海洋，覆盖地球表面的71%，是生命的摇篮、气候的调节器，更是我们赖以生存的蓝色家园。海洋生态系统是地球气候与生物多样性的核心支柱。从珊瑚礁到红树林，从微小浮游生物到巨型鲸豚，共同编织着复杂而脆弱的生态网络。浮游动物作为海洋食物网的关键节点、生态环境变化的敏感指示生物，其群落结构、丰度与时空分布，直接决定海洋健康程度，是生态保护、渔业管理、气候变化研究的核心观测对象。它们是海洋食物链的起点，是鱼类、海鸟的重要食物来源，对水温、酸化、污染高度敏感，堪称海洋生态的 “晴雨表”。长期以来，传统监测靠“网捞+镜检”，耗时费力、成本高昂，难以实现大范围、高频次、陆续在观测 —— 想精准守护海洋，第一时间得看得清、测得准、跟得上。
经11年技术迭代与严格海试验证，Pi‑10 浮游生物成像仪以全自动、高通量、高精度能力，成为海洋生态监测的硬核科学装备。
Pi‑10：11年迭代的权威科学仪器
Pi‑10 由英国渔业与水产养殖科学中心（Cefas）计算生态学家James Scott 教授联合艾伦・图灵研究所及英国Plankton Analytics公司共同研发，这款设备是2011年至2022年，历经11的研发打造而成。初代产品为线扫描浮游动物分析仪（LiZA），用于捕获中型浮游动物黑白图像，并顺利获得配套的浮游生物图像分析系统（PIA）计算机视觉系统给予分类信息，无需大量航次后处理即可快速获取数据，减轻人工分类负担。2016年，仪器更名为浮游生物图像分析仪（PIA），整合成像与分析功能，核心升级为彩色相机系统。2016年秋季，PIA 在 “Cefas 奋进号” 上首次测试，并与两种传统方法对比：同步进水的陆续在自动垃圾与浮游生物采样器（CALPS）、传统垂直环网采样。结果显示，三种系统在浮游动物丰度空间分布上一致性良好。2022年底正式推出商用版 Pi‑10，名称体现 10 μm 像素分辨率。整体而言，浮游生物成像仪从简单的相机、镜头与流通池组装体（PIA、PI），开展为独立集成仪器，配备基于微处理器的控制器与内部温控系统，维持光学组件恒温并降低机箱内湿度。
高清成像：10 μm 像素分辨率，清晰捕捉 180 μm～3.5 cm 粒径目标；
高通量采样：34 L/min 过水流量，每小时稳定采样 2 立方米海水；
超高效率：最高 5000 张/分钟，日均数据量可达 46 GB；
智能适配：高密度水体自动“二次抽样”，只存图、不丢计数；
稳定可靠：18 天陆续在运行，在线率超 99%，维护简单；
数据强大：图像带 GPS + 时间戳，支持 AI 自动分类，助力海洋数字孪生建设。
新一代流通式浮游生物成像系统Pi-10，可搭载于科考船、监测平台，直接接入供水系统，24 小时不间断“抓拍”水中浮游生物与颗粒物。
2023 年在 “Cefas 奋进号”科考船完成18天陆续在海试，接入船载供水系统，以34L/ min稳定运行，在线率超99%，全面验证复杂海况下的可靠性。该航次Pi-10设备累计运行约 353小时，共计生成2116个十分钟统计区间。设备成功采集（有效抓拍）图像 70273294 张。下图为浮游生物成像仪拍摄的样本图像。图像放大十倍，图中的浮游动物按体型从大到小排列，左侧个体最大，右下角个体最小。
Pi-10 工作原理及特性
Pi‑10采用流通式+高速线扫描成像机制，全流程自动化、标准化、可溯源，核心步骤如下：
水样抽取与流场稳定
1)直接接入平台供水系统，34L/min标准流量抽水；
2)水流经专利流通池，从圆形管路平滑过渡为矩形成像区；
3)成像区景深13.8mm、宽度40.8mm，消除气泡、驻波、水压波动，保证颗粒物匀速顺利获得；
4)光学窗口采用蓝宝石材质，耐磨高透，保障长期成像稳定。
光学照明系统
1)6700K白光LED，照度9400Lux，接近自然光，还原真实色彩；
2)前方设1mm 针孔，优化光束准直，减少阴影与眩光；
3)亮度可软件调节，便于维护操作。
高速线扫描成像（核心）
1)相机：Teledyne Dalsa 高速RGB 线扫描相机，4096 像素、24 位真彩、10μm 单像素分辨率；
2)扫描速率10万行/秒，对水流 “逐线陆续在抓拍”；
3)镜头：日本 VS-Technology 定制1:1远心微距镜头，固定光圈焦距，免现场调试，畸变小、标定准；
4)传输：Camera Link CLHS双光纤，速率1.144GB/S，无延迟、无丢帧。
目标检测与图像提取
1)软件实时背景扣除，去除水流、反光、杂质干扰；
2)自动检测150μm–3.5cm粒径范围内浮游生物与颗粒物；
3)为目标添加50μm 边框，完整保留附肢、触角等细节；
4)提取感兴趣区域（ROI），宽高向上取整为 8的倍数，适配 AI 分类；
5)每张图像自动写入时间戳 + GPS 坐标，实现时空精准定位。
高通量数据处理与智能控制
1)控制计算机 PiPC：AMD24核+32GB内存，个线程专司图像采集与分割，并行架构保障高通量；
2)智能抽样：颗粒物密度＞147P/L时，自动进入科学二次抽样模式，停止全量存图但持续统计总数量；
3)命中/丢失记录：每分钟记录成功存图数与未存图数，可用校正系数推算真实丰度；
4)数据广播：图像以TIFF 格式顺利获得UDP 协议局域网广播，支持多设备实时监控。
系统状态监控与安全保护
1)内置32 位微控制器，每秒监测：LED 温度、流量、湿度、漏水、电源；
2)状态灯：
绿灯常亮：正常
绿灯闪烁：流量偏差±10%
红灯常亮：漏水
红灯闪烁：光源过热
3)内部半导体制冷温控，保持光学组件恒温低湿，提升寿命与稳定性。
4)运行模式：24 小时全自动、无人值守
5)部署条件：只需供水 + 供电，适配科考船、监测站、浮标等
浮游生物成像仪控制软件（PI_Imager.exe）图形用户界面（GUI）。该软件可操控相机、设置图像参数，并实时展示浮游生物影像。A：顺利获得串口从船舶全球定位系统获取的时间与定位信息；B：控制箱内部温度；C：可调节参数，包含光照、阈值、拍摄图像的最小与最大尺寸、每分钟及每次脉冲拍摄的最大图像数量；D：故障排查窗口；E：亚克力箱内控制面板的镜像界面；F：拍摄图像的 RGB 直方图；G：相机拍摄并由树莓派工控机实时接收的图像预览窗口。
Pi‑10 如何科学支撑海洋生态保护
高频陆续在监测，捕捉精细生态过程
全天候、线状陆续在采样，精准刻画浮游生物昼夜变动、斑块分布、季节演替，为赤潮、水质异常、生态扰动给予早期预警。
标准化定量数据，让保护更科学
统一参数与流程，消除人工主观误差，输出可验证、可重复的丰度、粒径、群落组成数据，支撑环境评价、渔业养护、政策制定。
低成本广覆盖，构建长期监测网络
无需单独布放、不占额外船时人力，维护简单、成本可控，可大规模部署，形成区域 — 全球长期生态观测网络。
赋能海洋数字孪生
高精度时空数据可直接接入生态模型，提升海洋数字孪生模拟精度，实现可视化、风险预判、保护效果量化评估。
结语
海洋生态保护，始于精准观测，基于科学数据，成于智能科技。
Pi‑10以严谨工程设计、稳定性能、高通量数据产出，为浮游动物与海洋生态系统研究保护给予标准化、自动化、智能化解决方案，让人类更深刻、更精细、更持续地读懂海洋、守护蔚蓝。
科技向深蓝，守护每一片海洋生机。
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