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Stand der Technik
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufzucht von Krustentieren, insbesondere von Garnelen, bei dem Krustentier-Postlarven zunächst bis zum Erreichen einer vorgebbaren Mindestgröße in mindestens einem ersten Behältermittel und anschließend geschlechterspezifisch separiert in mindestens zwei weiteren Behältermitteln bis zur Konsumgröße gehalten werden. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Aufzucht von Krustentieren, insbesondere Garnelen, enthaltend mindestens ein erstes Behältermittel, in dem Krustentier-Postlarven bis zu einer vorgebbaren Mindestgröße aufgezogen werden, sowie mindestens zwei weitere Behältermittel, in dem die Krustentiere geschlechtsspezifisch getrennt bis zur Konsumgröße gehalten werden. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Aufzucht unter geschlechtsspezifischer Separierung von Garnelen.
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Die Zucht von Krustentieren, insbesondere von Garnelen und Krebsen, macht einen signifikanten Anteil am weltweiten Umsatz in der Aquakultur aus. Das Zuchtverfahren besteht aus mehreren Abschnitten: zunächst werden Postlarven in einem ersten Behältermittel, insbesondere in einer Brutstation aufgezogen. In einem weiteren Schritt werden sich beim Wachstum der Postlarven entwickelnde juvenile Krustentiere in einem Zwischenbecken gehalten, in welchem sie auf eine vorgebbare Mindestgröße heranwachsen, bevor sie anschließend in weitere Behältermittel, insbesondere Teiche, überführt werden, um dort zur Marktgröße heranzuwachsen.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren oder Vorrichtungen dieser Art besteht keine Kenntnis über die Besatzdichte, d.h. über die genaue Anzahl, Größenverteilung, oder das Geschlecht der Tiere. Für eine Produktion mit maximalem Ertrag ist es jedoch wichtig, eine optimale Besatzdichte anzustreben. Bei zu geringem Besatz bleibt der Ertrag unter dem des Möglichen. Zu hoher Besatz hat eine schlechtere Futterverwertung des Gesamtbesatzes zur Folge, da die Energie des Futters nicht ins Wachstum, sondern in die Verteidigung des eigenen Reviers investiert wird. Ursache dafür ist Konkurrenz und Kannibalismus bei der gemeinsamen Haltung von männlichen und weiblichen Garnelen in sogenannten Mischkulturen. Dies liegt hauptsächlich an dem stark ausgeprägten Territorialverhalten der dominanteren männlichen Krustentiere, welches durch die Anwesenheit von Weibchen weiter verstärkt wird. Höhere Besatzdichten würden daher bei Mischkulturen die Mortalitätsraten erhöhen. In Mischkulturen herrscht ferner ein ungleichmäßiges Wachstum, da Weibchen langsamer wachsen als Männchen, weil die Männchen einen Vorteil bei der Futtererlangung haben. Es ist grundsätzlich bekannt, dass signifikante Wachstumsverbesserungen gegenüber Mischkulturen bei der Garnelenaufzucht erreicht werden können, wenn Männchen und Weibchen getrennt voneinander gehalten werden. Aus dem Stand der Technik sind hierfür unterschiedliche Ansätze zur geschlechterspezifischen Trennung bekannt.
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Bei einer Handsortierung werden die Tiere manuell voneinander getrennt. Dabei besteht allerdings die Gefahr, die Garnelen zu beschädigen. Zudem verursacht der Prozess bei den Tieren Stress. Der wirtschaftliche Nutzen ist zudem oft nicht gegeben, da ein hoher Personalaufwand erforderlich ist.
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Hormontherapien sind im Bereich der Fischaquakultur weit verbreitet, um Monosexkulturen zu erzeugen. So führt die Behandlung mit Methyl Testosteron bei Tilapien (Oreochromis niloticus) zu männlichen Monosexkulturen. Im Bereich der Krustentier- Aquakultur finden aber solche Therapien keine Anwendung.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren erfolgt am noch nicht geschlechtsreifen Männchen eine mechanische Verstümmelung der Genitaldrüsen, die später beim juvenilen Männchen zu einer kompletten Geschlechtsumwandlung führt. Diese umgewandelten Männchen, Neo-Weibchen genannt, sind in der Lage, sich fortzupflanzen und erzeugen ausschließlich männliche Nachkommen. Diese Methode ist jedoch ineffizient, da in der Praxis eine sichere Trennung schwer zu erreichen ist, weil die juvenilen Tiere bereits bei einer sehr geringen Größe im Geschlecht von den Weibchen unterschieden werden müssten.
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Das Verfahren des Gene Silencing ist ein bekanntes gentechnisches Verfahren, um Monosexkulturen zu erzeugen. Hierbei wird bei jungen männlichen Tieren das Gen, welches für die Ausprägung der männlichen Geschlechtsmerkmale zuständig ist ausgeschaltet.
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Bei der Anwendung der bekannten Verfahren wird es als nachteilig angesehen, dass entweder die Effizienz bei der Aufzucht von Krustentieren, insbesondere von Garnelen, nicht hinreichend ist oder die Verfahren hinsichtlich der Umweltverträglichkeit und des Tierschutzes bedenklich sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine effiziente und gleichzeitig tierschonende Krustentieraufzucht zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die durch die insbesondere visuelle Erkennbarkeit geschlechtsspezifischer Merkmale vorgegebene Mindestgröße überschreitenden Krustentiere aus dem mindestens einen ersten Behältermittel individuell vereinzelt abgezogen werden, deren geschlechtsspezifische Merkmale detektiert werden und entsprechend dem Ergebnis der Detektierung in das jeweils geschlechtsspezifische weitere Behältermittel überführt werden.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass Detektormittel zur Erfassung geschlechtsspezifischer Merkmale von individuell vereinzelt die Detektormittel passierenden Krustentiere sowie dem Detektormittel nachgeordnete mechanische Separiermittel zur geschlechtsspezifischen Trennung der Krustentiere vorgesehen sind.
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Durch diese Lösung ergibt sich der Vorteil, dass durch die individuelle Detektierung jedes einzelnen Krustentieres und die Identifizierung dessen geschlechtsspezifischer Merkmale als männlich oder weiblich und durch die der Detektoreinheit nachgeordneten mechanischen Separiermittel eine im Aufbau einfache und sichere Separierung der Geschlechter erfolgen kann. Die anschließende Aufzucht auf die Konsumreife wird durch die Geschlechtertrennung erheblich effizienter, da bei vielen Krustentieren die geschlechtergetrennte Haltung eine Steigerung der Besatzdichten ermöglicht. Zudem kann auf hormonelle oder manuelle Mittel der Geschlechtertrennung verzichtet werden, so dass das erfindungsgemäße Verfahren umwelt- und tierschonend ist.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Anzahl der individuell vereinzelt abgezogenen Krustentiere ermittelt wird, vorzugsweise dadurch, dass den Detektormitteln Zählmittel zur Erfassung der Anzahl der geschlechtsmerkmalspezifisch erfassten Krustentiere zugeordnet sind. Eine Zählung der Individuen zu Beginn der Mastphase hat große Vorteile in Bezug auf die Optimierung des Ertrages, weil daraus wertvolle Informationen zur Optimierung des Besatzes vorliegen und sich somit ein effizienteres Futtermanagement umsetzen lässt. Hierdurch lässt sich nämlich der Besatz in den weiteren Behältermitteln exakt bestimmen und die Futterzugabe entsprechend auslegen und optimieren. Zusätzlich können weitere Merkmale, wie die Größe der Tiere, erfasst werden, wodurch ein Management der Teichpopulationen und eine Anpassung der Fütterungsmengen ermöglicht wird. Da Futterkosten den größten Posten bei der Kostenaufstellung darstellen, ist die Optimierung der Futtermenge ein entscheidender Faktor für die Rentabilität einer Garnelenzucht.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Separiermittel Verzweigungsmittel mit mindestens zwei Abgängen umfassen, über die die Krustentiere in die jeweiligen geschlechtsspezifischen weiteren Behältermittel zuführbar sind. Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau mit der Möglichkeit, die Weibchen sicher von den Männchen zu trennen.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Anzahl der Abgänge des Verzweigungsmittels drei beträgt. Bei dieser Variante ist für den Fall eines nicht eindeutigen Ergebnisses bei der geschlechtsspezifischen Merkmalsuntersuchung neben dem Abgang für Männchen und Weibchen ein dritter Abgang vorgesehen, der die Möglichkeit eröffnet, die Krustentiere dieses Weges entweder als nicht identifizierbar zu verwerfen oder einer erneuten Detektierung zuzuführen.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Detektormittel Bildanalysemittel für die geschlechtsspezifische Erfassung enthält. Ein auf die Unterscheidung der Geschlechtsmerkmale trainierter Algorithmus ermöglicht eine zuverlässige Trennung von weiblichen und männlichen Tieren durch die Echtzeitauswertung von Bildmaterial.
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Ein auf die Unterscheidung der Geschlechtsmerkmale trainierter Algorithmus ermöglicht eine zuverlässige Trennung von weiblichen und männlichen Tieren durch die Echtzeitauswertung von Bildmaterial.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Bildanalysemittel eine klassifizierte Bilddatenbank enthalten.
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Ein weiterer besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die Bildanalysemittel eine Mustererkennungenthalten.
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Vorzugsweise Verwendung findet die erfindungsgemäße Lösung bei der Aufzucht von Garnelen der nachfolgenden Arten: Macrobrachium Rosenbergii, Eriocheir sinensis, Cherax quadricarinatus, Cherax destructor/albidus, Scylla serrata, Litopenaeus vannamei, Penaeus monodon, Macrobrachium nipponense.
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Bei Rosenberggarnelen (Macrobrachium Rosenbergii) lassen sich die Geschlechter am besten am letzten Beinpaar unterscheiden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist eine seitliche Ansicht ( ) sowie ein Querschnitt ( ) einer Vorrichtung zur Aufzucht von Garnelen dargestellt.
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Die Garnelen werden manuell einem Tank zugeführt, in welchem sie sich durch das Absinken auf den Boden ausrichten. Nach dem Ausrichtungsvorgang wird am Boden des Tanks ein Ventil geöffnet, sodass die Garnelen durch den Wasserfluss in eine Fotoeinheit gelangen, in welcher die Erkennung erfolgt. Eine Vereinzelung der Garnelen erfolgt durch eine sich verjüngende Konstruktion der Zuleitung, sodass möglichst viele Tiere einzeln in die Fotoeinheit gelangen.
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Durch eine parallele Anordnung mehrerer solcher Einheiten können höhere Erkennungsraten erreicht werden. Anschließend werden die Garnelen über eine mechanische Weiche in drei getrennte Rohre geleitet. Dabei wird zwischen männlichen, weiblichen und nicht identifizierbaren oder nicht vereinzelten Tieren unterschieden. Letztere können der Sortiereinheit entweder erneut zugeführt oder manuell sortiert werden.
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Die Fotoeinheit ermöglicht die Gewinnung von einheitlichem Bildmaterial, bei dem die Unterscheidungsmerkmale bestmöglich abgebildet werden. Die Tiere werden ventral, also von der Unterseite, erfasst, da sich dort die Geschlechtsmerkmale befinden. Die Garnelen werden dazu nach der Ausrichtung durch ein Vierkantrohr aus Acrylglas mit beleuchtetem Boden geleitet. Dieses wird in einer lichtundurchlässigen Box platziert, um äußere Störfaktoren zu minimieren. Sobald die Garnele die Kameraeinheit passiert wird eine Bildreihe aufgenommen, aus der das Bild mit der bestmöglichen Ausrichtung der Garnele ausgewählt wird. Zur Verbesserung der Erkennung kann den Tieren vorab ein Kontrastmittel verabreicht werden, um die technische Unterscheidung der Merkmale zu vereinfachen. Das Kontrastmittel kann beispielsweise Merkmale unter bestimmten Lichtspektren sichtbar machen, die ohne Kontrastmittel nicht zu erkennen wären.
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Andere Krustentiere erfordern alternative Lösungen für die Bilderfassung, da die zu unterscheidenden Merkmale mit der Tierart variieren. Andere Erkennungsmerkmale, die durch Bilderkennung ausgewertet werden können, sind beispielsweise Körperform und Proportionen oder Farbe.
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Ergänzend dazu können Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven erfasst werden und räumliche Darstellungen verarbeitet werden. Je nach Verarbeitungsleistung der Bildeinheit können zur Steigerung der Erkennungsrate auch mehrere Bilder einer Garnele ausgewertet werden.
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Zur Reduktion der Datenmenge und Optimierung der Erkennung ist eine Vorverarbeitung der Bilder erforderlich. Die Vorverarbeitung besteht aus einer Erkennung des Garnelenkörpers anhand der Merkmale mit höchster Signifikanz, der Augen. Anhand dieser wird ein festgelegter Bildausschnitt gewählt. Zur Reduktion der Einflüsse von Belichtungsunterschieden auf die Erkennung wird das Bild anschließend normalisiert. Bei der Vorverarbeitung werden zusätzlich bereits Informationen über die Auswertbarkeit der Bilder gewonnen. So wird eine zu starke Trübung des Wassers durch die Helligkeitswerte der Bilder erkannt. Außerdem wird durch die Erkennung der Augenpaare eine Aussage über die korrekte Vereinzelung getroffen. Wenn sich zwei oder mehr Garnelen in einem Bildausschnitt befinden, wird das Bild als unerkennbar markiert und die Garnele(n) der entsprechenden Weiche zugeleitet. Abschließend wird die Garnele und ihre spezifischen Geschlechtsmerkmale von unwichtigen Bildinhalten, wie Luftblasen und Hintergrund, unterschieden und markiert.
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Eine bevorzugtes Verfahren, die vorverarbeiteten Bilder in männlich und weiblich zu klassifizieren, ist die Verwendung von Convolutional Neural Networks (CNN). Durch den Einsatz von Grafikprozessoren zur Beschleunigung der Berechnung lassen sich CNNs effizient trainieren und einsetzen. Die Implementierung des CNN erfolgt mittels einer Software Library für künstliche Intelligenz.
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Für die Anwendung eines CNN muss zunächst eine für den Anwendungsfall passende Implementierung gewählt werden. Der Input des CNN sind die vorverarbeiteten Bilder, der Output ist die Wahrscheinlichkeit für die beiden Merkmale, dass es sich bei dem Bild um ein männliches oder weibliches Tier handelt. Damit die Berechnung dieser Wahrscheinlichkeiten möglich ist, muss das CNN vorher mit einer Bilddatenbank trainiert werden. Die hierfür benötigte Datenbank muss eine Größe von mehreren tausend Bildern haben und bereits korrekt klassifizierte Bilder von Garnelen beinhalten.
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Neben dem Einsatz von CNN ist ein weiteres Verfahren zur Unterscheidung der Geschlechter die Markierung der Beinansätze der Garnele durch Mustererkennung. Durch die Messung der Abstände der einzelnen Beinansätze wird anschließend eine Entscheidungsvariable berechnet, anhand derer zwischen den Geschlechtern unterschieden wird. Weibliche Garnelen tragen nach der Paarung Eiersäcke zwischen den hinteren Beinpaaren. Deshalb weisen diese einen größeren Abstand auf als bei männlichen Garnelen. Diese Eigenschaft macht sich dieses Verfahren zu Nutze. Die Erkennungsrate basiert auf einer zuverlässigen Erkennung der Beinansätze. Die Implementierung einer Mustererkennung kann mit einer geeigneten Software Library erfolgen.
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Für das Training der Erkennungsalgorithmen wird eine Bilddatenbank benötigt, die zusätzliche Informationen zum Geschlecht des abgebildeten Tiers und eine Markierung der Beinansätze beinhaltet.
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Die Fotodatenbank wird nach Kriterien wie Größe, Alter und Morphotypen kategorisiert, um die Erkennung später genau an den Einsatzzweck und -ort anzupassen. Außerdem Erfolg eine Trennung des Datensatzes in Trainings-, Test- und Validierungsdatensatz.
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Die Größe der Datenbank ist ein Faktor, der die Qualität des Trainings von CNN maßgeblich bestimmt. Zur Vergrößerung der Trainingsdatenbank werden bestimmte Verfahren, wie die Spiegelung oder Verzerrung des Bildes, eingesetzt. Weiterhin wird bei der Gewinnung des Bildmaterials durch Videomaterial eine mehrmalige Erfassung einzelner Garnelen während des Passierens der Fotoeinheit ermöglicht, sodass unterschiedliche Positionen im Bild und verschiedene Neigungswinkel der Garnele berücksichtigt werden. Somit kann die Größe der Datenbank ohne großen Mehraufwand vervielfacht werden.
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Anschließend werden die Geschlechtsmerkmale durch manuelle Erkennung durch einen Menschen gewonnen und durch mindestens eine Kontrollerfassung durch eine zweite Person verifiziert. Durch diesen Schritt wird die Integrität der Datenbank sichergestellt. Eine fehlerfreie Datenbank ist für das Training der Erkennungsalgorithmen wesentlich.
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Der mechanische Aufbau ist in den und dargestellt.Die Garnelen werden manuell einem Tank (1) zugeführt, in welchem sie sich durch das Absinken auf den Boden ausrichten. Nach dem Ausrichtungsvorgang wird am Boden des Tanks ein Ventil geöffnet, so dass die Garnelen durch den Wasserfluss in eine Fotoeinheit (2) gelangen in welcher die Erkennung durch eine Kamera (5) mit zusätzlicher Beleuchtung (6) erfolgt. Eine Vereinzelung der Garnelen wird durch die spitz zulaufende Konstruktion der Zuleitung (1,4) realisiert, sodass möglichst viele Tiere einzeln in die Fotoeinheit (2) gelangen. Durch eine parallele Anordnung mehrerer Einheiten werden höhere Erkennungsraten erreicht.
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Die Fotoeinheit (2) ist einem Kunststoffbehälter angeordnet, durch den ein Vierkant-Acrylrohr mit einer leichten Anschrägung geführt wird. Auf der Unterseite wird zentral die Kamera installiert. An den Wänden der Box sind beidseitig die Beleuchtungen (6) angeordnet, um eine Beleuchtung der Garnelen von schräg oben zu erreichen.
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Die Trennung je nach erkanntem Geschlecht erfolgt durch eine mechanische Weiche (3). Von dort aus werden die Garnelen durch eine Umleitung des Wasserflusses den jeweiligen Behältern zugeführt.
