魚類行為監測技術應用研究

發布時間：2021-09-25所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：監測魚類行為常用計算機視覺監測和聲學信號監測技術兩種方法。本文分析對比了這兩種監測技術的應用�；�于計算機視覺的魚類行為監測技術是通過攝像機來記錄魚類的行為，但該方法存在數據處理難度大、誤差大和數據不連續等缺點，主要以定性分析為主。聲

　　摘要：監測魚類行為常用計算機視覺監測和聲學信號監測技術兩種方法。本文分析對比了這兩種監測技術的應用�；�于計算機視覺的魚類行為監測技術是通過攝像機來記錄魚類的行為，但該方法存在數據處理難度大、誤差大和數據不連續等缺點，主要以定性分析為主。聲學標簽系統是聲學監測技術的一種主動識別方法，具有原位觀察、定位準確、數據處理簡單和數據連續性好等優點，可直接獲得魚類的二、三維運動軌跡等量化指標�；�于聲學標簽系統的研究現狀，提出了聲學標簽魚類行為監測技術在漁業養殖、水利工程、水生態學等多門學科交叉的應用前景。

　　關鍵詞：魚類運動行為;聲學標簽;水聽器;監測技術;應用前景

　　研究魚類行為的試驗方法主要有水槽模擬試驗、現場實測和漁獲試驗[1]，其中水槽模擬試驗是研究魚類行為最常用的方法，主要用于水動力條件變化和水質變化對魚類行為的影響研究。魚類行為反應直觀、快速，研究魚類的應激反應、洄游以及棲息等行為，為保護漁業資源、魚類棲息地評估以及提高魚類捕撈效率具有重要的指導意義。傳統的魚類行為監測手段主要以視頻形式進行記錄，從拍攝的視頻、圖片中提取魚類的運動軌跡、運動方向和游泳速度等數據，但魚類三維運動軌跡坐標的運算及提取過程比較繁雜，費時且精度低。因此，快速、高效地獲取魚類三維運動軌跡數據成為研究魚類運動行為的熱點。本文對比分析了魚類運動軌跡常用監測方法，旨在提出一種快速、實時、準確獲取魚類運動軌跡的監測方法。

　　1魚類行為監測技術研究進展

　　1.1基于計算機視覺的魚類行為監測技術

　　計算機視覺技術利用攝像設備拍攝魚類的行為。該技術能在魚類不受干擾情況下觀察、記錄和分析魚類的行為，廣泛應用于漁業養殖和水質監測、預警領域，取得了一定的研究成果。如采用視覺監測技術研究漁業養殖中魚類的性別和質量檢測[2]、魚類狀態監測[3]、魚類行為識別[4]和體色生理變化[5]等。在水質監測和預警領域，通過建立計算機視覺的水質在線監測系統[6-10]，研究魚類的行為變化[11-13]，實現對水質的監測和預警[14-15]。

　　通過視覺監測技術研究魚類的運動行為軌跡[16,17]，根據魚類運動行為軌跡的變化來對水質進行評價和預警[18]。將視頻圖像轉換成三維運動軌跡數據的常用方法有雙像合成法、結構光掃描法、調相法、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。根據雙目成像原理把拍攝的圖像通過圖像坐標系轉換到世界坐標系并生成三維圖像。該方法雖然檢測速度快、精度高，但是結構復雜、數據處理繁瑣[20]。

　　1.2基于聲學信號的魚類行為監測技術

　　隨著生物監測技術及手段的不斷發展，聲學信號監測技術也逐漸應用于魚類資源豐度、分布密度和生理行為等研究。聲學信號監測技術是通過接收聲波信號來監測魚類行為的一種方法，主要有被動聲學法和主動聲學法[21]。被動聲學法是通過對魚類發出的聲波信號進行探測和識別。該方法對研究對象沒有損傷，可長期監測[22]，但受水域環境以及噪聲的影響較大，很難準確地識別到魚類發出的聲波信號，具有一定的局限性。主動聲學法是通過對聲波設備發射的聲波信號進行探測和識別。該方法受水域環境影響小、應用范圍廣，是當今國內外研究和應用最廣泛的一種監測方法[23]。

　　目前，基于聲學信號的魚類行為監測技術主要應用于魚類種群識別、魚類資源豐度、結構組成、分布密度、遷徙行為以及棲息地變化等調查與評估。常見的監測設備主要有魚探儀，其通過換能器發射一定頻率的聲波信號，當聲波遇到不同于水的介質如魚群或水域障礙物時部分信號會返射回來，記錄、分析和處理返射的聲波信號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查[24-29]、時空分布情況[30-34]和活動規律[35-37]等研究中取得了較多的成果，但該技術僅限于對魚群的種類、大小和距離的探測，無法準確獲得魚類的位置和運動軌跡[38]。

　　聲學標簽系統是聲學信號監測技術的一種主動聲學法。采用該技術可研究魚類生活習性、魚類資源豐度評估、魚類遷徙及洄游行為、環境變化對魚類生活習性的改變、物種保護和棲息地恢復等。國外對聲學標簽系統的應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]、魚類產卵場所[43]、魚類生存[44]以及魚類行為差異[45]等。還對魚類運動軌跡監測數據進行數量統計和分析[46]，為魚類運動行為模型的構建提供數據依據。該技術在中國的應用研究成果較少，主要有魚類在不同生境的運動行為變化[47,48]、棲息地變遷[49]以及水利工程建設對魚類洄游能力[50]和魚類游泳軌跡[51]等的研究。

　　1.3兩種監測技術的對比分析

　　基于計算機視覺的魚類行為監測技術是通過視頻拍攝、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，以魚類為監測對象的水質監測系統，大都通過攝像機觀察分析魚類運動行為的變化來實現對水質的監測及預警，但通過處理視頻、圖像來提取魚類的三維運動軌跡數據難度較大、誤差大且數據連續性差，導致魚類水質監測系統存在較大偏差。因此，基于計算機視覺的魚類行為監測技術基本處于“定性”分析階段，很難得到魚類運動行為的量化指標。

　　聲學標簽系統通過監測標簽發射的聲波信號，可實時、快速且準確獲得魚類的三維運動軌跡，實現對魚類運動行為特征的定性與量化。利用該系統可24h實時監控魚類在水域內的運動軌跡，與傳統的計算機視頻監測技術相比，具有原位觀察、定位準確、數據處理簡單和數據連續性好等優勢，可直接獲得魚類的二、三維運動軌跡等量化指標，為大水域魚類行為的監測與研究提供準確數據依據。

　　2聲學標簽系統

　　2.1系統工作原理

　　聲學標簽監測系統由聲學標簽(AcousticTag，也叫聲學信號發射器)、水聽器(Hydrophone，簡寫為H1、H2、H3、H4，用于監測聲學標簽發射的聲波信號)、信號接收器、數據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不同水平面上，并設置水聽器放置點的三維坐標以及相關參數。通過水聽器接收移植或捆綁于試驗魚身上的聲學標簽發射的聲波信號(圖1)，并將聲波信號傳輸至信號接收器，經過計算機終端去噪處理后即可得到魚類由某一點游至另一點的運動軌跡。4個水聽器監測的水域范圍約為0.5km，如監測范圍為河流等線狀水域可線狀布設多個水聽器(圖2)，如監測范圍為大水域，可根據水域情況布設多個水聽器。也可將水聽器固定于測船上，但測船更換位置則需要重新設置水聽器坐標[38]。

　　不同規格的聲學標簽大小、重量和使用時長也不同(圖1)，個體越大，使用時間越長。聲學標簽的聲波信號發射頻率范圍可設置為1000~6000HZ，即1~6s發射一個聲波信號，每發射一個聲波信號即可獲得一個軌跡點。聲學標簽設置的發射頻率均為唯一性，以此識別不同的試驗魚，可根據魚類個體大小和研究周期來選擇合適的聲學標簽類型以及參數[52]。

　　2.2基于聲學標簽系統的魚類運動軌跡應用

　　根據水域情況及監測范圍布設水聽器H1、H2、H3、H4，通過水聽器接收魚類身上聲學標簽發射的聲波信號來獲取魚類的運動軌跡。根據魚類運動軌跡實時監測結果(圖2)，分析魚類運動軌跡的變化以及軌跡點的密集程度，可以快速獲得魚類活動范圍、棲息地以及產卵場所等信息，為研究江河湖庫以及海洋等水域魚類的遷徙、洄游行為、魚類生活習性、魚類資源豐度評估、物種保護和棲息地恢復等提供準確的數據依據。

　　3聲學標簽系統的應用前景分析

　　3.1在水產養殖業中的應用

　　目前，魚類行為研究在水產養殖業中的應用成果相對較少，魚類在不同水環境中的各種行為響應可為水產養殖提供重要的指導信息[53,54]。聲學標簽監測技術在水產養殖業中的應用前景主要有以下兩個方面：(1)魚類運動行為的變化與水流速、水環境因子密切相關，可通過監測魚類的運動軌跡變化規律來掌握魚類的棲息場所，為人工繁殖和幼魚培育環境提供參考依據，達到提高幼魚成活率和質量的目的;(2)魚飼料投喂和污染物的排入會導致水質變化，而水中污染物濃度的變化直接影響魚類的運動行為。根據魚類的趨清性特點，當魚類表現出逃避行為且大多數都集聚于潔凈水域時，則表明水質遭受到污染。

　　相關期刊推薦：《水產學雜志》ChineseJournalofFisheries(季刊)1988年創刊，是國內公開發行的水產學綜合性刊物。其宗旨是為水產界和水生生物學界的科研、教學、生產及管理人員等提供科學技術交流的園地，傳播新成果、新技術信息，為促進水產科學技術的發展服務。設有：水產養殖、資源增殖、環境保護、魚病、育種、水生生物、漁業機械、魚品加工等欄目。

　　因此，通過連續測定魚類的運動軌跡，比較魚類當前運動軌跡與歷史運動軌跡的變化，實現漁業養殖水質環境的實時在線監測和預警，為提高漁業養殖的產量和質量提供實時可靠的數據依據[38]。

　　3.2在水利工程對魚類影響評價中的應用

　　水利工程建設將天然河道分隔成上、下兩個水環境單元，阻斷了魚類的洄游通道，影響下游魚類等生物的洄游能力、產卵場所、棲息地以及河道生物的多樣性。因此，聲學標簽系統在水利工程建設對魚類的影響、魚道過魚等課題的研究具有較好的應用前景，為水利工程建設對魚類等生物的影響評價提供參考依據。

　　3.3在水污染突發事故預警中的應用

　　在很多水污染事件中，最早發現水體受污染的不是當地的環保部門，而是生活在水域附近的漁民。因為魚類是水域污染情況的活“監測器”。當水體遭受污染時，首先出現響應的是長期生存于水中的魚類。在監測條件和水平有限情況下，魚類比環境監測更能實時有效和真實地反映水體的污染狀況。因此，監測魚類對水污染突發事故的早期預警具有其他檢測方法不可替代的優點。通過監測魚類在水體污染過程的行為軌跡以及游泳速度變化，對水污染突發事故進行預警以及水質污染風險進行評估。

　　3.4在水生態環境修復效果評價中的應用

　　目前，水生態環境修復技術研究已取得了很多的成果，還開展了相關的水生態修復效果評價研究。通常，評價所選取指標反映的是研究期間的實際情況，很難持續反映水生態環境的真實狀況。水生態環境修復是一個漫長的動態過程，能實時反映水生態環境健康狀況及修復效果的理論技術和方法研究成為水生態環境健康評價的發展方向。魚類長期生存于水環境中，隨著氣候、水溫、水質的改變而發生相應的行為響應。與通過物理化學的評價手段相比，通過魚類對水質變化的行為響應更能真實、實時和快速地反映水生態環境的健康狀況。根據魚類對水質變化的行為響應規律，確定魚類運動行為響應指標和影響魚類運動行為的敏感性水質指標，評價兩者相關性，并對水生態環境健康狀況做出合理性評價，為水生態修復效果評價提供參考依據。

　　4結語

　　隨著聲學信號監測技術越來越成熟，聲學標簽系統逐步成為研究魚類行為的主要監測方法。近幾年，聲學標簽系統逐漸引起廣泛關注并應用于魚類行為研究，但僅限于室內模擬研究以及野外水域試探性試驗。該技術具有監測水域范圍大、魚類運動軌跡監測準確、數據處理簡單等優勢，對獲得的魚類二、三維運動軌跡進行數據分析及應用，是一種較為先進的魚類行為監測手段及方法，對魚類行為相關研究具有廣闊的應用前景。——論文作者：黃月群1,2，李文菁1,2，黃壽琨1,2，董堃1,2