CN102297865B - 一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法，包括数据采集装置、数据分析装置和透明的水槽，特点是水槽通过网状挡鱼板依次分隔为流水缓冲区、鱼群观测区和过滤调节区，流水缓冲区的侧壁上设置有进水管，鱼群观测区的外部设置有光源，过滤调节区的侧壁上设置有出水管，过滤调节区设置有循环泵，水槽的靠近底部的侧壁上设置有排水阀，其监测方法是利用摄像机对试验鱼群的行为进行拍摄获得图像序列，送入计算机做实时图像处理与数据分析，将得到的平均游动速度、密集程度等与预先设定的阈值进行比较，判断水质是否被污染，优点是同时实现静水式、流水式和换水式试验中鱼类行为参数的记录，并且可以同时测量个体和群体生物的行为。

Description

一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其是涉及一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法。

背景技术

水是人类赖以生存和发展的一个不可或缺的重要因素，水质安全状况影响着人类生存环境和生命健康。近年来，我国水资源质量不断下降，水环境持续恶化，化学品泄漏、人为投毒等突发事故频有发生，水质监测必不可少。目前为止，国内外监测水质的主要方法有两种：理化分析法和生物监测法。生物监测法选择合适的指示生物，通过指示生物的生理特征和行为反应的变化来表征水体质量的变化。该方法可以长时间连续监测水质，无需人工参与，并且灵敏度较高，监测范围较广。鱼类因为其个体较大，便于观察，行为反应敏捷，基因与人类相近等优点，成为水污染生物监测中最重要的模式生物之一，利用鱼类行为反应监测水质变化是近来发展的趋势。

现有的鱼类行为的生物水质监测系统，通常包括数据采集装置和数据分析装置，两者之间由数据传输线路连接，数据采集装置内设置有监测水槽，将试验鱼置于监测水槽中，观察其在水中的行为反应，将采集到的结果数据传输到数据分析装置进行分析，具有结构简单，使用方便的优点，但是该生物水质监测系统不能同时实现试验中的静水式、流水式和换水式三种水环境下的鱼类行为参数的记录。

中国专利基于图像中水生生物运动特征的水质监测方法（专利号为201010256880.0），公开了一种对单体生物锦鲫进行行为记录来判断水质的方法，该方法只针对单条鱼的行为进行实时监测，计算其游速，转动角度，空间位置，但是单条鱼的行为有一定的随机性，会导致一定的误差，而鱼类是一种群体动物，群体规律性明显，因此需要对多条鱼进行监测，实时量化群体参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时实现静水式、流水式和换水式试验中鱼类行为参数的记录，并且可以同时测量个体和群体生物的行为的一种鱼类行为的生物水质监测系统及其监测方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种鱼类行为的生物水质监测系统，包括数据采集装置、数据分析装置和透明的水槽，所述的数据采集装置和所述的数据分析装置之间由数据传输线路连接，所述的水槽通过纵向设置的第一网状挡鱼板和第二网状挡鱼板依次分隔为流水缓冲区、鱼群观测区和过滤调节区，所述的流水缓冲区的侧壁上设置有进水管，所述的鱼群观测区的外部设置有光源，所述的过滤调节区的侧壁上设置有出水管，所述的过滤调节区设置有循环泵，所述的循环泵通过循环水管与所述的流水缓冲区连通，所述的水槽的靠近底部的侧壁上设置有排水阀。

所述的过滤调节区设置有水位调节装置，所述的水位调节装置包括挡流板，所述的挡流板上纵向设置有长圆形孔，所述的挡流板朝向所述的鱼群观测区的端面上纵向设置有卡槽，所述的卡槽的底端的水平位置低于所述的长圆形孔的底端的水平位置，所述的卡槽内设置有与所述的卡槽相配合的可上下移动的插条，所述的插条上设置有透水孔，该水位调节装置控制水槽试验水位高低，通过插条的上下移动调节透水孔的高低，从而控制通过的水流的高低，并且实施方便，操作简单。

所述的挡流板上位于所述的长圆形孔的外周设置有凹槽，所述的凹槽内卡嵌有O型密封圈，所述的O型密封圈与所述的插条紧密接触，可防止水流通过缝隙渗漏。

所述的过滤调节区设置有用于过滤除去鱼群粪便杂质的过滤棉和用于支撑所述的过滤棉的滤棉支架，所述的过滤棉和所述的滤棉支架位于所述的挡流板与所述的水槽的侧壁之间且水平横铺于所述的透水孔与所述的循环泵之间，该过滤棉可吸附鱼群粪便杂质等，只需定期更换过滤棉即可使水槽中的水保持清洁。

所述的过滤调节区纵向设置有导流板，所述的导流板位于所述的挡流板与所述的第二网状挡鱼板之间，所述的导流板的下端与所述的水槽底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口，水槽中的水流可以由下吸口进入导流板和挡流板之间的区域，由于下吸口的导流作用及形成的一定的压力作用下，使大部分鱼群粪便杂质由下吸口进入导流板和挡流板之间的区域。

所述的过滤调节区纵向依次设置有导流板和挡流板，所述的导流板下端与所述的水槽的底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口，所述的挡流板的上端与所述的水槽的上端之间留有高度为挡流板的高度1/10-1/15的空隙形成上溢口，所述的挡流板与所述的水槽的侧壁之间水平铺设有过滤棉和用于支撑过滤棉的滤棉支架。水槽中的水流从下吸口导入，从挡流板的上溢口溢流到过滤棉上过滤除去鱼群粪便等杂质。

所述的循环水管上设置有流量调节装置，所述的循环水管的出口设置有分布有多个出水孔的多孔出水管，所述的第一网状挡鱼板靠近所述的出水管的部分的网格孔径小于第一网状挡鱼板的平均孔径，降低多孔出水管附近区域的流水速度，从而使鱼群观测区内水流均匀。

所述的数据采集装置为摄像机，所述的数据分析装置为计算机，摄像机拍摄区域为中间部分鱼类活动区域，动态捕捉视频序列，送入计算机做实时图像处理与数据分析；所述的流水缓冲区的上方设置有滴注瓶，可以逐步将毒性物质或药物加入水环境中，使水的毒性或药物添加量按既定的规律逐步增加。

所述的过滤调节区还设置有用于控制水温的控温装置、实时监测温度、pH、溶液中可溶性盐浓度EC、溶解性总固体TDS和氧化还原电位ORP指标的水质理化测量仪和曝气装置。将气泵、加温装置等置于过滤调节区，可使鱼类的行为可不受两侧水流和气泵、加温装置等的影响。

本发明所使用的光源为背光源，对于体态颜色各异的不同鱼种都可以做到较好的识别，提高图像处理的效果，具体是若干个由管状灯管加调光器，或是白光LED灯板加调光器外面覆盖导光材料和扩散膜组成的可调光强光源箱置于水槽的位于鱼群观测区的侧壁上。

一种的鱼类行为的生物水质监测方法，具体包括以下步骤：

（1）将在标准条件下培养后的试验鱼群放入水槽的鱼群观测区中，利用摄像机对试验鱼群在鱼群观测区中的行为进行拍摄，获得图像序列；

（2）将步骤（1）获取的图像序列由数据传输线路送入数据分析系统，通过数据分析系统对图像序列首先进行平滑预处理，再将平滑预处理后的图像序列进行增强处理；

（3）采用图像阈值分割技术将经步骤（2）处理后的图像序列的灰度图像转变成二值图像，然后进行形态学处理，消除误识别和噪声信号；

（4）将步骤（3）形态学处理后的图像序列的目标区域进行标记，对各个独立区域进行单独的位置参数和几何参数计算，根据帧差图像求出试验鱼群的平均游动速度；根据群心坐标和群心分布坐标的方差求出试验鱼群的分布位置和密集程度；根据各条鱼的分布位置，计算处于水面以下1-2倍鱼体宽的距离内的鱼的条数和处于水槽底部以上1-2倍鱼体宽的距离内的鱼的条数占鱼群总数的比例；

（5）将步骤（4）得到的鱼群的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度、处于水面的鱼的比例和处于水槽底部的鱼的比例与预先设定的阈值进行比较，当得到的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度和处于水面的鱼的比例和处于水底的鱼的比例偏离预先设定的阈值时，则可判断水质被污染。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种鱼类行为的生物水质监测系统，包括由数据传输线路连接的数据采集装置和数据分析装置及透明水槽，该透明水槽由网状挡鱼板分隔为流水缓冲区、鱼群观测区和过滤调节区，鱼群观测区的外部设置有光源，过滤调节区的侧壁上设置有出水口，过滤调节区设置有循环泵，循环泵通过循环水管与流水缓冲区连通，水槽的靠近底部的侧壁上设置有排水阀。将进水管和出水管关闭，开启循环泵，水槽模拟实现水流内循环，完成模拟流水的静水式试验；关闭循环泵可以完成静水式试验；将进水管和出水管开启，外部水由进水管流入出水管流出，可以完成流水式试验；将排水阀开启，排出水槽内部的水，可实现换水式试验；因此本发明的系统可以测定在静水式、流水式和换水式等环境下的鱼类行为参数，并适合测试一条到多条鱼的毒性行为反应，同时可以记录相应的一些生物群体行为参数和个体行为参数。

该鱼类行为的生物水质监测方法是借助数字摄像技术，对水体中鱼类目标进行运动检测，可以记录单条鱼的行为参数，也可以用于多条鱼的群体参数量化，在毒性物质或药物进入水体后记录并反映行为变化，对水质状况作出评估，当记录参数异常并偏离某一事先设定的警戒限时，可以触发报警，参数的阈值设定可以根据不同鱼种和实验环境进行调整。

附图说明

图1为本发明鱼类行为的生物水质监测系统的结构示意图；

图2为本发明的水位调节装置及其插条的正面结构示意图；

图3为本发明的水位调节装置的侧面结构示意图；

图4为本发明的鱼类行为的生物水质监测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

本发明一种鱼类行为的生物水质监测系统，如图1所示，包括数据采集装置、数据分析装置和透明的水槽1，数据采集装置和数据分析装置之间由数据传输线路连接，水槽1通过纵向设置的第一网状挡鱼板2和第二网状挡鱼板3依次分隔为流水缓冲区4、鱼群观测区5和过滤调节区6，流水缓冲区4的侧壁上设置有进水管7，鱼群观测区5的外部设置有光源8，过滤调节区6的侧壁上设置有出水管9，过滤调节区6设置有循环泵12，该循环泵12通过循环水管13与流水缓冲区4连通，水槽1的靠近底部的侧壁上设置有排水阀24。

在此具体实施例中，如图1所示，数据采集装置为摄像机10，数据分析装置为计算机11，摄像机10拍摄区域为中间部分鱼类活动区域，动态捕捉图像序列，送入计算机11做实时图像处理与数据分析；循环水管13上设置有流量调节装置（图中未显示，流量调节装置可采用流量调节阀），循环泵12将水体通过循环水管13抽回到水流缓冲区4，水流在水压作用下经过导流板20下面的下吸口21和挡流板16上的透水孔19回到过滤调节区6，实现水流的循环，循环速度可由安装在循环水管13上的流量调节装置控制，循环水管13的出口设置有纵向均布有多个出水孔的多孔出水管14；第一网状挡鱼板2靠近多孔出水管14的部分的网格孔径小于第一网状挡鱼板2的平均孔径，从而使鱼群观测区5内水流均匀；

该流水缓冲区4的上方设置有滴注瓶15，可以逐步将毒性物质或药物加入水环境中，使水的毒性或药物添加量按既定的规律逐步增加。所使用的第一网状挡鱼板2和第二网状挡鱼板3上面都布有大小不均匀的2-10mm的圆孔，大小可以阻挡测试鱼类通过，网状挡鱼板可拆卸，水流通过这些孔洞均匀地从水流缓冲区4流入鱼群观测区5，再从鱼群观测区5流入过滤调节区6。

在此具体实施例中，如图2、图3所示，过滤调节区6设置有水位调节装置，水位调节装置包括挡流板16，该挡流板16上纵向设置有长圆形孔17，挡流板16朝向鱼群观测区5的端面上纵向设置有卡槽25，卡槽25的底端的水平位置低于长圆形孔17的底端的水平位置，卡槽25内设置有与卡槽25相配合的可上下移动的插条18，插条18上设置有透水孔19。其中，挡流板16上位于长圆形孔17的外周设置有凹槽26，凹槽26内卡嵌有O型密封圈27， O型密封圈27与插条18紧密接触，防止水流通过缝隙渗漏。

在此具体实施例中，过滤调节区6还设置有用于过滤除去鱼群粪便杂质的过滤棉和滤棉支架（图中未显示），该过滤棉和滤棉支架位于挡流板16与水槽1的侧壁之间且水平横铺于透水孔19与循环泵12之间。

在此具体实施例中，过滤调节区6设置有导流板20，导流板20位于挡流板16与第二网状挡鱼板3之间，导流板20的下端与水槽1的底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口21。

过滤调节区6还设置有用于控制水温的控温装置22、实时监测温度、pH、EC、TDS 和ORP指标的水质理化测量仪23和曝气装置（为充氧目的，图中未显示），一侧是水流缓冲区4，另一侧是过滤调节区6，中间是鱼群观测区5，鱼类的行为可不受两侧水流和气泵、加温装置等的影响。

如图1所示，本发明所使用的光源8为背光源是和鱼群观测区大小一致的一个长方体形光源，紧贴于水槽1的位于鱼群观测区5位置的侧壁上，对于体态颜色各异的不同鱼种都可以做到较好的识别，提高图像处理的效果，具体是多个由管状灯管加调光器组成的可调光强光源箱。

一种鱼类行为的生物水质监测方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

（1）将在标准条件下培养后的试验鱼群放入水槽1的鱼群观测区5中，利用摄像机10对试验鱼群在鱼群观测区5中的行为进行拍摄，获得图像序列；该步骤中所述的将试验鱼在标准条件下培养指将用于试验的鱼群在环境中驯养两周以上，并控制水环境于一定的温度，pH值和溶氧量，利用摄像机10从正面拍摄鱼群观测区5，包括鱼群所能活动的全部区域，每秒10-25帧或以更高帧速获取图像序列；

（2）将步骤（1）获取的图像序列由数据传输线路送入数据分析系统即计算机11，通过数据分析系统对图像序列首先进行平滑预处理，再将预处理后的图像序列进行了增强处理，使目标与背景的对比度增强，以提高目标分割的准确性；

（3）采用图像阈值分割技术将步骤（2）处理后的图像序列的灰度图像转变成二值图像，将图像阈值分割处理后的图像序列进行形态学处理，消除误识别和噪声信号；

（4）将形态学处理后的图像序列的目标区域进行标记，对各个独立区域进行单独的位置参数和几何参数计算，根据帧差图像求出试验鱼群的群体活跃度；根据群心坐标和群心分布坐标的方差求出试验鱼群的位置和密集程度，根据各条鱼的分布位置，计算处于水面（水面以下1-2倍体宽的距离内）和处于水底（水箱底部以上1-2倍体宽的距离内）的鱼的比例；

（5）将步骤（4）得到的鱼群的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度、处于水面的鱼的比例和处于水槽底部的鱼的比例与预先设定的阈值进行比较，当得到的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度和处于水面的鱼的比例和处于水底的鱼的比例偏离预先设定的阈值时，则可判断水质被污染。

步骤（4）中具体参数的量化如下：

群体平均游速ＡＶ：采用帧差法计算体长倍数，以游动的体长倍数为单位来衡量鱼群的群体活跃度。

鱼的运动会引起相邻两帧图像中鱼位置分布的差异，通过对间隔一定时间连续采集的数字图像序列进行阈值分割后前后两帧图像相减，产生的负数用零代替得到帧差图像，求出鱼在前后两帧采集过程中产生的运动区域的投影面积，并与后一帧图像中鱼的投影面积相除，得到鱼相当于体长倍数的游动速度。图像采集和处理的速度必须满足在相邻两帧之间鱼游过的距离不超过一倍体长，计算方法如下：

将后一帧图像中各条鱼在采样间隔内运动区域的面积与时间上后一帧图像中相对应的每一条鱼的面积相除，得到每条鱼相当于体长倍数的游动距离，再除以间隔时间便得到每条鱼的体长倍数游速，将这些结果取平均值，得到鱼群总的平均游速，可以表示鱼群体活跃程度。

群体位置参数：

计算出了图像中各个鱼目标的面积和形心位置后，采用Israeli 和 Kimmel (1996)的方法计算鱼群的重心坐标CX，CZ，表示鱼群在水平X 和 垂直Z轴方向的平均位置；各条鱼在X 和Z 坐标轴方向上的空间标准差 SDX，SDZ，一定程度上能表示鱼群的密集程度：

 CZ类似，　　　　　　　  SDZ类似，

其中ｎ是投影图中鱼的数目，Xi是第ｉ条鱼投影形心的Ｘ坐标，Ａi是第ｉ条鱼的投影面积。

除上述实施例外，过滤调节区6也可纵向依次设置有导流板20和挡流板16，该导流板20的下端与水槽1的底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口21，该挡流板16的上端与水槽1的上端之间留有高度为挡流板16高度的1/10-1/15的空隙形成上溢口28，该挡流板16与水槽1的侧壁之间水平铺设有过滤棉和用于支撑过滤棉的滤棉支架（图中未显示），水槽1中的水流从下吸口21导入，从挡流板16的上溢口28溢流到过滤棉上过滤除去鱼群粪便等杂质。

Claims (10)

1.一种鱼类行为的生物水质监测系统，包括数据采集装置、数据分析装置和透明的水槽，所述的数据采集装置和所述的数据分析装置之间由数据传输线路连接，其特征在于：所述的水槽通过纵向设置的第一网状挡鱼板和第二网状挡鱼板依次分隔为流水缓冲区、鱼群观测区和过滤调节区，所述的流水缓冲区的侧壁上设置有进水管，所述的鱼群观测区的外部设置有光源，所述的过滤调节区的侧壁上设置有出水管，所述的过滤调节区设置有循环泵，所述的循环泵通过循环水管与所述的流水缓冲区连通，所述的水槽的靠近底部的侧壁上设置有排水阀。

2.根据权利要求1所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的过滤调节区设置有水位调节装置，所述的水位调节装置包括挡流板，所述的挡流板上纵向设置有长圆形孔，所述的挡流板朝向所述的鱼群观测区的端面上纵向设置有卡槽，所述的卡槽的底端的水平位置低于所述的长圆形孔的底端的水平位置，所述的卡槽内设置有与所述的卡槽相配合的可上下移动的插条，所述的插条上设置有透水孔。

3.根据权利要求2所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的挡流板上位于所述的长圆形孔的外周设置有凹槽，所述的凹槽内卡嵌有O型密封圈，所述的O型密封圈与所述的插条紧密接触。

4.根据权利要求2所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的过滤调节区设置有用于过滤除去鱼群粪便杂质的过滤棉和用于支撑所述的过滤棉的滤棉支架，所述的过滤棉和所述的滤棉支架位于所述的挡流板与所述的水槽的侧壁之间且横铺于所述的透水孔与所述的循环泵之间。

5.根据权利要求4所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的过滤调节区纵向设置有导流板，所述的导流板位于所述的挡流板与所述的第二网状挡鱼板之间，所述的导流板的下端与所述的水槽的底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口。

6.根据权利要求1所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的过滤调节区纵向依次设置有导流板和挡流板，所述的导流板下端与所述的水槽的底部之间留有高度为1-2cm的空隙形成下吸口，所述的挡流板的上端与所述的水槽的上端之间留有高度为挡流板的高度1/10-1/15的空隙形成上溢口，所述的挡流板与所述的水槽的侧壁之间水平铺设有过滤棉和用于支撑过滤棉的滤棉支架。

7.根据权利要求1所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的循环水管上设置有流量调节装置，所述的循环水管的出口设置有分布有多个出水孔的多孔出水管，所述的第一网状挡鱼板靠近所述的出水管的部分的网格孔径小于第一网状挡鱼板的平均孔径。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的数据采集装置为摄像机，所述的数据分析装置为计算机，所述的流水缓冲区的上方设置有滴注瓶。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的一种鱼类行为的生物水质监测系统，其特征在于：所述的过滤调节区还设置有控温装置、水质理化测量仪和曝气装置。

10.一种利用权利要求1所述的系统进行鱼类行为的生物水质监测方法，其特征在于具体包括以下步骤：

（1）将在标准条件下培养后的试验鱼群放入水槽的鱼群观测区中，利用摄像机对试验鱼群在鱼群观测区中的行为进行拍摄，获得图像序列；

（2）将步骤（1）获取的图像序列由数据传输线路送入数据分析系统，通过数据分析系统对图像序列首先进行平滑预处理，再将平滑预处理后的图像序列进行增强处理；

（3）采用图像阈值分割技术将经步骤（2）处理后的图像序列的灰度图像转变成二值图像，然后进行形态学处理，消除误识别和噪声信号；

（4）将步骤（3）形态学处理后的图像序列的目标区域进行标记，对各个独立区域进行单独的位置参数和几何参数计算，根据帧差图像求出试验鱼群的平均游动速度；根据群心坐标和群心分布坐标的方差求出试验鱼群的分布位置和密集程度；根据各条鱼的分布位置，计算处于水面以下1-2倍鱼体宽的距离内的鱼的条数和处于水槽底部以上1-2倍鱼体宽的距离内的鱼的条数占鱼群总数的比例；

（5）将步骤（4）得到的鱼群的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度、处于水面的鱼的比例和处于水槽底部的鱼的比例与预先设定的阈值进行比较，当得到的平均游动速度、鱼群分布位置、密集程度和处于水面的鱼的比例和处于水底的鱼的比例偏离预先设定的阈值时，则可判断水质被污染。

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