蓝藻检测新方式

污水排放不当容易引起蓝藻大量繁殖,在太湖、滇池等水域均有过大规模蓝藻爆发。水质恶化还会给渔业带来严重危害,甚至影响生活用水,因此降低蓝藻检测及其面积测算的时间和成本并尽早进行防治显得尤为重要。

在今年的夏季本科生研究基金项目(SURF)中,来自西浦智能工程学院的五位同学在计算机系朱晓辉博士和岳勇教授的指导下,提出了一种快速检测蓝藻并估测面积的算法。该算法可以搭载在无人机上,当无人机从水面飞过时,摄像头会拍摄下水面的实时图片,计算机能够根据这些图像识别出水中蓝藻生长区域,并估算出蓝藻污染区的面积。

小组采用了一系列模拟实验来验证识别与估算的准确度,并在暑假期间前往金鸡湖进行实地测试。未来,这种方法也有望用于建筑行业、地图测绘等多个领域之中。

考虑到需要装载在无人机上,同学们在设计时选用了适合用于移动设备的轻量级语义分割算法,它的体积更小但速度和精度更高。语义分割是计算机视觉领域中的重要分支,能够识别出图像中的目标,且精确到每个像素,识别到蓝藻之后,可以通过像素点来估算面积。

(图片说明:上图左边为湖水中蓝藻分布的实际情况,右边红色部分是使用该方法进行蓝藻识别的效果)

小组成员包括信息与计算科学专业的杨凯原、石天磊、陆懿行、杨正、沙翔宇,计算机科学与技术专业的潘治元和金融计算专业的沈严靓。

杨凯原介绍说:“由于蓝藻一般都是聚集漂浮在水面上的,而水域面积大多比较广,选用这种方式就能大范围、快速地检测蓝藻的爆发情况。使用该算法能够得出较为准确的结果,相比传统的取样检测也更节约时间和成本。”

但如果只是用普通摄像头来拍摄图像,则会损失一部分信息。石天磊解释说:“在现实生活中澳门尼威斯人网站8311看到的是三维物体,摄像头拍出的图像却是二维的,丢失的一维是物体之间的空间距离,缺少这样的深度信息会导致无法得出蓝藻的具体面积。”

“因此,澳门尼威斯人网站8311使用了双目摄像头,这种摄像头可以模拟人的视觉。”

石天磊在项目中负责面积估算的算法开发,他说:“人的左右眼会从略微不同的角度观察物体,这种不同与物体所处的位置是相关的,通过这样的视差可以感知深度信息。使用双目摄像头后,澳门尼威斯人网站8311也能获得水面上蓝藻区域与其他区域在空间上的联系,再与像素点结合、转化就能够估算出更为具体的蓝藻面积。”

(上图前排从左至右为指导老师岳勇教授和朱晓辉博士;后排从左至右为小组成员杨正、曾钟情、杨凯原、石天磊、沙翔宇以及在项目中提供协助指导的博士生姚善良)

杨凯原大一时就加入了岳勇教授和朱晓辉博士的项目组。“刚进实验室时知识储备还不够,老师很耐心地引导澳门尼威斯人网站8311学习一些必要的知识,鼓励澳门尼威斯人网站8311开展研究,给了澳门尼威斯人网站8311很多支持和帮助。”

“参与这两次SURF让澳门尼威斯人网站8311感觉到创新是最大的难点,它要求研究者不断了解已有的、最新的理论和方法,站在巨人的肩膀上去琢磨,不断推翻旧的思路,更新完善自己的方案,最终实现和验证它们。”她补充道。

在石天磊看来,SURF这段科研经历帮助他提升了实际解决问题的能力。“SURF项目其实在学期中就已经开始了,需要在平时学习的间隙做好一些初步的构想,暑假期间主要是集中攻坚,对于本科生来说,怎样保持科研与日常学习的平衡非常有挑战。SURF锻炼的是处理实际难题、实现实际应用的能力,对于提升抗压能力也很有帮助。”

癌症诊断潜力的探索

西浦理学院生物科学系的一组SURF则聚焦于癌症诊断中免疫治疗的潜力。

在Jeong Park博士的带领下,生物科学专业的于佳玮、吴雨桐、周怡欣和袁子越四位同学开发了一种生物纳米纤维来帮助检测乳腺癌细胞上的癌症标记物,并希望通过细胞抗体来进行免疫治疗。

Park博士介绍说:“目前在癌症治疗手段中,药物仍然是最通用的方式,但是这类药物的价格十分昂贵,完整的治疗费用甚至超过了十五万美元。澳门尼威斯人网站8311的研究希望能够借助细胞本身的免疫功能来进行治疗。”

吴雨桐说:“传统的化疗中,药物会对癌细胞和自身细胞进行无差别攻击,对病人身体损伤很大,免疫治疗相比化疗、放射治疗等对病人身体损伤更小。”

“但目前发现免疫治疗只对特定的癌症种类有效,这类型癌症可以借助其细胞表面的一种蛋白进行免疫逃避,澳门尼威斯人网站8311合成的这种生物纳米纤维可以对此类蛋白进行结合,并检验其结合效率,从而确定病人是否可以进行免疫治疗。”

“随着研究的深入,也许在之后能使用免疫诊断这样的方法,帮助降低癌症治疗的成本;同时也能减少在治疗过程中由于过度使用药物而对人体造成的损伤。”

(图片说明:蛋白质纯化)

(图片说明:酶样本)

小组同学们表示这个项目的实验需要非常严谨的实验态度和连贯的操作,一旦在实验期间出现了操作上的一些问题,就需要从头开始。

于佳玮表示:“澳门尼威斯人网站8311花费了一周的时间,进行微球菌核酸酶检测,每次失败以后,老师都会把澳门尼威斯人网站8311的结果放在实验台上进行提问,启发澳门尼威斯人网站8311主动去分析实验结果,思考所有可能导致实验失败的问题。”

除了专业上的指导,Park老师也教会了同学们一些做科学研究应该具备的品质和心态。

“让澳门尼威斯人网站8311印象最深的是老师说:失败是实验中的常态,最重要的是学会如何面对失败,如果澳门尼威斯人网站8311能从失败中总结出经验、分析出一些有用的信息,那这次实验就是有价值的。”于佳玮说。

他还发现,在整个研究过程中,同学们对于独立自主的完成科研项目有了更清晰的认识。

“之前在课堂上做实验时,助教老师们都会充分准备好实验材料,澳门尼威斯人网站8311只需要专注于完成实验本身的部分。” 于佳玮说,“而在surf项目中,澳门尼威斯人网站8311有更多机会去锻炼实验操作技能——澳门尼威斯人网站8311要自己准备实验材料、规划每日的实验目标,主动去推动项目的进度;完成实验也不是工作的结束,每一次做完实验后澳门尼威斯人网站8311都会对结果进行详细分析。”

“也是通过这个项目,澳门尼威斯人网站8311确定了自己对于癌症研究领域的兴趣,在这次研究中积累的实操经验也可以应用在以后的学习中。”

(记者:金画恬 王璐遥 编辑:胡秋辰 图片提供:SURF团队)

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