面向珊瑚礁生态系统的暗场显微原位观测技术
孙乾泰1,2，王新伟1,2,3，雷平顺1，孙亮1，刘胜4，陈嘉男1，张钰润1，周燕1,2,3，刘育梁1,2
- 1. 中国科学院半导体研究所光电系统实验室，北京 100083;
2. 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049；
3. 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049;
4. 中国科学院南海海洋研究所, 热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室, 广东省应用海洋生物学重点实验室, 广东 广州 510301
Dark-Field Microscopic In Situ Observation Technique for Coral Reef Ecosystems
SUN Qiantai1,2, WANG Xinwei1,2,3,LEI Pingshun1, SUN Liang1, LIU Sheng4, CHEN Jianan1, ZHANG Yurun1, ZHOU Yan1,2,3, LIU Yuliang1,2
- 1. Optoelectronic System Laboratory, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China;
2. Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, Guangdong Provincial Key Laboratory of Applied Marine Biology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China;
摘要： 针对珊瑚礁生态系统中珊瑚组织、共生虫黄藻及浮游生物等微尺度目标原位观测能力不足的问题，本文提出并研制了珊瑚礁双模态暗场显微原位观测系统“金睛”，并引入人工智能AI技术建立了量化分析流程，以满足珊瑚礁底栖界面及上覆水体中20μm至1mm尺寸范围内的水下目标观测需求。该系统采用了片光与环光双模态差异化照明以适配不同观测场景：金睛-Coral采用正交片状照明，用于珊瑚底栖界面的抵近显微观测；金睛-Plankton采用侧向环形照明，用于上覆水体垂直剖面中浮游生物及悬浮颗粒的显微观测。在实验中，金睛在光衰减系数不大于25.63 m⁻¹的浑浊条件下均能保持较好的目标可见性，即使在光衰减系数高达29.88 m⁻¹的高浑浊海水环境中仍具备有效成像能力。在AI量化分析中，通过图像增强、YOLOv8目标检测与计数以及粒径统计等环节，实现生物丰度估计和粒径分布等定量分析。实验结果表明，AI量化分析流程能够稳定实现目标检测、丰度估计与粒径统计，在较高浓度藻类样品中丰度估计相对误差优于6%。本文研制的系统已用于西沙珊瑚礁生态系统调查，相关研究可为珊瑚礁生态监测及相关生态过程研究提供技术支撑。