大型底栖无脊椎动物（Benthic macroinvertebrates，以下简称“底栖动物”）是淡水生态系统的重要组成部分，占据水生食物链的关键营养环节。底栖动物的多样性和物种组成对水生态环境的变化极其敏感，在全球范围内被广泛用于河湖健康监测和生物水质评价。在我国的《长江流域水生态考核指标评分细则（试行）》、《河湖健康评价指南（试行）》等多项水生态考核标准中，底栖动物是最重要的考核指标之一。
然而，传统的底栖动物检测方法在水生态考核实践中存在诸多弊端。一方面，底栖动物在分类学和形态学上的高度复杂性对检测人员提出了极高的专业技术要求。例如，寡毛纲、摇蚊科等类群需要经过精细解剖，或制成玻片后才能通过显微镜观察其细微结构并鉴定种类。另一方面，与日俱增的检测需求和专业检测人员短缺的矛盾日益突出，使传统底栖动物检测成为制约水生态监测发展的堵点和痛点所在。
针对这些问题，中国科学院水生生物研究所（以下简称“水生所”）联合湖北省生态环境科学研究院（以下简称“湖北省环科院”）开展紧急技术攻关，成功研发了底栖动物智能识别系统。该系统以高度完善的底栖动物数据库为基础，搭载强大的人工智能图像识别引擎，实现了底栖动物从样本图像采集到物种鉴定的全流程自动化，是水生态监测领域的神兵利器。
水生所自主研发的底栖动物智能识别系统
丰富的底栖动物照片标注数据库是模型准确识别的重要基础。自1950年以来，水生所系统地开展了大量的水生生物多样性调查工作，其中包括底栖动物调查，积累了雄厚的数据资源。现已建成超10万张的底栖动物显微图像数据集，用于模型训练。所有图像均经过专家团队进行物种鉴定、形态特征标注及审核，保证了训练数据集的丰富性和准确性。
该系统配备了专业的数据分析软件，专为底栖动物样本检测提供一站式解决方案。该系统支持以项目为单位进行样本检测、结果存储、数据交互与智慧管理。操作流程简单高效：操作人员只需把待测样本置于检测平台，并在软件中输入点位名称、采样面积等基本信息，即可一键式启动检测流程。系统内置的高分辨率显微拍摄模块负责对样本进行图像采集，智能识别模块则对图像中的底栖动物个体物种进行分类。通过杂质分析、密度、生物量计算等关键步骤，系统将输出检测样本的物种组成、密度、生物量及多样性指数等检测数据，并自动生成专业的数据报表和检测报告。检测启动后，全程自动化，无需人工干预，报告即时生成，方便快捷。
在水环境监测实践中，常需要在短时间内完成大量样本的检测。传统方法中，底栖动物样本检测前需经过繁琐的人工挑选步骤，通过人工将底栖动物从原始样本中逐个挑拣出来，这一过程不仅耗时而且效率低下，不利于应急监测的开展。
针对这一问题，我们开发了一套针对应急检测场景的快速检测模式。在该模式下，操作人员只需使用筛网剔除样本中的淤泥和大型环境杂质，即可将含有细小杂质，如砂粒、树枝、小石子等的样本直接放置于检测平台上进行自动化分析。启动快速检测模式后，系统的显微拍摄模块会对检测平台上的样本进行分区扫描，从杂质背景中快速搜索底栖动物进行识别。相较于常规检测模式，快速检测模式省去了人工挑拣底栖动物的步骤，显著提高了检测效率。
底栖动物智能识别系统的成功研发，标志着水生所AI技术在生态监测领域的重大突破，将成为我国生态环境监测数智化转型的典范。未来，我们将继续引领技术革新，专注于水生态人工智能、环境DNA等前沿监测技术的开发与应用，全力开启我国生态环境监测的新纪元，为守护绿水青山贡献科技力量。
