【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋环境污染早期检测和预警方法。
技术介绍
1、海洋环境污染早期检测和预警是为了及时发现、预测和应对海洋环境变化中的各种风险和威胁，早期检测和预警可以帮助人们及时了解海洋环境中存在的风险，有利于人们迅速采取相应措施，从而减少海洋污染对人类生存环境的影响，同时也有助于保护海洋生态系统的可持续发展。因此，对海洋环境污染早期检测，并作出准确预警，对海洋和人类都具有重要意义。
2、海洋环境被污染后，海洋中重金属、持久性有机污染物等污染物质大量积累，进而引起海洋初级生产力下降、生物体内毒物累积、生物种类减少、食物链被破坏等问题，从而导致生物多样性急剧下降。因此，通过检测一些海洋生物的生存或生理状态，可以一定程度上反映海洋环境好坏，进而做出预警。但由于海洋生物众多，选取哪一种生物、采用哪一种方法，能简单、快速、准确地检测海洋环境，是海洋环境早期检测和预警的难题。
3、申请人研究发现，以贻贝作为检测对象来对海洋环境进行检测和预警具有以下优点：作为一种模式生物，海洋贻贝具有一系列生理、生态上的优势，包括广泛分布、适应力强、运动能力弱、容易采集等，已被广泛应用于各类海洋环境监测项目中。加之，海洋贻贝是近海生态系统中的基石物种，在海洋食物链中起到承上启下的作用，以海洋贻贝为媒介监测海洋环境具有代表性和优越性。
4、彗星检测又被称为单细胞凝胶电泳实验，是一种在单细胞水平开展基因损伤检测的方法，也是海洋贻贝中敏感、稳定的生物标志物之一。当海洋贻贝细胞dna受到海洋环境污染物（有机环境污染物、无机环境污染
5、目前，海洋贻贝彗星检测主要依赖人工阅片的方式，并使用一些常见的分析软件，其中包括opencomet、casplab（casp）和comet assay iv。
6、opencomet是image j软件的一个彗星分析插件，它可以对彗星图像进行半自动识别，并具有结果可溯源的优点。然而，它对彗星图像的质量要求较高，可能会将杂质或堆叠细胞误认为彗星，从而导致结果偏差。casplab（casp）是一款免费的分析软件，可以进行人工分析彗星图像，但其通量较低，对分析人员的专业性要求较高，且软件的稳定性较差。comet assay iv是一款付费的彗星分析软件，虽然分析性能稳定，但它依赖于人工识别，并且价格较高。
7、此外，人工阅片还存在以下缺陷：1）检测效率较低、检测通量较小以及误差相对较大；2）对检测人员的专业性要求高，并且检测人员的主观性也会在一定程度上影响实验结果。
8、因此，亟待开发一种准确度高、检测通量高、标准化结果并且不依赖于人工的智能判断方法，对海洋环境早期检测和预警。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术一方面提供一种海洋环境污染早期检测和预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
2、1）图像采集：采集待测海区的贻贝，采用单细胞电泳实验将所述贻贝制成样品，对所述样品染色后，采集所述样品中的细胞图像；
3、2）数据库构建：基于现有的贻贝细胞彗星图像，进行细胞分类模型训练和彗头识别模型训练，从而构建所述数据库；
4、3）参数计算：将步骤1）采集的所述细胞图像输入步骤2）所述数据库，所述数据库对所述细胞图像进行识别，并计算彗尾dna百分比tail dna%；
5、4）污染预警：根据步骤3）计算的所述tail dna%水平对所述贻贝细胞dna损伤等级进行判定，根据所述损伤等级进一步对海洋环境污染做早期预警。
6、利用彗星检测来表征海洋贻贝的基因损伤程度主要可以分析以下指标：性状指标（彗星细胞率）、距离指标（彗星总长、彗尾长度、彗头半径、彗尾半径）和强度指标（彗尾dna百分比、彗头dna百分比、彗头面积、彗尾面积）等（见附图2）。其中参数彗尾dna百分比（taildna%）具有高度敏感性，其在低剂量范围内与dna损伤呈线性关系，根据tail dna%变化水平可以监测低剂量海洋污染，同时可以反映出污染严重程度，以起到早期预警的作用。
7、进一步，所述tail dna%的计算方法如下：获取所述细胞图像中整个彗星的荧光强度l和彗头的荧光强度l，所述计算公式为：。
8、进一步，所述tail dna%水平对海洋贻贝细胞dna损伤等级判定方法如下：taildna%＜5%，0级，无损伤；5%≤tail dna%＜20%，1级，轻度损伤；20%≤tail dna%＜40%，2级，中度损伤；tail dna%≥40%，3级，高度损伤。
9、进一步，所述贻贝细胞dna损伤等级预警海洋早期污染方法如下：0级，无预警，说明海洋环境无污染；1级，蓝色预警，说明海洋环境轻度污染；2级，黄色预警，说明海洋环境中度污染；3级，红色预警，说明海洋环境重度污染。
10、进一步，步骤2）中构建所述数据库的方法如下：
11、①图像采集：获取大量贻贝细胞彗星的图像数据用于训练细胞分类模型；截取所述图像中的彗星细胞部分，重新组织彗星细胞数据集，将彗星细胞数据集分为训练集和测试集，建立用于训练和评估彗头识别模型；
12、②数据标注：对所述训练集和所述测试集的图像数据进行标注，所述标注方法包括绘制边界框，所述边界框标记出每个细胞的位置和边界；细胞分类模型为每个图像中的细胞添加标签信息，其中stack代表细胞堆叠，impurity代表杂质，comet代表彗星；细胞识别模型中head代表彗星头部；
13、③模型训练：利用迁移学习的方法，使用coco数据集上预训练模型的权重初始化yolov8模型，使用所述yolov8算法分别训练细胞分类模型和彗头识别模型；在训练所述细胞分类模型的过程中，利用所述标注的图像数据集进行训练，将所述图像数据输入到yolov8模型中，并通过前向传播获取预测结果；在训练所述彗头识别模型的过程中，使用yolov8算法，并利用所述标注的图像数据集进行训练，通过前向传播获取预测结果；
14、④优化模型训练：使用交叉熵损失函数和随机梯度下降（sgd）优化算法，对所述细胞分类模型和所述彗头识别模型进行前向传播，计算损失；反向传播、参数更新和多次迭代对模型进行优化，以提高模型的准确性和泛化能力；
15、⑤集成模型：将训练好的所述细胞分类模型和所本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海洋环境污染早期检测和预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中Tail DNA%的计算方法如下：获取所述细胞图像中整个彗星的荧光强度L和彗头的荧光强度l，所述Tail DNA%的计算公式如下：
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述Tail DNA%水平对海洋贻贝细胞DNA损伤等级判定方法如下：Tail DNA%＜5%，0级，无损伤；5%≤Tail DNA%＜20%，1级，轻度损伤；20%≤Tail DNA%＜40%，2级，中度损伤；Tail DNA%≥40%，3级，高度损伤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述贻贝细胞DNA损伤等级预警海洋早期污染方法如下：0级，无预警，说明海洋环境无污染；1级，蓝色预警，说明海洋环境轻度污染；2级，黄色预警，说明海洋环境中度污染；3级，红色预警，说明海洋环境重度污染。
5.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，步骤2）中构建所述数据库的方法如下：
6.根据权利要求2所述的方法，其
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述一系列新图像中包括至少200个彗星细胞。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，所述参数计算方法还包括：
9.一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
10.一种计算装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种海洋环境污染早期检测和预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3）中tail dna%的计算方法如下：获取所述细胞图像中整个彗星的荧光强度l和彗头的荧光强度l，所述tail dna%的计算公式如下：
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述tail dna%水平对海洋贻贝细胞dna损伤等级判定方法如下：tail dna%＜5%，0级，无损伤；5%≤tail dna%＜20%，1级，轻度损伤；20%≤tail dna%＜40%，2级，中度损伤；tail dna%≥40%，3级，高度损伤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述贻贝细胞dna损伤等级预警海洋早期污染方法如下：0级，无预警，说明海洋环境无污染；1级，蓝色预警，说明海洋环境轻度污染；2级，...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲梦杰，江奕奕，邸雅楠，潘依雯，
申请(专利权)人：浙江大学海南研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。