CN110220466A - 一种基于对虾眼球直径估算体长体重的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用对虾眼球直径估算体长体重的方法。通过采集对虾眼球图像，利用软件分析准确获得对虾眼球直径数据，根据眼球直径与体长体重拟合模型可准确判断对虾体长体重数据。本方法测量获得的对虾眼球直径与体重相关系数和体长与体重相关系数相当，且对虾眼球可在弱光条件下自发荧光，便于进行计算机图像识别，实现自动化监测。
Description
背景技术
本发明属于海洋生物技术领域的生物形态学指标估算方法和信息技术领域的图形识别方法，具体涉及一种利用循环水养殖的凡纳滨对虾眼球直径估算体长体重的方法。
凡纳滨对虾(Litopeneaus vannamei)又称南美白对虾，原产于太平洋沿岸水域秘鲁北部至墨西哥桑诺拉一带，属暖水性经济虾种。在循环水养殖过程中，既要保证充足的饵料投喂量，又要避免投喂饵料过多引起的养殖水质恶化。因此需要准确地计算养殖系统内的生物量，进行精准投喂，实现节约饲料成本，降低养殖系统水处理负荷。为构建养殖池对虾生物量的自动判别技术，首先要解决的是寻找一种便于计算机识别的指标估算对虾体重，进而结合对虾数量进行生物量估算。
在对虾形态性状模型的相关研究中，国内外许多学者应用多元回归方法分析对虾各项形态学指标(如体长、头胸甲长、胸宽、胸高、额剑上刺数、额剑下刺数和尾长等)与体重之间的关系[1-6]，研究结果表明凡纳滨对虾体长和体重之间相关性很强。然而，基于体长估算体重需要测量眼柄基部到尾柄末端的长度，在实际测量中对虾的身体总是呈现一定的弯曲，导致测量结果往往误差较大，且不利于实现计算机自动识别。因此，发明一种新的对虾体重估算方法对于准确估算养殖生物量，并便于实现计算机自动识别具有重要意义。
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发明内容
为了解决测量对虾体长数据时测量误差大，以及体长数据不易在弱光照环境中通过机器视觉识别获得等问题，本发明提供了一种利用对虾眼球直径估算体长体重的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种利用对虾眼球直径估算体长体重的方法，利用测量的对虾眼球直径数据和已知的眼球直径与体长体重拟合关系，可准确获得对虾体长和体重数据。
对虾眼球直径数据可通过直接测量获得，或通过计算机图像识别获得。
对虾眼球为近椭圆形，所述对虾眼球直径为椭圆形对虾眼球的长轴长度，即以对虾眼球边缘相距最远距离的二点间的长度作为对虾眼球直径。
眼球直径(d)与体长(L)、体重(W)拟合关系是基于至少10尾以上相同种类对虾实测数据拟合后获得，L＝f1(d),W＝f2(d)，其中f1、f2通过数据拟合获得。
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知凡纳滨对虾的眼球直径与体长体重拟合关系：对虾眼球直径d、对虾体长L之间关系的表达式为：L＝15.978d–2.31
眼球直径d和体重W关系式：
d<2mm,W＝0.0326d3.7363；
2mm≤d<3.9mm,W＝0.0401d3.1040；
3.9mm≤d<5.8mm,W＝0.0421d3.0311；
5.8mm<d,W＝0.1030d2.6226。
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知中国对虾的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝4.9741d+94.985；W＝5.4174d0.8627，公式适应范围：5.5<d<7.5。
已知鹰爪虾的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝18.12d-21.175；W＝0.0151d3.5573,公式适应范围：4.0<d<6.5。
已知口虾蛄的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝21.703d-15.703；W＝0.0549d3.3611,公式适应范围：5.0<d<7.0。
本发明的优点与积极效果为：
1.对虾眼球直径可精准测量，测量误差小。
2.对虾眼球可在弱光条件下自发荧光，便于进行计算机图像识别，实现自动化监测。
3.对虾眼球直径与体重相关系数和体长与体重相关系数相当。
附图说明
图1为对虾眼球选取示意图；
图2.对虾眼球长轴的选取原则。
图3.凡纳滨对虾眼球直径-体长关系。
图4.凡纳滨对虾眼球直径-体重关系(d<2mm)
图5.凡纳滨对虾眼球直径-体重关系(2mm<d<3.9mm)
图6.凡纳滨对虾眼球直径-体重关系(3.9mm<d<5.8mm)
图7.凡纳滨对虾眼球直径-体重关系(d>5.8mm)
图8.中国对虾眼球直径-体长关系。
图9.中国对虾眼球直径-体重关系。
图10.鹰爪虾眼球直径-体长关系。
图11.鹰爪虾眼球直径-体重关系。
图12.口虾蛄眼球直径-体长关系。
图13.口虾蛄眼球直径-体重关系。
具体实施方式
1.凡纳滨对虾眼球直径与体长体重拟合关系的获得
在对虾不同生长阶段，共采集对虾样品300尾，使用游标卡尺测量对虾体长，测量精度为0.02mm，测得凡纳滨对虾体长范围为19.12mm-161.3mm；使用分析天平测量体重，测量精度为0.001g，测得凡纳滨对虾体重范围为0.084g-53.034g。
拍照获得对虾眼球图像，利用计算机软件测量对虾眼球直径。如图1所示，在拍摄时，将对虾正置于解剖镜下，使对虾躯体伸直避免弯曲，虾背部朝上，以俯视角度拍摄，同时在拍照过程中放置测量标尺；
利用digmizer4.2图像分析软件对凡纳滨对虾眼球参数进行测量；如图2所示，对虾眼球近似椭圆形，选取椭圆形的长轴做为眼球直径进行测量，结果精度为0.01mm，测得眼球直径数据范围为1.33mm-12.1mm。凡纳滨对虾眼球直径、体长和体重数据如表1所示。
表1.凡纳滨对虾眼球直径、体长和体重数据。
利用测量到的对虾眼球直径d(14.21mm<d<70.93mm)和体长数据L(19.12mm<L<161.3mm)，如图3所示，通过线性回归方法拟合对虾眼球直径d(单位：mm)与对虾体长L(单位：mm)之间关系的表达式为：
L＝15.978d–2.31，R2＝0.9793
根据凡纳滨对虾生长特征，在拟合时采用分段拟合的方法，以凡纳滨对虾体长数据为分段依据，如图4-7所示，分别拟合体长L为0-30mm、30-60mm、60-90mm和大于90mm时对应的眼球直径d(单位：mm)和体重W(单位：g)关系式：
d<2mm,W＝0.0326d3.7363,R2＝0.9288；
2mm≤d<3.9mm,W＝0.0401d3.1040,R2＝0.9629；
3.9mm≤d<5.8mm,W＝0.0421d3.0311,R2＝0.9216；
5.8mm<d,W＝0.1030d2.6226,R2＝0.9457.
采用与上述相同的方法，分别测量30尾新鲜的鹰爪虾、中国对虾、口虾蛄，如表3所示，测得鹰爪虾眼球直径范围为4.14mm-6.55mm，体长范围为55.31mm-96.41mm，体重范围为2.66g-9.95g；测得中国对虾眼球直径范围为5.5mm-7.52mm，体长范围为123.23mm-133mm，体重范围为24.32g-30.62g；测得口虾蛄眼球直径范围为5.02mm-6.82mm，体长范围为88.9mm-129.72mm，体重范围为10.88g-34.33g。如图8-13所示，眼球直径d(单位：mm)与体长L(单位：mm)、体重W(单位：g)的部分拟合关系如下：
中国对虾：L＝4.9741d+94.985,R2＝0.8424；W＝5.4174d0.8627,R2＝0.8822，公式适应范围：5.5<d<7.5。
鹰爪虾：L＝18.12d-21.175,R2＝0.9324；W＝0.0151d3.5573,R2＝0.881,公式适应范围：4.0<d<6.5。
口虾蛄：L＝21.703d-15.703,R2＝0.8628；W＝0.0549d3.3611,R2＝0.877,公式适应范围：5.0<d<7.0。
表2.中国对虾、鹰爪虾和口虾蛄的形态学数据
2.取样测量眼球直径获得体长体重
每间隔5天取循环水养殖的南美白对虾样品50尾，取样品6次，共300尾凡纳滨对虾。将对虾背部竖直朝上放置于解剖镜载物台上，在对虾旁放置标尺作为参照物并拍摄图像。
解剖镜搭载多功能控制单元，集成3.5英寸液晶显示器，以2048x1536的分辨率存储对虾图像。
通过计算机实时读取对虾图像，测量图像上标尺单位长度上的像素，获得标尺上单位长度所包含的像素长度r(像素/mm)。
如图2，利用图像分割的方法截取对虾眼球附近的图像，通过canny算子获取对虾眼球的轮廓，提取轮廓上的所有像素点坐标，计算坐标之间的最长欧式距离得到像素长度L，通过L×r计算获得对虾眼球的长轴长度d(单位：mm)。
以d为对虾眼球直径，带入对虾眼球-体长关系和眼球-体重关系模型得到对虾的体长和体重数据。
3.水下图像采集获得体长体重
将红外摄像头垂直固定在距离养殖池底面30cm处拍摄水下图像，在CCD镜头所能拍摄的平面内设置坐标系，将摄像头聚焦于坐标系所在平面。
通过无线传输方式将图像回传到上位机，将图像存储在硬盘中，将文件地址保存在数据库中，拍摄时间作为主键，便于查询和保存对虾眼球、体长和体重数据。
实时读取图像，以对虾眼球反光形成的亮点作为特征点，利用OpenCV中边缘检测算法获取眼球数量Q，同时提取轮廓并分割出对虾眼球附近图像。坐标系内的对虾数量可通过Q/2计算，向上取整。
进一步通过图像腐蚀和图像膨胀等手段提取对虾眼球的二值化轮廓，获取每一幅二值化图像上的像素点的坐标，遍历法计算轮廓上任意两个点之间的欧式距离，记录最长欧式距离并存储在数据库中。
提取数据库中的凡纳滨对虾眼球数据共233组，利用对虾眼球-体长和眼球-体重模型分别计算对虾体长和体重，将计算得到的体长和体重数据存储到数据库中,对应数据如表3。
表3凡纳滨对虾眼球直径、体长和体重数据
利用此方法识别对虾眼球可以避免水下图像噪音，达到准确计算体重的目的。在循环水养殖凡纳滨对虾时即可通过上位机计算出准确的养殖总生物量，进而对投饵量进行调控并预估养殖总量。
Claims (8)
1.一种利用对虾眼球直径估算体长体重的方法，其特征在于：
利用测量的对虾眼球直径数据和已知的眼球直径与体长体重拟合关系，可准确获得对虾体长和体重数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对虾眼球直径数据可通过直接测量获得，或通过计算机图像识别获得。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：对虾眼球为近椭圆形，所述对虾眼球直径为椭圆形对虾眼球的长轴长度，即以对虾眼球边缘相距最远距离的二点间的长度作为对虾眼球直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：眼球直径(d)与体长(L)、体重(W)拟合关系是基于至少10尾以上相同种类对虾实测数据拟合后获得，L＝f1(d),W＝f2(d)，其中f1、f2通过数据拟合获得。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知凡纳滨对虾的眼球直径与体长体重拟合关系：对虾眼球直径d、对虾体长L之间关系的表达式为：L＝15.978d–2.31
眼球直径d和体重W关系式：
d<2mm,W＝0.0326d3.7363；
2mm≤d<3.9mm,W＝0.0401d3.1040；
3.9mm≤d<5.8mm,W＝0.0421d3.0311；
5.8mm<d,W＝0.1030d2.6226。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知中国对虾的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝4.9741d+94.985；W＝5.4174d0.8627，公式适应范围：5.5<d<7.5。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知鹰爪虾的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝18.12d-21.175；W＝0.0151d3.5573,公式适应范围：4.0<d<6.5。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于：
眼球直径d(单位：mm)，体长L(单位：mm)，体重W(单位：g)；
已知口虾蛄的眼球直径与体长体重拟合关系：L＝21.703d-15.703；W＝0.0549d3.3611,公式适应范围：5.0<d<7.0。
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