發(fā)布時(shí)間：所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：監(jiān)測(cè)魚類行為常用計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)和聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)兩種方法。本文分析對(duì)比了這兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過攝像機(jī)來記錄魚類的行為，但該方法存在數(shù)據(jù)處理難度大、誤差大和數(shù)據(jù)不連續(xù)等缺點(diǎn)，主要以定性分析為主。聲
摘要：監(jiān)測(cè)魚類行為常用計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)和聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)兩種方法。本文分析對(duì)比了這兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過攝像機(jī)來記錄魚類的行為，但該方法存在數(shù)據(jù)處理難度大、誤差大和數(shù)據(jù)不連續(xù)等缺點(diǎn)，主要以定性分析為主。聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)是聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的一種主動(dòng)識(shí)別方法，具有原位觀察、定位準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單和數(shù)據(jù)連續(xù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可直接獲得魚類的二、三維運(yùn)動(dòng)軌跡等量化指標(biāo)。基于聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，提出了聲學(xué)標(biāo)簽魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)在漁業(yè)養(yǎng)殖、水利工程、水生態(tài)學(xué)等多門學(xué)科交叉的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：魚類運(yùn)動(dòng)行為;聲學(xué)標(biāo)簽;水聽器;監(jiān)測(cè)技術(shù);應(yīng)用前景
研究魚類行為的試驗(yàn)方法主要有水槽模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和漁獲試驗(yàn)[1]，其中水槽模擬試驗(yàn)是研究魚類行為最常用的方法，主要用于水動(dòng)力條件變化和水質(zhì)變化對(duì)魚類行為的影響研究。魚類行為反應(yīng)直觀、快速，研究魚類的應(yīng)激反應(yīng)、洄游以及棲息等行為，為保護(hù)漁業(yè)資源、魚類棲息地評(píng)估以及提高魚類捕撈效率具有重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的魚類行為監(jiān)測(cè)手段主要以視頻形式進(jìn)行記錄，從拍攝的視頻、圖片中提取魚類的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方向和游泳速度等數(shù)據(jù)，但魚類三維運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)的運(yùn)算及提取過程比較繁雜，費(fèi)時(shí)且精度低。因此，快速、高效地獲取魚類三維運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)成為研究魚類運(yùn)動(dòng)行為的熱點(diǎn)。本文對(duì)比分析了魚類運(yùn)動(dòng)軌跡常用監(jiān)測(cè)方法，旨在提出一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取魚類運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測(cè)方法。
1魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展
1.1基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)
計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)利用攝像設(shè)備拍攝魚類的行為。該技術(shù)能在魚類不受干擾情況下觀察、記錄和分析魚類的行為，廣泛應(yīng)用于漁業(yè)養(yǎng)殖和水質(zhì)監(jiān)測(cè)、預(yù)警領(lǐng)域，取得了一定的研究成果。如采用視覺監(jiān)測(cè)技術(shù)研究漁業(yè)養(yǎng)殖中魚類的性別和質(zhì)量檢測(cè)[2]、魚類狀態(tài)監(jiān)測(cè)[3]、魚類行為識(shí)別[4]和體色生理變化[5]等。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警領(lǐng)域，通過建立計(jì)算機(jī)視覺的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6-10]，研究魚類的行為變化[11-13]，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警[14-15]。
通過視覺監(jiān)測(cè)技術(shù)研究魚類的運(yùn)動(dòng)行為軌跡[16,17]，根據(jù)魚類運(yùn)動(dòng)行為軌跡的變化來對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警[18]。將視頻圖像轉(zhuǎn)換成三維運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)的常用方法有雙像合成法、結(jié)構(gòu)光掃描法、調(diào)相法、層析法、探頭跟蹤法和激光掃描法等，其中最常用的是雙像合成法。根據(jù)雙目成像原理把拍攝的圖像通過圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系并生成三維圖像。該方法雖然檢測(cè)速度快、精度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣[20]。
1.2基于聲學(xué)信號(hào)的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)
隨著生物監(jiān)測(cè)技術(shù)及手段的不斷發(fā)展，聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于魚類資源豐度、分布密度和生理行為等研究。聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過接收聲波信號(hào)來監(jiān)測(cè)魚類行為的一種方法，主要有被動(dòng)聲學(xué)法和主動(dòng)聲學(xué)法[21]。被動(dòng)聲學(xué)法是通過對(duì)魚類發(fā)出的聲波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。該方法對(duì)研究對(duì)象沒有損傷，可長期監(jiān)測(cè)[22]，但受水域環(huán)境以及噪聲的影響較大，很難準(zhǔn)確地識(shí)別到魚類發(fā)出的聲波信號(hào)，具有一定的局限性。主動(dòng)聲學(xué)法是通過對(duì)聲波設(shè)備發(fā)射的聲波信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。該方法受水域環(huán)境影響小、應(yīng)用范圍廣，是當(dāng)今國內(nèi)外研究和應(yīng)用最廣泛的一種監(jiān)測(cè)方法[23]。
目前，基于聲學(xué)信號(hào)的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于魚類種群識(shí)別、魚類資源豐度、結(jié)構(gòu)組成、分布密度、遷徙行為以及棲息地變化等調(diào)查與評(píng)估。常見的監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有魚探儀，其通過換能器發(fā)射一定頻率的聲波信號(hào)，當(dāng)聲波遇到不同于水的介質(zhì)如魚群或水域障礙物時(shí)部分信號(hào)會(huì)返射回來，記錄、分析和處理返射的聲波信號(hào)后可確定魚群位置以及大小等信息。魚探儀在魚類資源豐度調(diào)查[24-29]、時(shí)空分布情況[30-34]和活動(dòng)規(guī)律[35-37]等研究中取得了較多的成果，但該技術(shù)僅限于對(duì)魚群的種類、大小和距離的探測(cè)，無法準(zhǔn)確獲得魚類的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡[38]。
聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)是聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)的一種主動(dòng)聲學(xué)法。采用該技術(shù)可研究魚類生活習(xí)性、魚類資源豐度評(píng)估、魚類遷徙及洄游行為、環(huán)境變化對(duì)魚類生活習(xí)性的改變、物種保護(hù)和棲息地恢復(fù)等。國外對(duì)聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的應(yīng)用研究成果主要有魚類游泳模式[39]、魚類棲息地變化特征[40-42]、魚類產(chǎn)卵場(chǎng)所[43]、魚類生存[44]以及魚類行為差異[45]等。還對(duì)魚類運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)和分析[46]，為魚類運(yùn)動(dòng)行為模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該技術(shù)在中國的應(yīng)用研究成果較少，主要有魚類在不同生境的運(yùn)動(dòng)行為變化[47,48]、棲息地變遷[49]以及水利工程建設(shè)對(duì)魚類洄游能力[50]和魚類游泳軌跡[51]等的研究。
1.3兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)比分析
基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過視頻拍攝、圖片觀察以及手工記錄為主，觀察和描述魚類的生理和行為特征。目前，以魚類為監(jiān)測(cè)對(duì)象的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，大都通過攝像機(jī)觀察分析魚類運(yùn)動(dòng)行為的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)及預(yù)警，但通過處理視頻、圖像來提取魚類的三維運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)難度較大、誤差大且數(shù)據(jù)連續(xù)性差，導(dǎo)致魚類水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在較大偏差。因此，基于計(jì)算機(jī)視覺的魚類行為監(jiān)測(cè)技術(shù)基本處于“定性”分析階段，很難得到魚類運(yùn)動(dòng)行為的量化指標(biāo)。
聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號(hào)，可實(shí)時(shí)、快速且準(zhǔn)確獲得魚類的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類運(yùn)動(dòng)行為特征的定性與量化。利用該系統(tǒng)可24h實(shí)時(shí)監(jiān)控魚類在水域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，具有原位觀察、定位準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單和數(shù)據(jù)連續(xù)性好等優(yōu)勢(shì)，可直接獲得魚類的二、三維運(yùn)動(dòng)軌跡等量化指標(biāo)，為大水域魚類行為的監(jiān)測(cè)與研究提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)依據(jù)。
2聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)工作原理
聲學(xué)標(biāo)簽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由聲學(xué)標(biāo)簽(AcousticTag，也叫聲學(xué)信號(hào)發(fā)射器)、水聽器(Hydrophone，簡(jiǎn)寫為H1、H2、H3、H4，用于監(jiān)測(cè)聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號(hào))、信號(hào)接收器、數(shù)據(jù)采集及處理軟件和電腦組成。其工作原理是將水聽器固定在兩個(gè)不同水平面上，并設(shè)置水聽器放置點(diǎn)的三維坐標(biāo)以及相關(guān)參數(shù)。通過水聽器接收移植或捆綁于試驗(yàn)魚身上的聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號(hào)(圖1)，并將聲波信號(hào)傳輸至信號(hào)接收器，經(jīng)過計(jì)算機(jī)終端去噪處理后即可得到魚類由某一點(diǎn)游至另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。4個(gè)水聽器監(jiān)測(cè)的水域范圍約為0.5km，如監(jiān)測(cè)范圍為河流等線狀水域可線狀布設(shè)多個(gè)水聽器(圖2)，如監(jiān)測(cè)范圍為大水域，可根據(jù)水域情況布設(shè)多個(gè)水聽器。也可將水聽器固定于測(cè)船上，但測(cè)船更換位置則需要重新設(shè)置水聽器坐標(biāo)[38]。
不同規(guī)格的聲學(xué)標(biāo)簽大小、重量和使用時(shí)長也不同(圖1)，個(gè)體越大，使用時(shí)間越長。聲學(xué)標(biāo)簽的聲波信號(hào)發(fā)射頻率范圍可設(shè)置為1000~6000HZ，即1~6s發(fā)射一個(gè)聲波信號(hào)，每發(fā)射一個(gè)聲波信號(hào)即可獲得一個(gè)軌跡點(diǎn)。聲學(xué)標(biāo)簽設(shè)置的發(fā)射頻率均為唯一性，以此識(shí)別不同的試驗(yàn)魚，可根據(jù)魚類個(gè)體大小和研究周期來選擇合適的聲學(xué)標(biāo)簽類型以及參數(shù)[52]。
2.2基于聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的魚類運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)用
根據(jù)水域情況及監(jiān)測(cè)范圍布設(shè)水聽器H1、H2、H3、H4，通過水聽器接收魚類身上聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號(hào)來獲取魚類的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)魚類運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖2)，分析魚類運(yùn)動(dòng)軌跡的變化以及軌跡點(diǎn)的密集程度，可以快速獲得魚類活動(dòng)范圍、棲息地以及產(chǎn)卵場(chǎng)所等信息，為研究江河湖庫以及海洋等水域魚類的遷徙、洄游行為、魚類生活習(xí)性、魚類資源豐度評(píng)估、物種保護(hù)和棲息地恢復(fù)等提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。
3聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析
3.1在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用
目前，魚類行為研究在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用成果相對(duì)較少，魚類在不同水環(huán)境中的各種行為響應(yīng)可為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供重要的指導(dǎo)信息[53,54]。聲學(xué)標(biāo)簽監(jiān)測(cè)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用前景主要有以下兩個(gè)方面：(1)魚類運(yùn)動(dòng)行為的變化與水流速、水環(huán)境因子密切相關(guān)，可通過監(jiān)測(cè)魚類的運(yùn)動(dòng)軌跡變化規(guī)律來掌握魚類的棲息場(chǎng)所，為人工繁殖和幼魚培育環(huán)境提供參考依據(jù)，達(dá)到提高幼魚成活率和質(zhì)量的目的;(2)魚飼料投喂和污染物的排入會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)變化，而水中污染物濃度的變化直接影響魚類的運(yùn)動(dòng)行為。根據(jù)魚類的趨清性特點(diǎn)，當(dāng)魚類表現(xiàn)出逃避行為且大多數(shù)都集聚于潔凈水域時(shí)，則表明水質(zhì)遭受到污染。
相關(guān)期刊推薦：《水產(chǎn)學(xué)雜志》ChineseJournalofFisheries(季刊)1988年創(chuàng)刊，是國內(nèi)公開發(fā)行的水產(chǎn)學(xué)綜合性刊物。其宗旨是為水產(chǎn)界和水生生物學(xué)界的科研、教學(xué)、生產(chǎn)及管理人員等提供科學(xué)技術(shù)交流的園地，傳播新成果、新技術(shù)信息，為促進(jìn)水產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展服務(wù)。設(shè)有：水產(chǎn)養(yǎng)殖、資源增殖、環(huán)境保護(hù)、魚病、育種、水生生物、漁業(yè)機(jī)械、魚品加工等欄目。
因此，通過連續(xù)測(cè)定魚類的運(yùn)動(dòng)軌跡，比較魚類當(dāng)前運(yùn)動(dòng)軌跡與歷史運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為提高漁業(yè)養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[38]。
3.2在水利工程對(duì)魚類影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
水利工程建設(shè)將天然河道分隔成上、下兩個(gè)水環(huán)境單元，阻斷了魚類的洄游通道，影響下游魚類等生物的洄游能力、產(chǎn)卵場(chǎng)所、棲息地以及河道生物的多樣性。因此，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)在水利工程建設(shè)對(duì)魚類的影響、魚道過魚等課題的研究具有較好的應(yīng)用前景，為水利工程建設(shè)對(duì)魚類等生物的影響評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。
3.3在水污染突發(fā)事故預(yù)警中的應(yīng)用
在很多水污染事件中，最早發(fā)現(xiàn)水體受污染的不是當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保部門，而是生活在水域附近的漁民。因?yàn)轸~類是水域污染情況的活“監(jiān)測(cè)器”。當(dāng)水體遭受污染時(shí)，首先出現(xiàn)響應(yīng)的是長期生存于水中的魚類。在監(jiān)測(cè)條件和水平有限情況下，魚類比環(huán)境監(jiān)測(cè)更能實(shí)時(shí)有效和真實(shí)地反映水體的污染狀況。因此，監(jiān)測(cè)魚類對(duì)水污染突發(fā)事故的早期預(yù)警具有其他檢測(cè)方法不可替代的優(yōu)點(diǎn)。通過監(jiān)測(cè)魚類在水體污染過程的行為軌跡以及游泳速度變化，對(duì)水污染突發(fā)事故進(jìn)行預(yù)警以及水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。
3.4在水生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
目前，水生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究已取得了很多的成果，還開展了相關(guān)的水生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)研究。通常，評(píng)價(jià)所選取指標(biāo)反映的是研究期間的實(shí)際情況，很難持續(xù)反映水生態(tài)環(huán)境的真實(shí)狀況。水生態(tài)環(huán)境修復(fù)是一個(gè)漫長的動(dòng)態(tài)過程，能實(shí)時(shí)反映水生態(tài)環(huán)境健康狀況及修復(fù)效果的理論技術(shù)和方法研究成為水生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)的發(fā)展方向。魚類長期生存于水環(huán)境中，隨著氣候、水溫、水質(zhì)的改變而發(fā)生相應(yīng)的行為響應(yīng)。與通過物理化學(xué)的評(píng)價(jià)手段相比，通過魚類對(duì)水質(zhì)變化的行為響應(yīng)更能真實(shí)、實(shí)時(shí)和快速地反映水生態(tài)環(huán)境的健康狀況。根據(jù)魚類對(duì)水質(zhì)變化的行為響應(yīng)規(guī)律，確定魚類運(yùn)動(dòng)行為響應(yīng)指標(biāo)和影響魚類運(yùn)動(dòng)行為的敏感性水質(zhì)指標(biāo)，評(píng)價(jià)兩者相關(guān)性，并對(duì)水生態(tài)環(huán)境健康狀況做出合理性評(píng)價(jià)，為水生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。
4結(jié)語
隨著聲學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)越來越成熟，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)逐步成為研究魚類行為的主要監(jiān)測(cè)方法。近幾年，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)逐漸引起廣泛關(guān)注并應(yīng)用于魚類行為研究，但僅限于室內(nèi)模擬研究以及野外水域試探性試驗(yàn)。該技術(shù)具有監(jiān)測(cè)水域范圍大、魚類運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，對(duì)獲得的魚類二、三維運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用，是一種較為先進(jìn)的魚類行為監(jiān)測(cè)手段及方法，對(duì)魚類行為相關(guān)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。——論文作者：黃月群1,2，李文菁1,2，黃壽琨1,2，董堃1,2