【技术文章】水下高光谱成像揭示海洋的秘密

一种用于绘制海底地图的新技术

为了有效的海洋管理，越来越需要改进海洋环境和工业的测绘工作。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，并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？

挪威公司 Ecotone AS 为海底特征和海洋设施的识别、监测和测绘提供现代解决方案。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验知识是测试新的水下传感器以改进测绘和探测技术的跳板。一旦早期的原型显示出前景，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，可以提供详细、准确和公正的海底地图产品。借助高光谱成像技术，UHI揭示了海底领域以前从未实现的细节。不仅可以识别物体，还可以监测它们的健康状况和状况。

典型的 UHI 用例包括环境测绘、管道检查、钻屑测绘、矿物测绘和海底结构检查。目前正在开发其他实验用例，例如鲑鱼虱子的原位检测器。

与Specim合作进行技术开发和设计

UHI的设计与Specim密切合作，利用了Specim的高光谱成像技术。

“Specim 是我们创始人在科学界的几位同事的首选供应商，因此是开发 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，并且不会将我们的障碍视为限制，而是需要克服的挑战。

我们共同克服的主要问题是我们需要一个非常感光的成像单元来抵消水的影响。成像仪还需要安装在我们的水下外壳中（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 的首席技术官 Jorgen Tegdan 说。

水下高光谱成像是如何工作的？

UHI是一种水下推扫帚扫描仪，指向海床，由遥控水下航行器（ROV）和外部灯装置拖曳。当光线从海底反射回来并照射到扫描仪时，反射率数据记录在垂直于 ROV 运动方向的线上。反射率数据经过进一步处理，以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，可以自动对大型海底区域进行分类并识别感兴趣的物体。

UHI原理

UHI 可与任何其他测绘工具协同工作，无论需要直线还是详细的测绘样带。根据初始样带的反馈，可以更详细地重新访问和检查某些感兴趣的区域。

海床的二维重建需要位置和姿态数据以及准确的时间信息

附着在600米深处的人造物体上的漂流藻类的阳性ID。物体本身覆盖着生物生长和碎屑的混合物，以及一些生物体（海绵）

示例：鲑鱼虱检测

鲑鱼虱是一种寄生在鲑鱼身上的寄生虫。在鲑鱼养殖场，许多鲑鱼生活在网箱中，鲑鱼虱子种群数量可能增长得如此之高，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计算鲑鱼虱子会对鲑鱼造成严重压力。此外，通常没有检测到小虱子。拥有在任何阶段自动检测和计算鲑鱼虱数量的工具将为养鱼业提供采取预防措施来防止虱子造成的损害的可能性。

Ecotone发明了一种方法，能够检测死鱼和自由游动的鲑鱼身上的鲑鱼虱子。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来识别。仍然需要进一步的开发才能准确地分辨出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侵扰的趋势。这种方法提供了一个重要的机会，可以更多地了解鲑鱼虱子种群和侵扰的趋势，并计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种虱子。

在死鲑鱼上检测到四只虱子。

无数的应用程序

“与Ecotone的合作对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。水下部署再次成为高光谱成像几乎无限的科学和商业潜力的一个引人入胜的例子。我们很高兴有这个机会，并期待与Ecotone继续合作“，Specim创始人Timo Hyvärinen说。

Ecotone在自动测绘方法方面迈出了一大步，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既是钻井现场周围行业标准目视调查的一部分，也是在更多的实验场景中这样做的，例如覆盖着藻类、珊瑚和海绵的垂直墙。

Ecotone在钻探事件后测绘钻屑沉积物的方法方面也取得了长足的进步。通过使用来自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。

“我们带着一个独特的挑战来到 Specim，我们认为 Specim 已经采取了一切措施，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。除了提供成像单元外，Specim 在技术开发阶段一直是宝贵的联系人。我们觉得 Specim 的团队对我们的想法感到兴奋，并很乐意帮助我们进行开发。

我们正在探索使用高光谱数据的方法，以及哪些水下物体正在变得可见，而这些物体以前很难用普通相机检测到。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！“Jorgen Tegdan说。