī)模推廣應(yīng)用的價值。

目前，浮游藻類AI識別研究成果已經(jīng)申請專利，在浮游藻類AI識別領(lǐng)域的學(xué)術(shù)創(chuàng)新也在國際范圍內(nèi)獲得了專業(yè)同儕的認(rèn)可，并已發(fā)表于人工智能領(lǐng)域的重要國際會議“2020年第42屆國際醫(yī)學(xué)與生物學(xué)工程學(xué)會年會(EMBC 2020)”。

自動識別是藻類監(jiān)測行業(yè)的重要發(fā)展方向。浮游藻類AI識別設(shè)備未來可廣泛應(yīng)用在生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域，可為湖庫富營養(yǎng)化監(jiān)測、藻類水華監(jiān)測預(yù)警與防控提供有力支撐，緩解我國藻類監(jiān)測專業(yè)人員不足的困境，并將逐漸拓展至浮游動物、魚類等水生生物的自動監(jiān)測，進(jìn)而加速我國水生態(tài)自動化監(jiān)測的發(fā)展進(jìn)程。