太空“千里眼”，新型传感器如何从太空监测海洋垃圾

卫星从太空监测海洋垃圾已成为现实

根据由海洋科学研究所 (ICM-CSIC) 和加的斯大学领导的一项新研究，从太空探测海洋垃圾现在已成为现实。到目前为止，海面上的垃圾（主要是塑料）的数量很少足以从太空产生可探测的信号。然而，研究小组利用超级计算机和先进的搜索算法证明，卫星是估算海洋垃圾数量的有效工具。

为了开展这项工作，欧洲航天局 (ESA) 资助了欧洲哥白尼哨兵 2 号卫星在地中海进行的为期六年的历史观测系列分析。总共检查了每 3 天拍摄的 300,000 张分辨率为 10 米的图像。研究结果显示，在漂浮结构中聚集了大量垃圾，科学上称之为“垃圾堆”，其长度可达数公里，是由于洋流汇聚和风对海面的影响而形成的。研究结果表明，2015年至2021年期间，地中海漂浮塑料的覆盖面积可能达到约95平方公里，相当于约7,500个足球场。

这项研究的联合主任、加的斯大学的 Andrés Cózar 则强调，“这些痕迹对于海洋垃圾的相关性和重要性直到现在才为人所知”，他对超级计算机和高级搜索算法的自动化应用表示欢迎，这证明可以从太空大面积定期监测海洋垃圾的堆积情况。”着眼于未来的太空任务，研究小组建议在卫星上安装专门的塑料检测传感器。这将使检测海洋中塑料的能力提高20倍。此外，这些信息可以与其他环境因素进行比较，以加深对塑料碎片从陆地运输到海洋的机制的理解，并更好地指导行动和法规，以对抗这种影响生物多样性、鱼类资源和旅游业的海洋污染。

简而言之，由Andrés Cózar等一众科学家共同完成，主要探讨了利用新型传感器从太空监测海洋垃圾的可行性，并成功进行了概念验证。

参考文献：Andrés Cózar, Manuel Arias, Giuseppe Suaria, Josué Viejo, Stefano Aliani, Aristeidis Koutroulis, James Delaney, Guillaume Bonnery, Diego Macías, Robin de Vries, Romain Sumerot, Carmen Morales-Caselles, Antonio Turiel, Daniel González-Fernández, Paolo Corradi. Proof of concept for a new sensor to monitor marine litter from space. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-48674-7

一、传感器是如何区分海洋垃圾和其他漂浮物？

塑料、金属、木材等不同材质的垃圾，在阳光照射下反射的光谱特征是不同的，传感器通过分析反射光的光谱，就能判断物体是由什么材质构成的。海洋垃圾长期浸泡在海水里，表面往往会附着油污和生物膜，这些物质也会改变物体的反射光谱。

通过大量的图像数据训练机器学习算法，让算法能够识别出各种形状和尺寸的海洋垃圾。不同材质的垃圾表面纹理也不同，传感器可以利用图像处理技术提取纹理特征，进行分类。

海洋垃圾和自然漂浮物（如海藻、浮游生物）在海浪作用下的运动规律是不同的。传感器可以通过连续监测物体的运动轨迹，来判断其性质。

但利用传感器识别海洋垃圾也存在一些困难。海浪、泡沫、光照条件等因素都会影响图像质量，给图像识别带来困难。海洋垃圾的形状、大小、材质等千差万别，要建立一个全面的分类体系非常困难。

通过传感器能够从太空区分海洋垃圾和其他漂浮物，是多项技术的综合应用结果。这种技术的发展，为我们监测海洋环境、保护海洋生态提供了新的手段。

二、这项研究的意义

Andrés Cózar 等人的这项研究，通过开发一种新型传感器，从太空监测海洋垃圾，为海洋科学研究开辟了新的方向。相比传统的船舶或飞机监测，太空监测能够覆盖更广阔的海域，并以更高的频率进行观测，从而更全面、实时地掌握海洋垃圾的分布情况。 新型传感器的高分辨率成像能力，使得科学家能够更准确地识别和分类不同类型的海洋垃圾，为深入研究海洋垃圾的来源、组成和迁移规律提供数据支撑。

通过太空监测，科学家可以获得全球范围内的海洋垃圾分布数据，从而更全面地了解海洋污染的现状和趋势。 通过长期监测，可以评估海洋垃圾对海洋生态系统的影响，为制定有效的保护措施提供参考，推动海洋垃圾治理工作的开展。

总的来说， 这项研究不仅为海洋垃圾监测提供了新的技术手段，而且为深入研究海洋污染、保护海洋生态系统开辟了广阔的前景。随着这项技术的不断发展和完善，我们有望更全面、深入地了解海洋，并采取更有针对性的措施保护我们的海洋家园。

三、思考

如何进一步提高传感器的光谱分辨率，以区分更多种类的海洋垃圾，特别是微塑料？是否可以通过多光谱成像技术，更准确地识别海洋垃圾的材质和表面特征？极化成像能否提供额外的信息，以区分海洋垃圾和其他漂浮物？

如何建立一个更加全面的海洋垃圾分类体系，并开发相应的识别算法？如何准确估算海洋垃圾的数量和密度？如何通过分析垃圾的成分和分布，追踪其来源？

如何建立长期、连续的监测体系，以研究海洋垃圾的时空变化规律？气候变化对海洋垃圾的分布和迁移有何影响？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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