【技術文章】水下高光譜成像揭示海洋的秘密

一種用于繪制海底地圖的新技術

為了有效的海洋管理，越來越需要改進海洋環境和工業的測繪工作。傳統的海底測繪和檢查方法非常耗時，因為它們是通過查看無數小時的視頻來執行的，并且結果往往因人而異。如何在合理的工時內以系統、可靠的方式收集和分析這些信息？

挪威公司 Ecotone AS 為海底特征和海洋設施的識別、監測和測繪提供現代解決方案。幾年前，Ecotone的創始人看到了將遙感技術應用于水下應用的巨大潛力。他們在北極的生物光學和光方面的先驗知識是測試新的水下傳感器以改進測繪和探測技術的跳板。一旦早期的原型顯示出前景，Ecotone就開始將水下高光譜成像（UHI）技術商業化并申請專利。

UHI提供了一種自主測繪工具，可以提供詳細、準確和公正的海底地圖產品。借助高光譜成像技術，UHI揭示了海底領域以前從未實現的細節。不僅可以識別物體，還可以監測它們的健康狀況和狀況。

典型的 UHI 用例包括環境測繪、管道檢查、鉆屑測繪、礦物測繪和海底結構檢查。目前正在開發其他實驗用例，例如鮭魚虱子的原位檢測器。

與Specim合作進行技術開發和設計

UHI的設計與Specim密切合作，利用了Specim的高光譜成像技術。

“Specim 是我們創始人在科學界的幾位同事的首選供應商，因此是開發 UHI 的首選。對我們來說，與能夠跳出框框思考的供應商合作非常重要，并且不會將我們的障礙視為限制，而是需要克服的挑戰。

我們共同克服的主要問題是我們需要一個非常感光的成像單元來抵消水的影響。成像儀還需要安裝在我們的水下外殼中（無需大量工作/拆卸）。有幾次，Specim 挺身而出，我們一起找到了解決方案，“Ecotone 的首席技術官 Jorgen Tegdan 說。

水下高光譜成像是如何工作的？

UHI是一種水下推掃帚掃描儀，指向海床，由遙控水下航行器（ROV）和外部燈裝置拖曳。當光線從海底反射回來并照射到掃描儀時，反射率數據記錄在垂直于 ROV 運動方向的線上。反射率數據經過進一步處理，以生成帶有位置數據的高光譜圖。使用這些高光譜圖，可以生成不同類型的感興趣物體的光譜庫。當用作分類算法的輸入時，可以自動對大型海底區域進行分類并識別感興趣的物體。

 UHI原理

UHI 可與任何其他測繪工具協同工作，無論需要直線還是詳細的測繪樣帶。根據初始樣帶的反饋，可以更詳細地重新訪問和檢查某些感興趣的區域。

海床的二維重建需要位置和姿態數據以及準確的時間信息

附著在600米深處的人造物體上的漂流藻類的陽性ID。物體本身覆蓋著生物生長和碎屑的混合物，以及一些生物體（海綿）

示例：鮭魚虱檢測

鮭魚虱是一種寄生在鮭魚身上的寄生蟲。在鮭魚養殖場，許多鮭魚生活在網箱中，鮭魚虱子種群數量可能增長得如此之高，以至于對養殖和野生鮭魚種群造成嚴重威脅。通過傳統的侵入性方法計算鮭魚虱子會對鮭魚造成嚴重壓力。此外，通常沒有檢測到小虱子。擁有在任何階段自動檢測和計算鮭魚虱數量的工具將為養魚業提供采取預防措施來防止虱子造成的損害的可能性。

Ecotone發明了一種方法，能夠檢測死魚和自由游動的鮭魚身上的鮭魚虱子。他們還發現，不同階段的虱子具有不同的光譜特征，可以用UHI來識別。仍然需要進一步的開發才能準確地分辨出自由游動的鮭魚中虱子的確切數量，但現在UHI已經可以用來檢測海虱侵擾的趨勢。這種方法提供了一個重要的機會，可以更多地了解鮭魚虱子種群和侵擾的趨勢，并計劃保護鮭魚種群的預防方法。

下面的示例顯示了正確檢測到的四種虱子。

在死鮭魚上檢測到四只虱子。

無數的應用程序

“與Ecotone的合作對Specim來說是一個很好的機會，可以加深我們對水下高光譜成像的要求和可能性的了解。水下部署再次成為高光譜成像幾乎無限的科學和商業潛力的一個引人入勝的例子。我們很高興有這個機會，并期待與Ecotone繼續合作“，Specim創始人Timo Hyv?rinen說。

Ecotone在自動測繪方法方面邁出了一大步，以改善我們收集海底信息的方式。他們成功地利用海底數據中的光譜信息來區分和表征冷水珊瑚礁和海綿棲息地，以及一系列相關生物，如龍蝦、海葵和海參。Ecotone既是鉆井現場周圍行業標準目視調查的一部分，也是在更多的實驗場景中這樣做的，例如覆蓋著藻類、珊瑚和海綿的垂直墻。

Ecotone在鉆探事件后測繪鉆屑沉積物的方法方面也取得了長足的進步。通過使用來自頂層沉積物的光譜信息，他們可以確定沉積的程度，并產生有關鉆探影響的信息。

“我們帶著一個獨特的挑戰來到 Specim，我們認為 Specim 已經采取了一切措施，為他們交付給我們的產品提供必要的工作，無論多么定制和具有挑戰性。除了提供成像單元外，Specim 在技術開發階段一直是寶貴的聯系人。我們覺得 Specim 的團隊對我們的想法感到興奮，并很樂意幫助我們進行開發。

我們正在探索使用高光譜數據的方法，以及哪些水下物體正在變得可見，而這些物體以前很難用普通相機檢測到。根據我們的經驗，我們正在調整和發明新的圖像處理方法。我們每天都在學習！“Jorgen Tegdan說。