RU2495451C1 - Method of determining vertical distribution and dimensional structure of zooplankton in water reservoir - Google Patents

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: underwater video filming is carried out with a narrow frontal laser illumination of the organisms. The organisms observed in the frame are counted using a computer analysis of images in the video file or visually. At that all the organisms in the scanned water column are continuously recorded, and the individual depth of location and size of each organism, as well as the vertical distribution of the organisms of each size group are determined.

EFFECT: improvement of accuracy determining the vertical distribution of planktonic organisms and their dimensional structure.

2 dwg

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.The invention relates to the field of ecology, fisheries and can be used to assess the functioning of biotic communities of aquatic ecosystems, with the aim of collecting information about the abundance, biomass and spatial distribution of key species of aquatic organisms.

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 [Trevorrow M.V., Tanaka Y. Acoustic and in situ measurements of freshwater amphipods (Jesogammarus annandalei) in Lake Biwa, Japan // Limnol. Oceanogr. 1997. V.42. №1. P.121-132]. Анализ проб под микроскопом позволяет получить такие важные характеристики популяции как: размерный состав и распределение возрастных стадий, половую структуру, плодовитость.Classical studies include sampling zooplankton and their subsequent analysis under a microscope. There are various methods of sampling zooplankton: net fishing [Shapovalova IM, Vologdin MP On the quantitative accounting of the lake amphipod // Gidrobiol. journal 1973. IX. No. 5. P.85-89], bathometer [V. Zhadin Methods of hydrobiological research. M .: Higher. school 1960. 189 p.] Or with a hose pump [Trevorrow M.V., Tanaka Y. Acoustic and in situ measurements of freshwater amphipods (Jesogammarus annandalei) in Lake Biwa, Japan // Limnol. Oceanogr. 1997. V. 42. No. 1. P.121-132]. Analysis of samples under a microscope allows you to obtain such important characteristics of the population as: size composition and distribution of age stages, sexual structure, fecundity.

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.However, the application of these methods is time-consuming for both sampling and sample processing. As a result, it is impossible to get an instant picture of the distribution of animals in space. It is also known that animals are able to avoid fishing gear, which leads to an underestimation of their number and a large statistical error.

Наряду с классическими способами отбора зоопланктона применяются и автоматизированные подходы, например акустическое зондирование и подводные видеосъемки [Handbook of scaling methods in aquatic ecology: measurement, analysis, simulation / Edited by Seuront L, Strutton P.G. CRC Press. 2004. 600 p.; Zooplankton methodology manual / Edited by Harris R.P. et al. Elsevier. 2000. 684 p.].Along with the classical methods of selecting zooplankton, automated approaches are also used, for example, acoustic sensing and underwater video filming [Handbook of scaling methods in aquatic ecology: measurement, analysis, simulation / Edited by Seuront L, Strutton P.G. CRC Press. 2004.600 p .; Zooplankton methodology manual / Edited by Harris R.P. et al. Elsevier 2000. 684 p.].

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.Acoustic monitoring allows you to get an almost instantaneous picture of the distribution of organisms in space. A sufficiently large area of the water column is analyzed. The continuity of registration of echo signals during the sensing process also makes it possible to evaluate the vertical migration of hydrobionts.

Однако этот метод имеет существенные ограничения при работе с низкой плотностью организмов. Также крайне затруднительно получить таксономический состав и морфометрию планктона.However, this method has significant limitations when working with low density organisms. It is also extremely difficult to obtain the taxonomic composition and morphometry of plankton.

Наиболее перспективным способом исследований являются способы подводного видеонаблюдения, активно развивающиеся в последние годы [Теесе M.A. An inexpensive remotely operated vehicle for underwater studies // Limnol. Oceanogr.: Methods. 7. 2009. P.206-215]. Подводные камеры позволяют получать качественное изображение организмов в широком размерном диапазоне, включая организмы зоопланктона [Schuiz J., Barz K., Ayon P. Imaging of plankton specimens with the lightframe on-sight keyspecies investigation (LOKI) system // Journal of the European optical society-rapid publications. 5. 2010. P.10017].The most promising research method is underwater video surveillance methods, which have been actively developing in recent years [Teese M.A. An inexpensive remotely operated vehicle for underwater studies // Limnol. Oceanogr .: Methods. 7. 2009. P.206-215]. Underwater cameras provide a high-quality image of organisms in a wide size range, including zooplankton organisms [Schuiz J., Barz K., Ayon P. Imaging of plankton specimens with the lightframe on-sight keyspecies investigation (LOKI) system // Journal of the European optical society-rapid publications. 5. 2010. P.10017].

Более совершенной системой, подробно описанной в литературе, является UVP5 [Picheral M., Guidi L., Stemmann L., Karl D.M., Iddaoud G., Gorsky G. The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton // Limnol. Oceanogr.: Methods. 8. 2010. P.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 3×20 см.A more advanced system, detailed in the literature, is UVP5 [Picheral M., Guidi L., Stemmann L., Karl DM, Iddaoud G., Gorsky G. The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton // Limnol. Oceanogr .: Methods. 8. 2010. P.462-473]. It uses a narrow-line stroboscopic light source (wavelength 625 nm) as an illumination of objects, which forms a light region in front of the camera using two light modules mounted against each other. A typical light beam size of each module is 3 × 20 cm.

Наиболее близким техническим решением является способ определения плотности концентрации рыб [п.2167434 РФ, МПК G01S 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.The closest technical solution is a method for determining the concentration density of fish [p.2167434 RF, IPC G01S 17/00, publ. 03/20/1998 (prototype)], including shooting with a laser underwater television system with range gating and counting visually or using a computer the number of fish observed in the frame.

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.The main disadvantage of this method, in relation to the study of the vertical distribution and size structure of zooplankton organisms, is as follows: it does not allow to establish the exact individual vertical position of the studied objects, since all objects on the video frame are fixed in a fairly wide area of space having the shape of a spherical cone. For the same reason, it is impossible to accurately determine the size of organisms.

Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.The technical result of the invention is the development of a more accurate method for determining the vertical distribution of planktonic organisms and their dimensional structure.

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 группыThe technical result is achieved in that in a method for determining the vertical distribution and dimensional structure of zooplankton, including underwater video shooting with laser illumination and counting organisms observed in the frame using computer analysis of images in a video file or visually, the new is that they use narrow frontal laser illumination of organisms, at the same time, all organisms are continuously recorded in the scanned column of water and the individual depth and size of each organ is determined ism and the vertical distribution of organisms of each dimensional group

x_i,j=n_i,j(h·l·z), гдеx _{i, j} = n _{i, j} (h · l · z), where

x_i,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;x _{i, j} is the concentration of zooplankton organisms of size group j in layer i of height z;

n_i,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-1)≤d<z·i;n _{i, j} is the number of organisms of the size group j with a fixed vertical position d in the range z · (i-1) ≤d <z · i;

h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.h is the height and l is the width of the camera visibility zone at the level of the laser plane.

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».Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solution with the criteria of "novelty" and "inventive step".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами:The invention is illustrated graphic materials:

На фиг.1 представлена схема устройства, осуществляющего видеодетекцию планктонных организмов описываемым способом.Figure 1 presents a diagram of a device that performs video detection of planktonic organisms by the described method.

На фиг.2 дан пример вертикального распределение 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).Figure 2 gives an example of a vertical distribution of the number of zooplankton organisms (ind./l) with a size of less than 2 mm recorded using a video detection system with laser illumination in Lake Shira (Russia, Khakassia) (09.10.2011).

Для решения данной проблемы предлагается использовать способ подводной видеодетекции, использующий узкую фронтальную лазерную подсветку организмов.To solve this problem, it is proposed to use a method of underwater video detection using narrow frontal laser illumination of organisms.

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.The device (Fig. 1) consists of an immersion unit, including: a digital color video camera (1), a laser module (2), a hydrostatic depth sensor (3), and a recording computer (4). Elements of the submersible block are fixed on a tripod tripod (5). In the upper part of the tripod there is a downward-facing video camera placed in a waterproof box (6) with a viewing window (7). The tripod supports are used to mount the hydrostatic depth sensor and the laser module, which are located on the same level. The video camera and the depth sensor are connected to the recording computer with a combination cable (8). The cable transmits video data and controls the video camera, transmits a signal from the depth sensor, as well as power to the video camera and the laser module. The laser module is mounted on a tripod so that the generated laser plane (9) is perpendicular to the main optical axis of the video camera lens, and the camera visibility area (10) is inside the boundaries of the laser plane. The distance from the camera lens to the laser plane is chosen so that the studied objects located at this distance are clearly visible on video frames in order to determine their size.

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.The proposed method for counting organisms in the water column is as follows. The immersed unit of the device is lowered into the reservoir from the surface to the bottom evenly at a given speed. When lowering, the camera image and depth sensor values are continuously recorded using a recording computer. As a result of scanning the water column with a laser plane, all organisms encountered are highlighted and their images are recorded in a video file. The maximum lowering speed of the device is determined by the image capture speed of the camera, i.e. the camera must take at least one frame while the subject remains highlighted.

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 77), что позволяет их легко отличать от фона и организмов, находящихся вне лазерной плоскости (фиг.1, позиция 72). 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 k, определяющий, сколько метрических единиц зоны лазерной плоскости отображает один пиксель. Коэффициент k может быть найден какDetermination of the size composition and vertical distribution of planktonic organisms is carried out on the basis of computer analysis of images in a video file or visually (in the case of small numbers or low accuracy requirements). In the frame, the highlighted organisms have a higher brightness and shade corresponding to the color of the laser (Fig. 1, position 77), which allows them to be easily distinguished from the background and organisms outside the laser plane (Fig. 1, position 72). The exact vertical position of each illuminated organism is determined based on the readings of a depth sensor installed at the same level as the laser plane. The time is marked in the video file when the body enters the laser light and for this time the value is in the data file of the depth sensor. The found depth value is assigned to the observed organism. As a result, after processing the entire video file, the vertical position of all organisms in the scanned column of water is established. Since the distance from the camera lens to the illuminated object is always constant, the sizes of organisms are found by directly measuring their images in the frame in pixels and then converting them to metric units. For translation, a coefficient k is used, which determines how many metric units of the area of the laser plane one pixel displays. The coefficient k can be found as

$$k=\frac{l}{l_{fr}},$$

$$k=\frac{l}{l_{fr}},$$

гдеWhere

l - длина (или ширина) зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости в метрических единицах; l_fr - соответствующая длина (или ширина) кадра в пикселях.l is the length (or width) of the camera visibility at the level of the laser plane in metric units; l _fr is the corresponding length (or width) of the frame in pixels.

Например, если длина изображения подсвеченного объекта в кадре l_img=10 пикселей, ширина кадра l_f=640 пикселей, а ширина зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости l=50 мм, то реальный размер объекта l_obj в мм будетFor example, if the image length of the highlighted object in the frame is l _img = 10 pixels, the frame width is l _f = 640 pixels, and the width of the camera visibility at the laser plane level is l = 50 mm, then the actual size of the object is l _obj in mm

$$l_{obj}=k\cdot l_{img}=\frac{50}{640}\cdot 10=0.781$$

$$l_{obj}=k\cdot l_{img}=\frac{50}{6\mathrm{four}0}\cdot \mathrm{one}0=0.78\mathrm{one}$$

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 z, то концентрация численности организмов зоопланктона x_i,j каждой размерной группы j в слое i будет определяться какIn hydrobiological studies, it is often necessary to obtain data on the vertical distribution of the abundance and biomass of planktonic organisms, as well as to find their integral values in a column of water per square meter. The proposed method makes it easy to calculate these values from the results of video detection. If the entire vertical of the water column is divided into N layers of height z, then the concentration of the number of zooplankton organisms x _{i, j of} each size group j in layer i will be determined as

x_i,j=n_i,j(h·l·z),x _{i, j} = n _{i, j} (h · l · z),

гдеWhere

n_i,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-1)≤d<z·i,n _{i, j} is the number of organisms of size group j with a fixed vertical position d in the range z · (i-1) ≤d <z · i,

h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.h is the height and l is the width of the camera visibility zone at the level of the laser plane.

Биомасса организмов зоопланктона b_ε, в слое i будет определяться какThe biomass of zooplankton organisms b _ε , in layer i will be defined as

$$b_i={\displaystyle \sum _j{x}_{i,j}\cdot a_j,}$$

где $$b_i={\displaystyle \sum _j{x}_{i,j}\cdot a_j,}$$

Where

$$a_j$$

- соответствующий размерно-весовой коэффициент. $$a_j$$

- the corresponding size and weight coefficient.

Интегральная численность Х и биомасса B в выделенном столбе воды под метром квадратным будет определяться согласно формуламThe integral abundance X and biomass B in the selected column of water under a square meter will be determined according to the formulas

$$X=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^N{x}_i}}{h\cdot l}$$

и $$B=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^N{b}_i}}{h\cdot l}$$

$$X=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{one}}^N{x}_i}}{h\cdot l}$$

and $$B=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{one}}^N{b}_i}}{h\cdot l}$$

Пример вертикального распределения концентрации организмов зоопланктона представлен на фиг.2.An example of a vertical distribution of the concentration of zooplankton organisms is shown in FIG.

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.The inventive method for determining the dimensional structure and vertical distribution of planktonic organisms through the use of narrow frontal laser illumination of organisms allows you to determine the exact location of the object (up to several millimeters) in space, its dimensional characteristics, as well as to obtain a more contrasting image relative to the background, which greatly facilitates the automatic calculation of the number met objects.

Claims (1)

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 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
x_i,j=n_i,j(h·l·z),
где x_i,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;
n_i,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-l)≤d<z·i;
h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. A method for determining the vertical distribution and dimensional structure of zooplankton in a pond, including underwater video shooting with laser illumination and counting of organisms observed in the frame using computer analysis of images in a video file or visually, characterized in that they use narrow frontal laser illumination of organisms, while producing continuous registration of all organisms in the scanned column of water and determine the individual depth and size of each organism, and the vertical distribution organisms of each size group are determined by the formula
x _{i, j} = n _{i, j} (h · l · z),
where x _{i, j} is the concentration of zooplankton organisms of size group j in layer i of height z;
n _{i, j} is the number of organisms of the size group j with a fixed vertical position d in the range z · (il) ≤d <z · i;
h is the height and l is the width of the camera visibility zone at the level of the laser plane.

Images