EA020147B1

EA020147B1 - Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме

Info

Publication number: EA020147B1
Application number: EA201200645A
Authority: EA
Inventors: Егор Сергеевич Задереев; Александр Павлович Толомеев
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-09-30
Also published as: RU2495451C1; EA201200645A1

Abstract

Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использован для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Способ включает подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, при этом вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формулегде x- концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z; n- количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z∙(i-1) ≤ d <z∙i; h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.

Description

Изобретение относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использовано для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов.

Классические исследования включают отбор проб зоопланктона и их последующий анализ под микроскопом. Существуют различные способы отбора проб зоопланктона: лов сеткой [Шаповалова И.М., Вологдин М.П. О количественном учете озерного бокоплава // Гидробиол. журн. 1973. IX. № 5. С. 85-89], батометром [Жадин В.И. Методы гидробиологического исследования. М.: Высш. шк. 1960. 189 с.] или шланговым насосом [Тгеуогготе Μ.ν., Тапака Υ. Асоикбс апб ίη кйи теакигетейк оГ Ггеккта1ег атрЫробк (1екодаттагик аппапбаШ) ίη Ьаке Впга. 1арап // Ытнок Осеаподг. 1997. V. 42. № 1. Р. 121-132]. Анализ проб под микроскопом позволяет получить такие важные характеристики популяции, как: размерный состав и распределение возрастных стадий, половую структуру, плодовитость.

Однако применение этих способов требует больших временных затрат как для отбора, так и обработки проб. Как следствие, нельзя получить мгновенную картину распределения животных в пространстве. Также известно, что животные способны избегать орудия лова, что приводит к недооценке их количества и большой статистической погрешности.

Наряду с классическими способами отбора зоопланктона применяются и автоматизированные подходы, например акустическое зондирование и подводные видеосъемки [НапбЬоок оГ ксаЬпд те1Ьобк ш ас.|иаЬс есо1оду: теакигетей, ана1ук1к, к1ти1а!юп / Ебйеб Ьу 8еигой Ь, 81гийоп Р.С. СКС Ргекк. 2004. 600 р.; 2оор1апк!оп те11тобо1оду тапиа1 / Ебйеб Ьу Натк КР. е! а1. Е1кеу1ег. 2000. 684 р.].

Акустический мониторинг позволяет получать практически мгновенную картину распределения организмов в пространстве. Анализируется достаточно большая площадь водной толщи. Непрерывность регистрации эхосигналов в процессе зондирования также дает возможность оценить вертикальные миграции гидробионтов.

Однако этот метод имеет существенные ограничения при работе с низкой плотностью организмов. Также крайне затруднительно получить таксономический состав и морфометрию планктона.

Наиболее перспективным способом исследований являются способы подводного видеонаблюдения, активно развивающиеся в последние годы [Теесе Μ.Α. Ап техрепкАе гето!е1у орега!еб уеЫс1е Гог ипбег\га1ег к!иб1ек // Ытнок Осеаподг.: МеЫобк. 7. 2009. Р. 206-215]. Подводные камеры позволяют получать качественное изображение организмов в широком размерном диапазоне, включая организмы зоопланктона |8сЬи1/ I., Ваг/ К., Ауоп Р. 1тадшд оГ р1апк!оп кресипепк \\Й11111е ЬдЫГгате оп-ыдй кеукрес1ек туекбдабоп (ЬОК1) кук!ет // 1оигпа1 оГ 111е Еигореап орбса1 кос1е!у-гар1б риЬ11са11опк. 5. 2010. Р. 10017].

Более совершенной системой, подробно описанной в литературе, является υνΡ5 [Рюйега1 М., Сшб1 Ь., 81еттапп Ь., Каг1 Ό.Μ., 1ббаоиб С., Согкку С. ТЬе ипбег\га1ег νΑ^ РгоГйег 5: Ап абуапсеб тк1гитеп1 Гог йдй краба1 геко1и!юп к!иб1ек оГ рагбс1е к1/е крес!га апб хоор1апк1оп // Ытнок Осеаподг.: Мебюбк. 8. 2010. Р. 462-473]. Она использует в качестве подсветки объектов узколинейный стробоскопический источник света (длина волны 625 нм), образующий перед камерой световую область с помощью двух установленных друг против друга световых модулей. Типичный размер светового луча каждого модуля составляет 3x20см.

Наиболее близким техническим решением является способ определения плотности концентрации рыб [п.2167434 РФ, МПК С018 17/00, опубл. 20.03.1998 г. (прототип)], включающий съемку с помощью лазерной подводной телевизионной системы со стробированием по дальности и подсчетом визуально или с помощью компьютера числа рыб, наблюдаемых в кадре.

Основной недостаток данного способа применительно к изучению вертикального распределения и размерной структуры организмов зоопланктона заключаются в следующем: он не позволяет установить точное индивидуальное вертикальное положение исследуемых объектов, поскольку все объекты на видеокадре фиксируются в достаточно широкой области пространства, имеющей форму сферического конуса. По этой же причине невозможно точное определение размера организмов.

Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.

Технический результат достигается тем, что в способе определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона, включающем подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, новым является то, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле

где - концентрация организмов зоопланктона размерной группы в слое ί высотой ζ;

Иу - количество организмов размерной группы _] с зафиксированным вертикальным положением б в диапазоне ζ-(ϊ-1)<6<ζ-ϊ;

Ь- высота и

- 1 020147

- ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям новизна и изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема устройства, осуществляющего видеодетекцию планктонных организмов описываемым способом.

На фиг. 2 дан пример вертикального распределения численности организмов зоопланктона (экз./л) размером менее 2 мм, зарегистрированных с помощью системы видеодетекции с лазерной подсветкой в озере Шира (Россия, Хакасия) (09.10.2011).

Для решения данной проблемы предлагается использовать способ подводной видеодетекции, использующий узкую фронтальную лазерную подсветку организмов.

Устройство (фиг. 1) состоит из погружаемого блока, включающего: цифровую цветную видеокамеру (1), лазерный модуль (2), гидростатический датчик глубины (3), и регистрирующего компьютера (4). Элементы погружаемого блока закреплены на треножном штативе (5). В верхней части штатива располагается направленная вниз видеокамера, помещенная в водонепроницаемый бокс (6) с обзорным окном (7). Опоры штатива служат для крепления гидростатического датчика глубины и лазерного модуля, которые располагаются на одном уровне. Видеокамера и датчик глубины соединены с регистрирующим компьютером комбинированным кабелем (8). По кабелю осуществляется передача видеоданных и управление видеокамерой, передача сигнала с датчика глубины, а также питание видеокамеры и лазерного модуля. Лазерный модуль крепится на штативе таким образом, чтобы генерируемая лазерная плоскость (9) была перпендикулярна главной оптической оси объектива видеокамеры, а зона видимости камеры (10) находилась внутри границ лазерной плоскости. Расстояние от объектива камеры до лазерной плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы исследуемые объекты, находящиеся на этом расстоянии, были достаточно хорошо различимы на видеокадрах с целью последующего определения их размера.

Предлагаемый способ подсчета организмов в водной толще осуществляется следующим образом. Погружаемый блок устройства опускают в водоем от поверхности до дна равномерно с заданной скоростью. При опускании ведется непрерывная запись изображения с камеры и значений датчика глубины с помощью регистрирующего компьютера. В результате сканирования водной толщи лазерной плоскостью все встреченные организмы подсвечиваются и их изображения записываются в видеофайл. Максимальная скорость опускания устройства определяется скоростью захвата изображений видеокамерой, т.е. камера должна сделать не менее одного кадра за то время, пока объект остается подсвеченным.

Определение размерного состава и вертикального распределения планктонных организмов выполняется на основе компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально (в случае малых численностей или низких требований к точности). В кадре подсвеченные организмы имеют более высокую яркость и оттенок, соответствующий цвету лазера (фиг. 1, позиция 11), что позволяет их легко отличать от фона и организмов, находящихся вне лазерной плоскости (фиг. 1, позиция 12). Точное вертикальное положение каждого подсвеченного организма определяется на основе показаний датчика глубины, установленного на одном уровне с лазерной плоскостью. В видеофайле отмечается время, когда организм попадает в свет лазера, и для этого же времени находится значение в файле данных датчика глубины. Найденное значение глубины присваивается наблюдаемому организму. В итоге, после обработки всего видеофайла устанавливается вертикальное положение всех организмов в сканированном столбе воды. Поскольку расстояние от объектива камеры до подсвеченного объекта всегда постоянно, то размеры организмов находят путем прямого измерения их изображений в кадре в пикселях и последующего перевода в метрические единицы. Для перевода используют коэффициент к, определяющий, сколько метрических единиц зоны лазерной плоскости отображает один пиксель. Коэффициент к может быть найден как

где 1 - длина (или ширина) зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости в метрических единицах;

1_£г - соответствующая длина (или ширина) кадра в пикселях.

Например, если длина изображения подсвеченного объекта в кадре 1_1тд=10 пикселей, ширина кадра 1(= 640 пикселей, а ширина зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости 1 = 50 мм, то реальный размер объекта 1_оь, в мм будет / -*./=—10=0.781 ₆₄₀

В гидробиологических исследованиях часто необходимо получить данные о вертикальном распределении численности и биомассы планктонных организмов, а также найти их интегральные величины в столбе воды под метром квадратным. Предлагаемый способ позволяет легко рассчитать эти значения по результатам видеодетекции. Если вся вертикаль водной толщи разбита на N слоев высотой ζ, то концентрация численности организмов зоопланктона х^ каждой размерной группы _) в слое ί будет определяться

- 2 020147 как

V/ ⁼Μ^ΑΖζ)’ где - количество организмов размерной группы | с зафиксированным вертикальным положением ά в диапазоне ζ·(ί-1)<ά<ζ·ί, й - высота и

- ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Биомасса организмов зоопланктона Ь; в слое ί будет определяться как где а, - соответствующий размерно-весовой коэффициент.

Интегральная численность X и биомасса В в выделенном столбе воды под метром квадратным будет определяться согласно формулам

Σ».

и В = ^— к-1

Пример вертикального распределения концентрации организмов зоопланктона представлен на фиг. 2.

Заявляемый способ определения размерной структуры и вертикального распределения планктонных организмов за счет использования узкой фронтальной лазерной подсветки организмов позволяет определить точное местоположение объекта (до нескольких миллиметров) в пространстве, его размерные характеристики, а также получить более контрастное изображение относительно фона, что значительно облегчает автоматический подсчет количества встреченных объектов.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме, включающий подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, отличающийся тем, что осуществляют последовательную лазерную подсветку слоев водной толщи водоема с видеофиксацией и регистрацией глубины каждого подсвечиваемого слоя для непрерывной регистрации подсве ченных организмов зоопланктона, попавших в зону видимости видеокамеры на уровне подсветки, причем каждый подсвечиваемый слой расположен в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси объектива видеокамеры, определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле