TPI浮游動(dòng)物拖體影像儀
TPI浮游動(dòng)物拖體影像儀采用水下光學(xué)掃描技術(shù),捕獲高分辨率的浮游動(dòng)物原位剪影圖像,如魚(yú)卵及其它小型膠狀生物,這些生物構(gòu)成了海洋食物鏈的基礎(chǔ)。
浮游動(dòng)物拖體影像儀搭載在水下拖體上,研究者通過(guò)調(diào)查船以5節(jié)的速度拖行設(shè)備,實(shí)時(shí)采集水下生物的圖像數(shù)據(jù),用以連續(xù)原位觀測(cè)浮游動(dòng)物,持續(xù)時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾周。研究范圍從小型、高豐度的浮游生物到比較大的幼魚(yú)等種類,也可以選配高速模塊(10節(jié)速度)。儀器不僅配置拖體及相機(jī)系統(tǒng),實(shí)時(shí)獲取浮游生物的水下原位圖像數(shù)據(jù),也可以根據(jù)研究需要配置多種傳感器,如CTD、葉綠素、溶解氧等,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)的協(xié)同測(cè)定,對(duì)于進(jìn)行綜合性的生態(tài)調(diào)查、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作具有重要意義。
工作原理
TPI 浮游動(dòng)物拖體影像儀基于背光攝影技術(shù),采用陰影拍攝獲取浮游生物的原位剪影圖像數(shù)據(jù)。光源通過(guò)反射發(fā)出平行光柱,使光線充滿整個(gè)圖像區(qū)域,實(shí)現(xiàn)被拍攝生物的圖像達(dá)到遠(yuǎn)心鏡頭效果:目標(biāo)物的尺寸不會(huì)由于其在視野中的位置變化而改變其大小,圖像沒(méi)有放大及畸變,確保目標(biāo)物以實(shí)際大小呈現(xiàn)。
TPI浮游動(dòng)物拖體影像儀使用的是工業(yè)級(jí)的高精度遠(yuǎn)心鏡頭。為了拖曳采樣需要,標(biāo)準(zhǔn)配備為線性掃描相機(jī),可以獲取監(jiān)測(cè)水體的連續(xù)圖像數(shù)據(jù);如果用戶需要進(jìn)行水下站的固定位置監(jiān)測(cè)或慢速垂向監(jiān)測(cè)圖像,也可以配備傳統(tǒng)的區(qū)域掃描相機(jī)。
圖像分辨率取決于成像面積(光學(xué)鏡頭尺寸)及相機(jī)分辨率。例如,使用13cm視野的鏡頭及2048分辨率相機(jī)獲取的圖像其像素分辨率約為63μm(13cm / 2048 pixels)。大多數(shù)情況下,圖像分辨率需要達(dá)到10~15像素才能有效分
辨或識(shí)別出目標(biāo)生物。因此,對(duì)于1毫米大小的水生生物,63μm的像素分辨率是辨識(shí)生物的合適選擇。對(duì)于景深50cm視野13cm的鏡頭,在水中以5節(jié)的速度拖曳浮游動(dòng)物原位圖像系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)每秒167升水的濾水速度(2.57 m/sec×0.13m×0.50m = 167 L/sec)。
采用傳統(tǒng)的區(qū)域掃描相機(jī)時(shí),仍舊采用了相同的像素定義方式。不過(guò),此時(shí)浮游動(dòng)物拖體影像儀獲取的圖像為以固定間隔拍攝的延時(shí)圖像。
標(biāo)準(zhǔn)的 TPI 圖像:
14cm 高(2048 像素)的連續(xù)圖像,50cm 景深(更高的分辨率可選)
35kHZ 線性掃描率,記錄為 2kb×2kb 框圖,約 18 幀/秒(70 kHZ 線性掃描率可選)
剪影圖像,像素分辨率<70μm
有效濾水面積(5kts): 160L/sec(可以選擇 10kts 速度匹配的鏡頭)
技術(shù)優(yōu)勢(shì):
原位,高分辨率的未擾動(dòng)樣品圖像,顯示生物種類及空間的分布關(guān)系
線性掃描鏡頭技術(shù),可以采集連續(xù)的圖像信息,框圖間無(wú)延時(shí)
專利的光學(xué)結(jié)構(gòu)提供出色的50cm景深
大視野圖像結(jié)合高船速,快速觀察大體積水域
BellaMare拖體提供可選配置用于配合浮游動(dòng)物拖體影像儀
超大負(fù)載能力可以搭載多種環(huán)境參數(shù)探頭,實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的同時(shí)采集
拖體動(dòng)態(tài)可控,用于要求嚴(yán)苛的調(diào)查計(jì)劃
電機(jī)光纖拖纜擺脫了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)及能源傳輸限制
數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及反饋控制可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)查管理
TPI浮游動(dòng)物拖體影像儀
TPI系統(tǒng)包括鏡頭艙,甲板數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和連接線纜。兩個(gè)TPI水下艙體包含有鏡頭、光學(xué)器件、控制器及照明系統(tǒng),適用水深200米。艙體定位于光學(xué)校準(zhǔn),防止水流擾動(dòng)樣品,影響成像質(zhì)量。
甲板單元站提供能源、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(速度達(dá)到80mb/s)功能。圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)于可擴(kuò)展的RAID硬盤(pán)內(nèi)。電機(jī)光纖拖纜提供甲板單元與水下拖體間的連接。
雙圖像系統(tǒng)
TPI 浮游動(dòng)物拖體影像儀標(biāo)配的相機(jī)為視野 13cm、景深 50cm,適合于對(duì)大體積水域進(jìn)行監(jiān)測(cè),通常拍攝體積大于1mm 的稀有生物種群。很多情況下,體積較小的種群其豐度較高,為了獲取此類種群生物的高分辨率圖像數(shù)據(jù),需
要采用視野和景深更小的相機(jī)。此時(shí),用戶可選配微型相機(jī)系統(tǒng)(60 mm FOV×85 mm FOV,45μm 像素),實(shí)現(xiàn)雙相甲板控制單元
機(jī)采集數(shù)據(jù)。雙相機(jī)系統(tǒng)采集不同大小的浮游生物圖像數(shù)據(jù),可以用于觀察或評(píng)價(jià)不同生物種群間的相互關(guān)系(例如捕食關(guān)系)。
雙系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)也可簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù)的分析及分類工作??梢允褂梦⑿拖鄼C(jī)采集的高分辨率圖像研究體積較小、豐度較大的種群,而不用再利用標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)對(duì)相同種群獲取的低分辨率圖像。
BellaMare 拖體
拖體采用模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)需要更改配置,滿足不同的負(fù)載需要,既可以實(shí)現(xiàn)在預(yù)定深度范圍內(nèi)的完全動(dòng)態(tài)的波動(dòng)飛行控制,避免船體尾波影響,也可以僅是被動(dòng)拖曳。
TPI-2 ROTV 型拖體,是*先進(jìn)的主動(dòng)型水下拖曳載體平臺(tái),良好的設(shè)計(jì)有效減少了環(huán)境因素對(duì)拍攝過(guò)程的干擾,尤為重要的是,此拖體具有預(yù)編程能力,可以實(shí)現(xiàn)按用戶預(yù)定深度進(jìn)行水下波動(dòng)飛行,或按設(shè)定的海拔高度隨著海底輪廓而運(yùn)動(dòng)。
TPI-2 ROTV型拖體提供了不同深度水中生物分布的良好刻度辨識(shí)率,其流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)有效減少了影響圖像分辨率的振動(dòng),提供了接近完全無(wú)擾動(dòng)的浮游生物原位觀察功能。
TPI-1 ROTV型拖體是一個(gè)被動(dòng)型水下載體平臺(tái),其釋放深度及運(yùn)行軌跡完全取決于系于其上的絞車電纜。其可搭載與TPI-2 ROTV型拖體完全相同的拍攝系統(tǒng)及環(huán)境探頭。
Bella Mare 集成系統(tǒng)
拖體可以根據(jù)需要裝配許多環(huán)境參數(shù)探頭,整合為一套環(huán)境參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng),補(bǔ)充 TPI 浮游生物圖像系統(tǒng)或其它調(diào)查設(shè)備的應(yīng)用。目前可集成的探頭包括 CTD、葉綠素、溶解氧、Par、透射率等探頭。
軟件
BellaMare 拖體控制軟件,采用便捷的圖像控制界面,可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及拖體的飛行控制。所有的原始數(shù)據(jù)通過(guò)單模式光纖導(dǎo)纜及時(shí)地傳輸?shù)郊装蹇刂茊卧?,系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖像記錄、拖體狀態(tài)顯示及控
制功能。