CN106719250B - 一种监测水下底栖动物的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测水下底栖动物的装置及方法，包括支撑架、横杆和探测装置；所述支撑架为直杆状，其上端安装控制盒，下端能够插入并稳固在水体底部；所述横杆的末端与设于所述控制盒内的第一电机相连，能够在该第一电机的驱动下围绕所述支撑架作圆周运动；所述探测装置通过升降绳绕过所述横杆的前端后连接到设有所述控制盒内的第二电机，使其能够在所述第二电机的驱动下上下移动；所述探测装置包括半球形透明罩壳，内部设置摄像头和辅助光源；所述第一电机、第二电机、摄像头和辅助光源均与设于所述控制盒内的控制主板相连，能够通过远程控制摄像头和光源的方法，结合图像识别，计算水下动物数量、密度、生长速率等，增加养殖经济效益。

Description

一种监测水下底栖动物的装置及方法

技术领域

本发明涉及水产养殖设施，尤其是一种能够有效监测底栖水下爬行动物活动的装置，具体的说是一种监测水下底栖动物的装置。

本发明还包括使用所述监测水下底栖动物的装置进行监测的方法。

背景技术

在河蟹或龙虾等水下底栖动物的养殖过程中，养殖场为了节约饲料，需要观测一定摄食范围内的水下动物进食、活动及饵料残留情况。尤其是为了能较准确的确定饵料撒布量和区域、动物生长大小和快慢、环境对动物活动的影响情况，需要估算动物大小及数量目前市场上已有的水下摄像探鱼器、声波水下探鱼器等产品基本都是定性观测设备，难以满足养殖过程的需要。

发明内容

本发明的目的是目前在河蟹或龙虾等水产养殖过程中遇到的问题，提供一种监测水下底栖动物的装置及方法，能够通过远程控制摄像头和光源的方法，结合图像识别，计算水下动物数量、密度、生长速率等，为养殖户精确投料、防治疫病、选择上市时机等提供技术依据，增加养殖经济效益。

本发明的技术方案是：

一种监测水下底栖动物的装置，包括支撑架、横杆和探测装置；所述支撑架为直杆状，其上端安装控制盒，下端能够插入并稳固在水体底部；所述横杆的末端与设于所述控制盒内的第一电机相连，能够在该第一电机的驱动下围绕所述支撑架作圆周运动；所述探测装置通过升降绳绕过所述横杆的前端后连接到设有所述控制盒内的第二电机，使其能够在所述第二电机的驱动下上下移动；所述探测装置包括半球形透明罩壳，内部设置摄像头和辅助光源；所述第一电机、第二电机、摄像头和辅助光源均与设于所述控制盒内的控制主板相连，并受其控制。

进一步的，所述横杆为可伸缩式，前端设有滑轮，并使所述升降绳跨绕在该滑轮上，便于其移动。

进一步的，所述摄像头为高分辨率广角摄像头，观测范围为30°～120°；该摄像头四周用密封圈或密封胶进行密封防水。

进一步的，所述辅助光源包括多个发光灯；该发光灯沿所述罩壳均匀布置，且围绕所述摄像头；该发光灯为白色灯或红外补光灯；每个发光灯分别通过开关连接到所述控制主板，使每个发光灯能够单独受控。

进一步的，所述探测装置中还设有第一水深探测仪，能够感测所述探测装置摄像头所处的深度。

进一步的，还包括悬吊在所述控制盒上，并与所述控制主板相连的第二水深探测仪，能够放置于水体底部而感测水体的总深度。

进一步的，所述控制主板还连接路由器，能够通过Internet连接到服务器，便于远程操控。

一种使用上述装置监测水下底栖动物的方法，包括以下步骤：

1)将横杆调节至适宜长度，确定观察点；

2)操控探测装置上下移动至适宜高度，获取清晰图像；

3)获取镜头内所监测生物的数量，以及水深和摄像头所处深度；

4)改变观测点，重复上述步骤2)和3)，并对各类数据取平均值；

5)使用步骤4)中的平均值，按以下公式计算：

观测视野面积S_视＝π×H²×TAN²(θ/2/180)；

观测视野动物密度ρ＝m/S_视；

水下动物平均密度

水下动物总数量M＝ρS_塘；

水下动物平均规格，即平均长度

其中：S_视为观测视野面积，H为摄像头到底泥距离，θ为广角摄像头视角，mi为所选的有代表性的视野内的目标底栖动物的数量，S_塘为池塘面积，M为池塘目标底栖动物的总数量，L为水下动物平均规格，l_i为所选的有代表性的水下动物的影像长度，L_r、L_p为与观测同等距离的水下标尺标称长度和视频长度，η＝L_r/L_p；n为监测点位数。

进一步的，所述步骤4)中通过旋转所述横杆而选取n≥20个不同的点位。

本发明的有益效果：

1.获得定量指标，增加养殖的科学性。该水下监测装置，在常规视频观测的基础上，结合图像识别技术和视野面积计算，获得水下动物数量、密度、生长速率等定量数据，为养殖户精确投料、防治疫病、选择上市时机等提供技术帮助。

2.基本解决浑水塘无法辨认问题。根据水质情况，通过调节光照强度和离水体底部距离，增加图像清晰度。养殖前期水质清亮，可提升摄像头，得到大面积河蟹活动图像。养殖后期塘口浑浊，打开所有补光灯且靠近塘底，才能观测河蟹快速爬行。

3.实现远程监控，减少巡塘时间，节省人力。养殖户一个养殖周期，专人在塘口吃住，总计时间5、6个月，非常辛苦。本装置通过网络连上手机后，无论刮风下雨、炎热天气、白天夜里，都可实现远程直接观测，大大节约了人手和时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中：1-支撑架；2-控制盒；3-横杆；4-升降绳；5-探测装置；6-发光灯；7-摄像头；8-第二水深探测仪；9-连接线。

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。

如图1所示。

一种监测水下底栖动物的装置，包括支撑架1、横杆2和探测装置5。所述支撑架1为直杆状，其上端安装控制盒2，下端可以为尖角状，使其能够方便的插入并稳固在水体底部。

所述横杆3横置于所述支撑架1的上方，其末端与设于所述控制盒2内的第一电机相连，能够在该第一电机的驱动下围绕所述支撑架1作圆周运动。所述横杆3为可伸缩式，例如可以由多节具滑槽的短杆拼接而成。每节短杆的滑槽内设有定位孔和定位弹珠，能够通过拉伸各短杆而改变所述横杆3的长度。所述横杆3的前端设有滑轮。

所述探测装置5通过升降绳4绕过所述横杆3前端的滑轮后连接到设有所述控制盒2内的第二电机，使其能够在所述第二电机的驱动下上下移动，进而改变观测视野的大小。所述探测装置5包括半球形透明罩壳，内部设置摄像头7和辅助光源。该摄像头7可以是高分辨率广角摄像头，观测范围为30°～120°。同时，该摄像头7四周用密封圈或密封胶进行密封防水。所述辅助光源包括多个发光灯6。该发光灯6沿所述罩壳均匀布置，且围绕所述摄像头7排列成多圈环形。所述发光灯6可以为白色灯或红外补光灯。所述探测装置中还设有第一水深探测仪，能够感测所述探测装置的摄像头所处的深度。优选的，该第一水深探测仪可以是拉绳型位移传感器，测距误差小于0.25％。

所述第一电机和第二电机均为微型减速电机，使运转灵活而稳定。

所述控制盒2上还通过连接线9悬吊安装一个在第二水深探测仪8，可以放置于水体底部而感测水体的总深度。该第二水深探测仪8可以选用液位变送器，其测距误差小于0.3cm。

所述第一电机、第二电机、摄像头7、辅助光源、第一水深探测仪和第二水深探测仪8均与设于所述控制盒2内的控制主板相连，以便对上述设备进行控制。而且，所述辅助光源上的每个发光灯6分别通过一个开关连接到所述控制主板，使每个发光灯能够单独受控，便于调节光源的强度和方向。所述控制主板可以选用YK_V1.0或USR-R16-T。进一步的，所述控制主板还连接路由器，能够通过Internet连接到服务器，便于远程操控。

一种使用上述装置监测水下底栖动物的方法，包括以下步骤：

1)将横杆调节至适宜长度，确定观察点；

2)操控探测装置上下移动至适宜高度，获取清晰图像；

3)获取镜头内所监测生物的数量，以及水深和摄像头所处深度；

4)改变观测点，重复上述步骤2)和3)，并对各类数据取平均值；

5)使用步骤4)中的平均值，按以下公式计算：

观测视野面积S_视＝π×H²×TAN²(θ/2/180)；

观测视野动物密度ρ＝m/S_视；

水下动物平均密度

水下动物总数量M＝ρS_塘；

水下动物平均规格，即平均长度

其中：S_视为观测视野面积，单位：m²；H为摄像头到底泥距离，单位：m；θ为广角摄像头视角，单位：゜；ρ为观测视野动物密度，单位：只/m²；mi为所选的有代表性的视野内的目标底栖动物的数量，单位：/只；S_塘为池塘面积，单位：m²；M为池塘目标底栖动物的总数量，单位：/只；L为水下动物平均规格，即平均长度，单位：cm，l_i为所选的有代表性的水下动物的影像长度，单位：cm，η为刻度系数，η＝L_r/L_p，L_r、L_p为与观测同等距离的水下标尺标称长度和视频长度，单位：cm；n为监测点位数。

进一步的，所述步骤4)中通过旋转所述横杆而选取n≥20个不同的点位。

实施例1：

一种水下底栖动物的监测装置，其发光灯为红外补光灯HL-IR6/12(距离60米，10W)；第二水深测距仪选用液位变送器MIK-P260(24V,量程3米，0.3，0.5级)；第一水深测距仪可选YK62系列(行程0-2159mm)的拉绳式微型位移传感器，误差小于0.25％。

视频远程观测记录系统：由OV9712和HI3518芯片设计的网络广角摄像头采集的图像数据(12v，100万像素)，经以太网接口方式连接4G路由器，4G路由器再经INTERNET传输至服务器，手机客户端通过Internet连接服务器，由VICAM手机软件APP实时观测或记录视频图像。

远程控制系统：PC或手机客户端由IE浏览器通过INTENENT连接访问服务器，发送指令至已在线的YK_V1.0或USR-R16-T控制主板，驱动安装在控制箱中的XD-37GB555减速电机(12V)，带动横杆转动，或实现摄像头的升降。

实施例2

监测河蟹养殖密度估算

1.配置：支撑架杆长250cm，横杆长100cm，控制箱内置两台XD-37GB555/12V减速电机、YK_V1.0控制主板、4G路由器、蓄电池等元器件；网络数字摄像头(12v，100万像素)、红外补光灯HL-IR12(内圈6个，外圈6个)；水深测距仪为液位变送器MIK-P260。

2.使用方法：先拉出滑槽，将横杆调至80cm后固定调节孔。手机客户端由IE浏览器通过INTENENT连接访问服务器，发送指令至已在线的控制主板，驱动第二电机以实现网络摄像头在水下升降；再打开红外补光灯开关，调整光照强度，直至获得满意的河蟹视频图像，才开始拍摄和记录。图像数据经网络传输发送至主机，同时从水深测距仪和拉线测距仪获得的即刻距离数据通过控制主板也发送至主机。

3.测试与计算：

由于养殖塘底面有塘沟，为获得准确结果，在长100×100m²养殖塘中，按照辐射状，从东南西北中五个方位，选取20个有代表性的位点，进行测试。

本试验塘口水质中等，大约在网络摄像头降到水面下100cm附近，网络摄像头观测到清晰的河蟹活动图像。视野内河蟹数量少，图像清晰，直接采用人工计数。

结果如下表：

计算过程：

以东1为例：

水深150cm,拉线测距仪测得网络摄像头降到水面96cm，故摄像头到底泥距离H＝150-96＝54cm,广角摄像头视角θ＝120゜，则：

观测视野面积S_视＝π×H²×TAN²(θ/2)＝3.14*0.54²*TAN²(120/2/180)＝2.75m²；

观测视野动物密度ρ＝m/S_视＝6/2.75＝2.18只/m²

该养殖塘河蟹估算：

养殖塘实测面积S_塘＝100×100m²＝10000m²,

该养殖塘河蟹平均密度

该养殖塘河蟹总数M＝ρS_塘＝2.23*10000＝22300只

4.结果判定：该池塘5月份放养河蟹，总数25000只，到9月底由于夏季高温，水面可见死蟹，加上有些病蟹和争抢饵料残杀，现在总数量估计在23000只左右，符合预估结果。

实施例3

监测河蟹生长情况

1.配置：支撑架杆长230cm cm，横杆长120cm cm，控制箱内置两台DS-37RS 555/12V减速电机,USR-R16-T控制主板、4G路由器、蓄电池等元器件；网络数字摄像头((12v，200万像素)、红外补光灯HL-IR12(内圈4个，外圈8个)；水深测距仪为液位变送器MIK-P260。

2.使用方法：先拉出滑槽，将横杆调至100cm后固定调节孔。手机客户端由IE浏览器通过INTENENT连接访问服务器，发送指令至已在线的控制主板，驱动第二电机以实现网络摄像头在水下升降；再打开红外补光灯开关，调整光照强度，直至获得满意的河蟹视频图像，才开始拍摄和记录。图像数据经网络传输发送至主机，同时从水深测距仪和拉线测距仪获得的即刻距离数据通过控制主板也发送至服务器。

3.测试与计算：

养殖后期，塘口水质较差，大约在网络摄像头降到水面下130cm附近，这时广角摄像头视角θ为30°，可以观测到清晰的河蟹活动图像。视野内河蟹数量少，图像清晰，直接采用人工计数。

先在拟观测区域内的塘底沉下一带有标准刻度的标尺，用手机或电脑，最好是电脑观测河蟹视频图像，并用刻度尺或电脑标尺量取视频长度，计算刻度系数η，η＝L_r/L_p，得到:

L_r＝5cm,L_p＝2cm,η＝5/2＝2.5

接着连续或间隔测试经过此摄像头之下的河蟹视频长度，不少于20次。

河蟹视频平均长度2.17cm，故河蟹平均规格，即平均长度

4.结果判定：从池塘中捞取10只河蟹样品测定身长，得到平均长度L＝5.6cm，与本装置估算结果接近。

实施例4

监测河蟹投料诱食情况

1.配置：支撑架杆长250cm cm，横杆长120cm cm，控制箱内置两台XD-37GB555/12V减速电机、YK_V1.0控制主板、4G路由器、蓄电池等元器件；网络数字摄像头(12v，300万像素)、红外补光灯HL-IR12(内圈3个，外圈9个)；水深测距仪为液位变送器MIK-P260。

2.使用方法：先拉出滑槽，将横杆调至120cm后固定调节孔。手机客户端由IE浏览器通过INTENENT连接访问服务器，发送指令至已在线的控制主板，驱动第二电机以实现网络摄像头在水下升降；再打开红外补光灯开关，调整光照强度，直至获得满意的河蟹视频图像，才开始拍摄和记录。图像数据经网络传输发送至主机，同时从水深测距仪和拉线测距仪获得的即刻距离数据通过控制主板也发送至主机。

3.测试与计算：

养殖中期，需要加大投料，当网络摄像头大约降到水面下90cm附近，可观测到河蟹追食现象。为获得准确结果，以横臂120cm为半径，启动第一电机，每次旋转20°，共选取9个位点，在180°范围内扫描测量

结果如下：

计算过程：

以20°为例：

水深180cm,拉线测距仪测得网络摄像头降到水面115cm，故摄像头到底泥距离H＝180-115＝65cm,广角摄像头视角θ＝90゜，则：

观测视野面积S_视＝π×H²×TAN²(θ/2)＝3.14*0.65²*TAN²(90/2/180)＝1.33m²；

观测视野动物密度ρ＝m/S_视＝12/1.33＝9.05只/m²

观测区域河蟹平均密度

4.结果判定：当投入饵料后，所观测区域河蟹密度是平时的9.12/2.19＝4.2倍，说明饵料投入诱食的效果明显。反之，如果跟踪饵料投入后的争食现象，当投料不当或过剩，可能会得到相反结果。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种监测水下底栖动物的装置，包括支撑架、横杆和探测装置；其特征是所述支撑架为直杆状，其上端安装控制盒，下端能够插入并稳固在水体底部；所述横杆的末端与设于所述控制盒内的第一电机相连，能够在该第一电机的驱动下围绕所述支撑架作圆周运动；所述探测装置与升降绳的一端相连；该升降绳的另一端绕过所述横杆的前端后与设于所述控制盒内的第二电机相连，使所述探测装置能够在所述第二电机的驱动下上下移动；所述探测装置包括半球形透明罩壳，内部设置摄像头和辅助光源；所述第一电机、第二电机、摄像头和辅助光源均与设于所述控制盒内的控制主板相连，并受其控制；

所述横杆为可伸缩式；

所述摄像头为高分辨率广角摄像头；

所述探测装置中还设有第一水深探测仪，能够感测所述探测装置的摄像头所处的深度；

还包括悬吊在所述控制盒上，并与所述控制主板相连的第二水深探测仪，能够放置于水体底部而感测水体的总深度；

所述监测水下底栖动物的装置的使用方法包括以下步骤：

1)将横杆调节至适宜长度，确定观察点；

2)操控探测装置上下移动至适宜高度，获取清晰图像；

3)获取镜头内所监测生物的数量，以及水深和摄像头所处深度；

4)改变观测点，重复上述步骤2)和3)，并对各类数据取平均值；

5)使用步骤4)中的平均值，按以下公式计算：

观测视野面积S_视＝π×H²×TAN²(θ/2/180)；

观测视野动物密度ρ＝m/S_视；

水下动物平均密度

水下动物总数量M＝ρS_塘；

水下动物平均规格，即平均长度

其中：S_视为观测视野面积，H为摄像头到底泥距离，θ为广角摄像头视角，mi为所选的有代表性的视野内的目标底栖动物的数量，S_塘为池塘面积，M为池塘目标底栖动物的总数量，L为水下动物平均规格，l_i为所选的有代表性的水下动物的影像长度，L_r、L_p为与观测同等距离的水下标尺标称长度和视频长度，η＝L_r/L_p；n为监测点位数。

2.根据权利要求1所述的监测水下底栖动物的装置，其特征是所述横杆的前端设有滑轮，并使所述升降绳跨绕在该滑轮上，便于其移动。

3.根据权利要求1所述的监测水下底栖动物的装置，其特征是所述摄像头的观测范围为30°～120°；该摄像头四周用密封圈或密封胶进行密封防水。

4.根据权利要求1所述的监测水下底栖动物的装置，其特征是所述辅助光源包括多个发光灯；该发光灯沿所述罩壳均匀布置，且围绕所述摄像头；该发光灯为白色灯或红外补光灯；每个发光灯分别通过开关连接到所述控制主板，使每个发光灯能够单独受控。

5.根据权利要求1所述的监测水下底栖动物的装置，其特征是所述控制主板还连接路由器，能够通过Internet连接到服务器，便于远程操控。

6.根据权利要求1所述的监测水下底栖动物的装置，其特征是所述步骤4)中通过旋转所述横杆而选取n≥20个不同的点位。

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