CN116930182B - 养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，本发明使用光学测量方法，基于微元法思想与区域加权法思想对饲料颗粒入水后的三维扩散行为与三维分布状态进行实验测量与定量分析，本方法在试验的过程中考虑到了颗粒扩散与分布的三维效应，可实时快速准确的测量与统计颗粒的数量与分布，易于操作、成本较小且便于量化分析颗粒入水后的扩散与分布，本方法可对饲料颗粒的入水扩散行为进行实时测量，也可对饲料颗粒在水中的分布情况进行统计分析，相比传统的试验方法，本方法能够快速提供量化的试验结果，便于对养殖网箱相关结构与养殖方法进行具体的评价。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程与水产养殖领域，具体为养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法。
背景技术
随着经济的发展与人们生活水平的提高，市场对水产品的需求与日俱增。水产品的养殖可分为淡水养殖与海水养殖。一般来说，鱼塘养殖多被用于低价值的淡水水产品养殖；而网箱养殖由于其高效率、高效益的特性多被用于高价值的淡水水产品以及海水水产品养殖。另外，一些网箱可布置在超过25米水深的水域进行养殖作业。这一方面拓展了养殖种类、增强了养殖能力；另一方面扩展了养殖区域，缓解了鱼塘养殖与和近岸养殖的压力。
在网箱养殖的过程中，投饲喂养是一个不可忽略的环节。与鱼塘养殖不同，饲料颗粒会穿透网衣而不是沉积在鱼塘底部。因此，适当的饲养方式可以提高鱼类的摄食率、提高养殖效率并减少饲料的浪费，而不适当的饲养方式会导致饲料过剩，从而加速养殖区水体和基质环境的富营养化。目前，虽然许多研究对网箱养殖方法的研究做出了很大的贡献，但对饲养方法适用性的定量分析较少，对饲料颗粒在网箱内扩散分布的试验研究也较少。试验可使用视觉识别统计饲料颗粒在网箱内的分布情况，然而视觉识别仅能处理颗粒在某个面的投影数量。饲料颗粒在网箱内的分布与扩散具有明显的三维特性，故使用视觉识别无法准确地统计分析饲料颗粒在网箱内的扩散行为与分布特性。另外，仅对网箱内部区域进行颗粒数量统计也无法准确的反应出颗粒在网箱内的分布特性以及饲养方式适用性。
对于颗粒扩散分布的试验分析方法，专利CN202010474723.0与CN202010341076.6公开了使用声学原理对反应器与管道内部颗粒粒径、速度与分布等参数的测量方法。此类方法可实现非接触的三维空间测量，精度高且响应快，但抗干扰能力较弱且实施难度较大。其并不适合用于具有较大噪声的试验环境与具有大量颗粒数量和较大的试验范围的试验工况。专利CN201310009661.6公开了使用光源照射试验区域并用相机采集反射光以测量颗粒直径与分布的方法，该方法过程简单且易操作，但无法测得颗粒分布的三维特性。专利CN201810955877.4公开了使用折射原理的测量方法，该方法使用背散射信号图像测量颗粒的种类、大小与分布。其适用于对材料组织的测量以及矿物颗粒的测量。对于具有大试验区域与跨介质特性的养殖网箱内饲料颗粒扩散分布试验，该方法并不适用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，以解决上述背景技术提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，具体步骤如下：
S1：试验区域的建立：在两侧为透明玻璃板的直线波流水槽中进行试验，在一侧的透明玻璃板上设置等分线，在另一侧的透明玻璃板上铺设薄白板，在铺设薄白板的一侧提供均匀面光源，使试验区域内薄白板的亮度保持均匀一致，光学记录仪从设置等分线的一侧向薄白板一侧进行拍摄记录；
S2：基于微元法思想，使用等分线将试验区域均匀地分成若干区块，试验过程中对每个区块进行实时测量与统计；每个区块的行编号为i，列编号为j，i,j≥10；
S3：将饲料颗粒通过投饲口进入试验区域后，由于光的透射作用，试验区域内相关区块的亮度发生变化，饲料颗粒未扩散到的区块维持原有亮度；区块内有少量饲料颗粒时，区块亮度略微降低；区块内有大量饲料颗粒时，区块亮度大幅下降；
S4：使用两种方法统计饲料颗粒数量，一种是基于区块亮度，另一种是基于区块灰度的RGB数；
S41：基于区块亮度S时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确定亮度的10个等级Sm并标定不同等级对应的颗粒数量N；区块的颗粒数量Nn根据亮度换算得到；其中，m为亮度等级，n为区块编号；
S42：基于区块灰度的RGB数时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确立黑白处理后区块灰度RGB数C与颗粒数量的关系系数k；区块的颗粒数量可由下式计算Nn＝k·(C-Corgin)；
S43：当区块中的亮度或RGB数有x项时，区块面积占比超过1/2x时取区块亮度或RGB数的平均值；区块面积占比不超过1/2x时则相应项不计入区块平均值的计算；
S5：当所有饲料颗粒离开试验区域后，将光学记录仪采集到的影像信息按等时间间隔进行叠加，得到饲料颗粒扩散过程中在网箱内的分布情况，从而实现对饲料颗粒扩散分布的动态进行采集；时间间隔设置为0.2-0.5s，此时，统计网箱内部各区块的亮度等级或RGB数，按对应关系得到各区块内饲料颗粒的数量，然后计算各区块饲料颗粒数量占总饲料颗粒数量的比值，以此分析颗粒在水中的三维分布状况；
颗粒在水中分布状况的定量分析方法如下：
L′＝|j-j0|
其中，φ为颗粒在水中分布状况的定量值，φ(aij)为区块aij的权函数；(i,j)为根据工况确定的修正函数，L’为区块到投放位置的水平区块个数差；j0为投放位置所在区块的列位置；ω为颗粒扩散范围的外轮廓中心线斜率因子，θ为颗粒扩散范围的外轮廓角；φc是具有水流的工况的修正函数，φw是具有波浪的工况的修正函数；行数i按水流方向由小到大排布；h为波高，λ为波长；ε为常数，根据测试区域大小确定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述饲料颗粒选用具有一定透光性的塑料颗粒进行代替，塑料颗粒为透明PC颗粒或浅白色尼龙颗粒。
本发明的有益效果是：该方法使用光学透射原理对饲料颗粒入水后的三维扩散行为以及饲料颗粒在水中的三维分布情况进行试验测量。基于微元法思想，将试验区域的投影面进行等区块划分后对饲料颗粒的数量进行测量采集。基于加权法思想，对采集得到的颗粒数量进行分析，量化饲料颗粒在水中的分布情况以便于对网箱的相关结构进行评价。本方法在试验的过程中考虑到了颗粒扩散与分布的三维效应，可实时快速准确的测量与统计颗粒的数量与分布，易于操作、成本较小且便于量化分析颗粒入水后的扩散与分布。
本方法能够对饲料颗粒入水试验过程中饲料颗粒的扩散行为以及分布状态进行准确快速的测量。相比视觉识别的方式，采用本方法进行试验能够更准确地反应出饲料颗粒扩散与分布的三维效应。
本方法操作难度小，实施成本以及设备成本较低，可广泛用于各类具有透明壁面的水槽中进行。在试验过程中，试验人员能清晰直观地观察到颗粒的扩散行为以及分布状态，便于后续的分析研究。
本方法可对饲料颗粒的入水扩散行为进行实时测量，也可对饲料颗粒在水中的分布情况进行统计分析。相比传统的试验方法，本方法能够快速提供量化的试验结果，便于对养殖网箱相关结构与养殖方法进行具体的评价。
附图说明
图1为本发明饲料颗粒入水扩散的试验原理图；
图2为本发明饲料颗粒入水扩散的试验测量方法流程图；
图3为本发明饲料颗粒分布状况的试验原理图。
图中：试验区域1、等分线2、投饲口3、饲料颗粒分布范围4、光学记录仪5、透明玻璃板6、饲料7、薄白板8、均匀面光源9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，具体步骤如下：
S1：试验区域1的建立：在两侧为透明玻璃板6的直线波流水槽中进行试验，在一侧的透明玻璃板6上设置等分线2，在另一侧的透明玻璃板6上铺设薄白板8，在铺设薄白板8的一侧提供均匀面光源9，使试验区域1内薄白板8的亮度保持均匀一致，光学记录仪5从设置等分线2的一侧向薄白板8一侧进行拍摄记录；
S2：基于微元法思想，使用等分线2将试验区域1均匀地分成若干区块，试验过程中对每个区块进行实时测量与统计；每个区块的行编号为i，列编号为j，i,j≥10；
S3：将饲料颗粒7通过投饲口3进入试验区域1后，由于光的透射作用，试验区域内相关区块的亮度发生变化，饲料颗粒7未扩散到的区块维持原有亮度；区块内有少量饲料颗粒7时，区块亮度略微降低；区块内有大量饲料颗粒7时，区块亮度大幅下降；
S4：使用两种方法统计饲料颗粒7数量，一种是基于区块亮度，另一种是基于区块灰度的RGB数；饲料颗粒7选用具有一定透光性的塑料颗粒进行代替，塑料颗粒为透明PC颗粒或浅白色尼龙颗粒；
S41：基于区块亮度S时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确定亮度的10个等级Sm并标定不同等级对应的颗粒数量N；区块的颗粒数量Nn根据亮度换算得到；其中，m为亮度等级，n为区块编号；
S42：基于区块灰度的RGB数时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确立黑白处理后区块灰度RGB数C与颗粒数量的关系系数k；区块的颗粒数量可由下式计算Nn＝k·(C-Corgin)；
S43：当区块中的亮度或RGB数有x项时，区块面积占比超过1/2x时取区块亮度或RGB数的平均值；区块面积占比不超过1/2x时则相应项不计入区块平均值的计算；
S5：当所有饲料颗粒7离开试验区域1后，将光学记录仪5采集到的影像信息按等时间间隔进行叠加，得到饲料颗粒7扩散过程中在网箱内的分布情况，从而实现对饲料颗粒扩散分布的动态进行采集；时间间隔设置为0.2-0.5s，此时，统计网箱内部各区块的亮度等级或RGB数，按对应关系得到各区块内饲料颗粒7的数量，然后计算各区块饲料颗粒7数量占总饲料颗粒7数量的比值，以此分析颗粒在水中的三维分布状况；
颗粒在水中分布状况的定量分析方法如下：
L′＝|j-j0|
其中，φ为颗粒在水中分布状况的定量值，φ(aij)为区块aij的权函数；(i,j)为根据工况确定的修正函数，L’为区块到投放位置的水平区块个数差；j0为投放位置所在区块的列位置；ω为颗粒扩散范围的外轮廓中心线斜率因子，θ为颗粒扩散范围的外轮廓角；φc是具有水流的工况的修正函数，φw是具有波浪的工况的修正函数；行数i按水流方向由小到大排布；h为波高，λ为波长；ε为常数，根据测试区域大小确定。
本发明使用光学测量方法，基于微元法思想与区域加权法思想对饲料颗粒入水后的三维扩散行为与三维分布状态进行实验测量与定量分析。试验在具有透明玻璃壁面的直线波流水槽中进行。在一侧的透明玻璃上设置等分线将试验区域的平面投影划分成若干面积相等的区块。在另一侧的玻璃上设置薄白板与均匀的面光源作为背景。试验开始时投放具有一定透光能力的塑料颗粒代替饲料颗粒。颗粒扩散的过程中，由于颗粒对光线的遮挡，试验区域将出现不同的亮度。采集每个区块的亮度换算可得到每个区块内的颗粒数量，以此可实时分析试验区域内颗粒的入水扩散行为。当颗粒离开试验区域后，将所有光学影像信息叠加，则可换算得到饲料颗粒扩散过程中在网箱内的分布情况。根据不同区域粒子个数占粒子总数的比例以及不同工况下不同区域对于饲料颗粒在水中的分布的重要性可对颗粒的分布进行量化评价。本方法在试验的过程中考虑到了颗粒扩散与分布的三维效应，可实时快速准确的测量与统计颗粒的数量与分布，易于操作、成本较小且便于量化分析颗粒入水后的扩散与分布。
本方法可对饲料颗粒的入水扩散行为进行实时测量，也可对饲料颗粒在水中的分布情况进行统计分析。相比传统的试验方法，本方法能够快速提供量化的试验结果，便于对养殖网箱相关结构与养殖方法进行具体的评价。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1：试验区域(1)的建立：在两侧为透明玻璃板(6)的直线波流水槽中进行试验，在一侧的透明玻璃板(6)上设置等分线(2)，在另一侧的透明玻璃板(6)上铺设白板(8)，在铺设白板(8)的一侧提供均匀面光源(9)，使试验区域(1)内白板(8)的亮度保持均匀一致，光学记录仪(5)从设置等分线(2)的一侧向白板(8)一侧进行拍摄记录；
S2：基于微元法思想，使用等分线(2)将试验区域(1)均匀地分成若干区块，试验过程中对每个区块进行实时测量与统计；每个区块的行编号为i，列编号为j，i,j≥10；
S3：饲料颗粒(7)通过投饲口(3)进入试验区域(1)后，由于光的透射作用，试验区域内相关区块的亮度发生变化，饲料颗粒(7)未扩散到的区块维持原有亮度；区块内有少量饲料颗粒(7)时，区块亮度略微降低；区块内有大量饲料颗粒(7)时，区块亮度大幅下降；
S4：使用两种方法统计饲料颗粒(7)数量，一种是基于区块亮度，另一种是基于区块灰度的RGB数；
S41：基于区块亮度S时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确定亮度的10个等级Sm并标定不同等级对应的颗粒数量N；区块的颗粒数量Nn根据亮度换算得到；其中，m为亮度等级，n为区块编号；
S42：基于区块灰度的RGB数时，根据试验场地的具体情况事先进行试验测量，确立黑白处理后区块灰度RGB数C与颗粒数量的关系系数k；区块的颗粒数量可由下式计算Nn＝k·(C-Corgin)，Corgin为正式试验前的初始RGB数C；
S5：当所有饲料颗粒(7)离开试验区域(1)后，将光学记录仪(5)采集到的影像信息按等时间间隔进行叠加，得到饲料颗粒(7)扩散过程中在网箱内的分布情况，从而实现对饲料颗粒扩散分布的动态进行采集；时间间隔设置为0.2-0.5s，此时，统计网箱内部各区块的亮度等级或RGB数，按对应关系得到各区块内饲料颗粒(7)的数量，然后计算各区块饲料颗粒(7)数量占总饲料颗粒(7)数量的比值，以此分析颗粒在水中的三维分布状况；
颗粒在水中分布状况的定量分析方法如下：
L′＝|j-j0|
其中，φ为颗粒在水中分布状况的定量值，φ(aij)为区块aij的权函数；为根据工况确定的修正函数，L’为区块到投放位置的水平区块个数差；j0为投放位置所在区块的列位置；ω为颗粒扩散范围的外轮廓中心线斜率因子，θ为颗粒扩散范围的外轮廓角；/>是具有水流的工况的修正函数，/>是具有波浪的工况的修正函数；行数i按水流方向由小到大排布；h为波高，λ为波长；ε为常数，根据测试区域大小确定,/>为具有水流工况时的j列区块的修正数；/>(i)为具有水流工况时的i行区块的修正数。
2.根据权利要求1所述的养殖网箱内饲料颗粒扩散分布的动态采集与测试分析方法，其特征在于：所述饲料颗粒(7)选用具有透光性的塑料颗粒进行代替，塑料颗粒为透明PC颗粒或浅白色尼龙颗粒。
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2023
- 2023-07-17 CN CN202310873374.3A patent/CN116930182B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
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