CN102339521A

CN102339521A - 利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法

Info

Publication number: CN102339521A
Application number: CN2011101592332A
Authority: CN
Inventors: 周勤; 苏彩燕; 蔡展航; 黄东龙
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-02-01

Abstract

本发明公开利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法。将待监测的原水用泵连续通过装有指示生物的监测容器，利用CCD摄像头对监测容器内的水生生物的行为进行连续自动监测，结合图像识别系统，用电脑采集并存储水生生物随时间的活动状态数据序列，处理得到水生生物活动状态平均活动速率，平均活动高度，平均间距，平均转身次数等相关参数，建立相应数据库，通过综合对比水生生物在不同受污染水质条件下的行为变化数据与空白条件下的行为数据，实现准确实时预警。本发明能实时对采集的数据进行传输，存储，分析处理，并通过通信装置自动报警，具有响应迅速、灵明度高、实时在线、原位预警的特点。

Description

利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法

技术领域

本发明涉及水源污染监测，特别是涉及一种利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法。

背景技术

在水源水体流域上游的任何潜在污染源都可能导致水源水质突发性污染事故，且这些突发性污染事故均具有发生时间不可预见、持续时间短、污染物不确定、污染物浓度高等特点，有可能在短时间内迅速造成城市水源地内的生态环境的破坏和供水系统的重大损失，并可能进一步触发更严重城市安全问题，处理不当还会造成影响深远的后遗症。因此，开展水源地突发污染事件快速评估与预警方法研究，以及包含快速评估、快速预警、快速响应、应急预案、后评估在内的突发污染事件应急技术和应急机制研究成为重中之重。而常规的检测手段根本无法达到以上这些要求。即使采用先进的精密仪器，也由于毒物的种类繁多且检测方法各不相同等原因而无法快速检测，且这些检测一般都是由实验室里的设备完成的，进行在线现场监测预警难度更大。至今，我国几乎没有规范的、较为科学完善的自动连续监测方法来快速监测预警水源水有毒物质污染事故。

低等水生生物对于污染的反应灵敏，尤其是敏感生物的行为，生理生化指标可以帮助提早发现污染，因此可以起到快速判断水质是否受到污染，达到及时预警的目的。然而过于低等的生物如水蚤、发光细菌等进行预警时却由于其过于灵敏，误报警率高。从运行效果看，其行为背景噪声大，长时间跨度内的行为波动更进一步降低了这类监测器的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供可实现连续采样，连续监测，自动预警、报警，误报低的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法。

本发明利用斑马鱼具有非常敏锐的嗅觉、味觉、视觉、侧线等感觉器官能力，能够在感受水源受到污染后，主动离开受污染区域，游向未污染区域，并表现出明显的行为，该行为可通过CCD摄像头实时拍摄，本发明采用斑马鱼作为指示生物，结合计算机视觉技术，通过实时长期监测指示生物的行为变化，获取指示生物的多项行为参数，通过相关指标的评价分析，可以实现水质突发性污染的及时预警。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，包括如下步骤：

(1)将需要监测的原水用泵连续泵入装有指示生物的监测容器，所述监测装置包括透明框架、可调灯箱、监测容器、CCD摄像头、报警装置和计算机；监测容器设有进水口和出水口，监测容器的前端中心设有透明框架，后端设有可调灯箱，在监测容器前端50-100cm处设有CCD摄像头，CCD摄像头与计算机连接，计算机与报警装置连接；监测容器内装有经过驯化的5-8条斑马鱼作为指示鱼，斑马鱼体长为2.7-3cm；

(2)CCD摄像头对指示生物斑马鱼的行为进行连续拍摄，CCD摄像头拍摄的图像传入计算机，计算机经过图像提取和分析计算，得到斑马鱼的平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数四个行为参数；

(3)将斑马鱼在污染水质条件下的四个行为参数与没有污染水质条件下的四个行为参数进行综合对比，分别按照提高幅度设定报警阈值；如果斑马鱼的四个行为参数中有不低于三个参数超过预警设置的阈值10-15分钟，报警装置就发出黄色报警信号，计算机将预警信息发送至指定对象；如果有出现斑马鱼死亡，报警装置发出红色警报信号，计算机将预警信息发送至指定对象。

为进一步实现本发明目的，所述报警阈值的设定取斑马鱼在污染水质条件下行为参数有对比没有污染水质的行为参数，在平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数四个行为参数值别提高20-50％。

所述监测容器为带有长方形或者正方形空腔的方形结构，在方形结构的左右两侧分别设有进水口和出水口。

所述进水口处设鱼缸加热器。

所述进水口前端设置过滤装置。

所述报警装置包括短程报警装置和/或远程报警装置；短程报警装置采用指示灯，蜂鸣器进行报警；远程报警装置包括移动通讯装置，将信息传送到指定位置或者制定对象进行远程报警。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明是一种在线生物预警系统，它能够持续自动进行水环境质量的监测，应用斑马鱼的应激行为变化预警水源水突发性污染，具有响应速度迅速、灵敏度高、准确率高等特点，是常规监测手段所无法达到的。本装置可广泛应用于卫生防疫、环保、自来水公司、水厂等部门对水体的自动连续监测和应急预警等领域。

附图说明

图1为本发明监测装置组成示意图；图中示出：1-进水口；2-出水口；3-透明框架；4-可调灯箱；5-监测容器；6-CCD摄像头；

图2为本发明的工作流程图；

图3-1、图3-2和图3-3为斑马鱼在不同浓度Cr⁶⁺暴露下的行为曲线(具体浓度见附图)，图中横坐标为时间，单位为分钟(min)，纵坐标为各行为指标的强度；

图4-1、图4-2和图4-3为斑马鱼在不同浓度Zn²⁺暴露下的行为曲线(具体浓度见附图)，图中横坐标为时间，单位为分钟(min)，纵坐标为各行为指标的强度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明所要保护的的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，监测装置包括透明框架3、可调灯箱4、监测容器5、CCD摄像头6、报警装置和计算机；监测容器5设有进水口1和出水口2，监测容器5优选为带有长方形或者正方形空腔的方形结构，并优选在方形结构的左右两侧分别设有进水口1和出水口2；进水口1的位置低于出水口2，进水流量优选为50～60L/h。监测容器5的前端中心设有透明框架3，后端设有可调灯箱4，在监测容器5前端50-100cm处设有CCD摄像头6，CCD摄像头6的镜头位置直接瞄准监测容器5的透明框架3的中心，摄像头镜头位置高度与检测区域中心平行，高度优选为20-30cm。CCD摄像头6与计算机连接，计算机与报警装置连接。为便于控制水温，可在进水口1处设一鱼缸加热器，确保水温在20℃左右。进水口前端还优选设置一过滤装置，过滤装置可选择沙滤装置，避免水浊度太高影响监测以及减少装置的清洗次数。

养有斑马鱼的监测容器5材质优选透明玻璃或透明有机玻璃，有效容积优选18L，进水从进水口1进水管进入监测装置，然后经过出水口2溢流而出。计算机内装有以计算机图像技术为基础的图像识别软件，软件中还内置了常见的数据存储、分析处理程序和报警程序等。报警装置包括短程报警装置和/或远程报警装置；短程报警装置可采用指示灯，蜂鸣器进行报警；远程报警装置采用利用移动通讯装置将信息传送到指定位置或者制定对象进行远程报警。

本发明在检测时，注意事项：对斑马鱼的种类、数量和状态要进行筛选，选择时注意做到鱼的族系同一，生长发育程度接近，体型比较一致、壮实，无特殊病变，游动行为正常，比较活跃；斑马鱼进入装置内需要一段时间的适应之后才能开始进行监测。还要注意对斑马鱼进行驯化，斑马鱼的行为数据变化比较大，系统对其进行数据采集以及进行状态判断，待斑马鱼状态稳定之后，方才开始进行正式监测；经过驯化，在正常情况下，无论昼夜斑马鱼的行为曲线相对比较稳定，一旦有毒物流入反应装置，数据变化明显。经过对斑马鱼长期的观察和研究，对健康与非健康的鱼的状态有比较多的了解，建立了一套实验鱼的筛选程序。通过试验，本发明优先选择体长约为3cm的斑马鱼5～8条之间的任一个数。测试过程中，进水的流速需要结合实际生产工艺中水源水进厂到水出厂所需的最短时间，以便有时间及时预警并处置，确保受污染的水不出厂。

如图2所示，利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，包括如下步骤：

(1)将需要监测的原水用泵连续泵入装有指示生物的监测容器，所述监测装置包括透明框架3、可调灯箱4、监测容器5、CCD摄像头6、报警装置和计算机；监测容器5设有进水口1和出水口2，监测容器5的前端中心设有透明框架3，后端设有可调灯箱4，在监测容器5前端50-100cm处设有CCD摄像头6，CCD摄像头6与计算机连接，计算机与报警装置连接；监测容器内装有经过驯化的5-8条斑马鱼作为指示鱼，斑马鱼体长为2.7-3cm；

(2)CCD摄像头6对指示生物斑马鱼的行为进行连续拍摄，CCD摄像头拍摄的图像传入计算机，计算机经过图像提取和分析计算，得到斑马鱼的平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数四个行为参数；

报警阈值的设定与斑马鱼在不同的污染水质条件下行为参数有一定的对应关系，可根据对比没有污染水质的行为参数进行设定，一般取平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数四个行为参数值别提高20-50％作为阈值。

在长期的试验中，本发明考察了多种水生生物行为，发明人发现前述的四个参数作为指标非常高的稳定性。发出黄色报警信号，并将预警信息发送至指定对象后，要及时采集样品进行检测分析。如果有出现鱼死亡，则此时装置发出红色警报信号，将预警信息通过计算机(通讯装置)发送至指定对象；同时要立即停止进水，待险情排除之后再继续进水。

本系统利用自主开发的计算机图像系统，通过CCD摄像头实时拍摄斑马鱼的视频序列图像，使用运动目标监测和跟踪算法获取斑马鱼的运动轨迹，对跟踪得到的轨迹进行计算分析，获得斑马鱼活动度的相关特征参数和指标，为鱼类生物水质检测和预警提供数据基础。计算机通过CCD摄像头采集图像的频率优选为12帧/s，注意在背景提取时，排除噪点，同时将斑马鱼的行为进行量化，进行处理后将数据保存。将斑马鱼每分钟的平均行为参数作为预警的基础。

本发明经过长期试验，选择斑马鱼作为指示鱼，数量为5-8条，体长为2.7-3cm之间。斑马鱼数量太多会降低图像系统采集数据的速度，且会增加数据出错的几率，而太少则会失去鱼群特性，可靠性下降。而体长过大则会由于斑马鱼的相互遮挡引起监测偏差、鱼敏感性的不足以及活动量变化幅度过大，过小则由于系统的设备限制而无法对鱼进行跟踪采集数据。

实验例1

不同浓度六价铬暴露下斑马鱼的行为变化，监测装置如图1所示，监测容器5有效容积为18L，尺寸为60cm×30cm×10cm，监测范围为40cm×27cm，原水进入的流速为50～60L/h。斑马鱼数量为5条，体长为2.7-3cm之间。

为了验证水体突发性污染对水生生物的行为指标影响，利用浓度分别为7mg/L、14mg/L、28mg/L的Cr⁶⁺溶液用作被监测水体，受试水生生物为斑马鱼。水质变化监测采用48小时监测周期。上述水体为曝气48小时自来水，进水流量为50～60L/h，保持温度在20℃左右。在毒液进入监测装置之前，斑马鱼先进行为期24小时的适应，然后开始通入不同浓度的污染物水体。

监测结果如图3-1、3-2、3-3所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示各行为指标的平均值。结果表明，在监测周期内，不同浓度六价铬突发污染对斑马鱼产生的行为变化影响明显。在毒物流入的瞬间即可见斑马鱼的行动开始产生突变，斑马鱼会立即快速离开污染水域，聚集至水质清洁的出水口处，且贴近框架的上挡板处，同时出现的变化由数据可表观为速度快速持续增加，高度突然增加，距离突然减少，转身次数突然增加。毒液扩散到整个装置所花的时间大概是二十五分钟。当毒物充满整个装置之后，斑马鱼在毒液环境中，无法逃离，只能相应地改变自己的身体机能，通过行为等的调节努力使自己适应受污染的环境，最大程度上减少污染环境对机体造成的损伤。而在水质稳定条件下，斑马鱼的各行为指标基本保持稳定，未表现异常。

水质报警结果：在污染物进入监测装置0.5h后系统开始报警，报警结果：水体污染。可见本方法对水质污染的预警是非常敏感和有效的。

实验例2

不同浓度Zn²⁺溶液暴露下斑马鱼的行为变化，监测装置如图1所示，监测容器5有效容积为18L，尺寸为60cm×30cm×10cm，监测范围为40cm×27cm，原水进入的流速为50～60L/h。斑马鱼数量为8条，体长为2.7-3cm之间。

本例中采用浓度为6mg/L、9mg/L、12mg/L的Zn²⁺溶液进行水体暴露，受试生物为斑马鱼。水质变化监测采用48小时监测周期。上述水体为曝气48小时自来水，进水流量为50～60L/h，保持温度在20℃左右。在毒液进入监测装置之前，斑马鱼先进行为期24小时的适应，然后开始通入不同浓度的污染物水体。

监测结果如图4-1、4-2、4-3所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示各行为指标的平均值。

结果表明，在监测周期内，不同浓度Zn²⁺突发污染对斑马鱼产生的行为变化影响明显。在毒物流入后短时间内即可见斑马鱼的行动开始产生突变，斑马鱼会立即快速离开污染水域，同时出现的变化由数据可表观为速度快速持续增加，高度突然减少，距离突然减少，转身次数突然增加。毒液扩散到整个装置所花的时间大概是二十五分钟。当毒物充满整个装置之后，斑马鱼在毒液环境中，无法逃离，只能相应地改变自己的身体机能，通过行为等的调节努力使自己适应受污染的环境，最大程度上减少污染环境对机体造成的损伤。而在对空白条件下，斑马鱼的各行为指标基本保持稳定，未表现异常。

水质报警结果：在污染物进入监测装置0.5h后系统开始报警，报警结果：水体污染。出现报警信号后将预警信息通过通讯装置发送至指定对象，与此同时停止进水，采集样品进行检测分析，待险情排除之后再继续进水。本方法对水质污染的预警是非常敏感和有效的。

Claims

1.利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于：所述报警阈值的设定取斑马鱼在污染水质条件下行为参数有对比没有污染水质的行为参数，在平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数四个行为参数值别提高20-50％。

3.根据权利要求1所述的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于：所述监测容器为带有长方形或者正方形空腔的方形结构，在方形结构的左右两侧分别设有进水口和出水口。

4.根据权利要求1所述的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于：所述进水口处设鱼缸加热器。

5.根据权利要求1所述的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于：所述进水口前端设置过滤装置。

6.根据权利要求1所述的利用水生生物行为图像提取的水源水突发污染的预警方法，其特征在于：所述报警装置包括短程报警装置和/或远程报警装置；短程报警装置采用指示灯，蜂鸣器进行报警；远程报警装置包括移动通讯装置，将信息传送到指定位置或者制定对象进行远程报警。