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A low-cost edge AI-chip-based system for real-time algae species classification and HAB prediction

藻类 水华 人工智能 GSM演进的增强数据速率 随机森林 环境科学 模式识别(心理学) 计算机科学 生态学 机器学习 生物 营养物 浮游植物
作者
A R Yuan,Binbin Wang,Jianqing Li,Joseph H.W. Lee
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:233: 119727-119727 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.watres.2023.119727
摘要

Harmful Algal Blooms (HAB) are damaging to ecosystem functions and pose challenges to environmental and fisheries management. The key to HAB management and understanding the complex algal growth dynamics is the development of robust systems for real-time monitoring of algae populations and species. Previous algae classification studies mainly rely on the combination of an in-situ imaging flow cytometer and an off-site lab-based algae classification model such as Random Forest (RF) for the analysis of high-throughput images. An on-site AI algae monitoring system on top of an edge AI chip embedded with the proposed Algal Morphology Deep Neural Network (AMDNN) model is developed to achieve real-time algae species classification and HAB prediction. Based on a detailed examination of real-world algae images, dataset augmentation is first performed: consisting of orientation, flipping, blurring, and Resizing with Aspect ratio Preserved (RAP). The dataset augmentation is shown to significantly improve classification performance which is superior to that of the competitive RF model. And the attention heatmaps show that for relatively regular-shaped algal species (e.g., Vicicitus), the model weights the color and texture information heavily; while the shape-related features are more important for complex-shaped algae (e.g., Chaetoceros). The AMDNN is tested on a dataset of 11,250 algae images containing the 25 most common HAB classes in Hong Kong subtropical waters with 99.87% test accuracy. Based on the fast and accurate algae classification, the AI-chip-based on-site system is applied to a one-month dataset in February 2020; the predicted trends of total cell counts and targeted HAB species counts are in good agreement with observations. The proposed edge AI algae monitoring system provides a platform for the development of practical HAB early warning systems that can effectively support environmental risk and fisheries management.
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