发布时间：2021-09-25所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要：监测鱼类行为常用计算机视觉监测和声学信号监测技术两种方法。本文分析对比了这两种监测技术的应用。基于计算机视觉的鱼类行为监测技术是通过摄像机来记录鱼类的行为，但该方法存在数据处理难度大、误差大和数据不连续等缺点，主要以定性分析为主。声
摘要：监测鱼类行为常用计算机视觉监测和声学信号监测技术两种方法。本文分析对比了这两种监测技术的应用。基于计算机视觉的鱼类行为监测技术是通过摄像机来记录鱼类的行为，但该方法存在数据处理难度大、误差大和数据不连续等缺点，主要以定性分析为主。声学标签系统是声学监测技术的一种主动识别方法，具有原位观察、定位准确、数据处理简单和数据连续性好等优点，可直接获得鱼类的二、三维运动轨迹等量化指标。基于声学标签系统的研究现状，提出了声学标签鱼类行为监测技术在渔业养殖、水利工程、水生态学等多门学科交叉的应用前景。
关键词：鱼类运动行为;声学标签;水听器;监测技术;应用前景
研究鱼类行为的试验方法主要有水槽模拟试验、现场实测和渔获试验[1]，其中水槽模拟试验是研究鱼类行为最常用的方法，主要用于水动力条件变化和水质变化对鱼类行为的影响研究。鱼类行为反应直观、快速，研究鱼类的应激反应、洄游以及栖息等行为，为保护渔业资源、鱼类栖息地评估以及提高鱼类捕捞效率具有重要的指导意义。传统的鱼类行为监测手段主要以视频形式进行记录，从拍摄的视频、图片中提取鱼类的运动轨迹、运动方向和游泳速度等数据，但鱼类三维运动轨迹坐标的运算及提取过程比较繁杂，费时且精度低。因此，快速、高效地获取鱼类三维运动轨迹数据成为研究鱼类运动行为的热点。本文对比分析了鱼类运动轨迹常用监测方法，旨在提出一种快速、实时、准确获取鱼类运动轨迹的监测方法。
1鱼类行为监测技术研究进展
1.1基于计算机视觉的鱼类行为监测技术
计算机视觉技术利用摄像设备拍摄鱼类的行为。该技术能在鱼类不受干扰情况下观察、记录和分析鱼类的行为，广泛应用于渔业养殖和水质监测、预警领域，取得了一定的研究成果。如采用视觉监测技术研究渔业养殖中鱼类的性别和质量检测[2]、鱼类状态监测[3]、鱼类行为识别[4]和体色生理变化[5]等。在水质监测和预警领域，通过建立计算机视觉的水质在线监测系统[6-10]，研究鱼类的行为变化[11-13]，实现对水质的监测和预警[14-15]。
通过视觉监测技术研究鱼类的运动行为轨迹[16,17]，根据鱼类运动行为轨迹的变化来对水质进行评价和预警[18]。将视频图像转换成三维运动轨迹数据的常用方法有双像合成法、结构光扫描法、调相法、层析法、探头跟踪法和激光扫描法等，其中最常用的是双像合成法。根据双目成像原理把拍摄的图像通过图像坐标系转换到世界坐标系并生成三维图像。该方法虽然检测速度快、精度高，但是结构复杂、数据处理繁琐[20]。
1.2基于声学信号的鱼类行为监测技术
随着生物监测技术及手段的不断发展，声学信号监测技术也逐渐应用于鱼类资源丰度、分布密度和生理行为等研究。声学信号监测技术是通过接收声波信号来监测鱼类行为的一种方法，主要有被动声学法和主动声学法[21]。被动声学法是通过对鱼类发出的声波信号进行探测和识别。该方法对研究对象没有损伤，可长期监测[22]，但受水域环境以及噪声的影响较大，很难准确地识别到鱼类发出的声波信号，具有一定的局限性。主动声学法是通过对声波设备发射的声波信号进行探测和识别。该方法受水域环境影响小、应用范围广，是当今国内外研究和应用最广泛的一种监测方法[23]。
目前，基于声学信号的鱼类行为监测技术主要应用于鱼类种群识别、鱼类资源丰度、结构组成、分布密度、迁徙行为以及栖息地变化等调查与评估。常见的监测设备主要有鱼探仪，其通过换能器发射一定频率的声波信号，当声波遇到不同于水的介质如鱼群或水域障碍物时部分信号会返射回来，记录、分析和处理返射的声波信号后可确定鱼群位置以及大小等信息。鱼探仪在鱼类资源丰度调查[24-29]、时空分布情况[30-34]和活动规律[35-37]等研究中取得了较多的成果，但该技术仅限于对鱼群的种类、大小和距离的探测，无法准确获得鱼类的位置和运动轨迹[38]。
声学标签系统是声学信号监测技术的一种主动声学法。采用该技术可研究鱼类生活习性、鱼类资源丰度评估、鱼类迁徙及洄游行为、环境变化对鱼类生活习性的改变、物种保护和栖息地恢复等。国外对声学标签系统的应用研究成果主要有鱼类游泳模式[39]、鱼类栖息地变化特征[40-42]、鱼类产卵场所[43]、鱼类生存[44]以及鱼类行为差异[45]等。还对鱼类运动轨迹监测数据进行数量统计和分析[46]，为鱼类运动行为模型的构建提供数据依据。该技术在中国的应用研究成果较少，主要有鱼类在不同生境的运动行为变化[47,48]、栖息地变迁[49]以及水利工程建设对鱼类洄游能力[50]和鱼类游泳轨迹[51]等的研究。
1.3两种监测技术的对比分析
基于计算机视觉的鱼类行为监测技术是通过视频拍摄、图片观察以及手工记录为主，观察和描述鱼类的生理和行为特征。目前，以鱼类为监测对象的水质监测系统，大都通过摄像机观察分析鱼类运动行为的变化来实现对水质的监测及预警，但通过处理视频、图像来提取鱼类的三维运动轨迹数据难度较大、误差大且数据连续性差，导致鱼类水质监测系统存在较大偏差。因此，基于计算机视觉的鱼类行为监测技术基本处于“定性”分析阶段，很难得到鱼类运动行为的量化指标。
声学标签系统通过监测标签发射的声波信号，可实时、快速且准确获得鱼类的三维运动轨迹，实现对鱼类运动行为特征的定性与量化。利用该系统可24h实时监控鱼类在水域内的运动轨迹，与传统的计算机视频监测技术相比，具有原位观察、定位准确、数据处理简单和数据连续性好等优势，可直接获得鱼类的二、三维运动轨迹等量化指标，为大水域鱼类行为的监测与研究提供准确数据依据。
2声学标签系统
2.1系统工作原理
声学标签监测系统由声学标签(AcousticTag，也叫声学信号发射器)、水听器(Hydrophone，简写为H1、H2、H3、H4，用于监测声学标签发射的声波信号)、信号接收器、数据采集及处理软件和电脑组成。其工作原理是将水听器固定在两个不同水平面上，并设置水听器放置点的三维坐标以及相关参数。通过水听器接收移植或捆绑于试验鱼身上的声学标签发射的声波信号(图1)，并将声波信号传输至信号接收器，经过计算机终端去噪处理后即可得到鱼类由某一点游至另一点的运动轨迹。4个水听器监测的水域范围约为0.5km，如监测范围为河流等线状水域可线状布设多个水听器(图2)，如监测范围为大水域，可根据水域情况布设多个水听器。也可将水听器固定于测船上，但测船更换位置则需要重新设置水听器坐标[38]。
不同规格的声学标签大小、重量和使用时长也不同(图1)，个体越大，使用时间越长。声学标签的声波信号发射频率范围可设置为1000~6000HZ，即1~6s发射一个声波信号，每发射一个声波信号即可获得一个轨迹点。声学标签设置的发射频率均为唯一性，以此识别不同的试验鱼，可根据鱼类个体大小和研究周期来选择合适的声学标签类型以及参数[52]。
2.2基于声学标签系统的鱼类运动轨迹应用
根据水域情况及监测范围布设水听器H1、H2、H3、H4，通过水听器接收鱼类身上声学标签发射的声波信号来获取鱼类的运动轨迹。根据鱼类运动轨迹实时监测结果(图2)，分析鱼类运动轨迹的变化以及轨迹点的密集程度，可以快速获得鱼类活动范围、栖息地以及产卵场所等信息，为研究江河湖库以及海洋等水域鱼类的迁徙、洄游行为、鱼类生活习性、鱼类资源丰度评估、物种保护和栖息地恢复等提供准确的数据依据。
3声学标签系统的应用前景分析
3.1在水产养殖业中的应用
目前，鱼类行为研究在水产养殖业中的应用成果相对较少，鱼类在不同水环境中的各种行为响应可为水产养殖提供重要的指导信息[53,54]。声学标签监测技术在水产养殖业中的应用前景主要有以下两个方面：(1)鱼类运动行为的变化与水流速、水环境因子密切相关，可通过监测鱼类的运动轨迹变化规律来掌握鱼类的栖息场所，为人工繁殖和幼鱼培育环境提供参考依据，达到提高幼鱼成活率和质量的目的;(2)鱼饲料投喂和污染物的排入会导致水质变化，而水中污染物浓度的变化直接影响鱼类的运动行为。根据鱼类的趋清性特点，当鱼类表现出逃避行为且大多数都集聚于洁净水域时，则表明水质遭受到污染。
相关期刊推荐：《水产学杂志》ChineseJournalofFisheries(季刊)1988年创刊，是国内公开发行的水产学综合性刊物。其宗旨是为水产界和水生生物学界的科研、教学、生产及管理人员等提供科学技术交流的园地，传播新成果、新技术信息，为促进水产科学技术的发展服务。设有：水产养殖、资源增殖、环境保护、鱼病、育种、水生生物、渔业机械、鱼品加工等栏目。
因此，通过连续测定鱼类的运动轨迹，比较鱼类当前运动轨迹与历史运动轨迹的变化，实现渔业养殖水质环境的实时在线监测和预警，为提高渔业养殖的产量和质量提供实时可靠的数据依据[38]。
3.2在水利工程对鱼类影响评价中的应用
水利工程建设将天然河道分隔成上、下两个水环境单元，阻断了鱼类的洄游通道，影响下游鱼类等生物的洄游能力、产卵场所、栖息地以及河道生物的多样性。因此，声学标签系统在水利工程建设对鱼类的影响、鱼道过鱼等课题的研究具有较好的应用前景，为水利工程建设对鱼类等生物的影响评价提供参考依据。
3.3在水污染突发事故预警中的应用
在很多水污染事件中，最早发现水体受污染的不是当地的环保部门，而是生活在水域附近的渔民。因为鱼类是水域污染情况的活“监测器”。当水体遭受污染时，首先出现响应的是长期生存于水中的鱼类。在监测条件和水平有限情况下，鱼类比环境监测更能实时有效和真实地反映水体的污染状况。因此，监测鱼类对水污染突发事故的早期预警具有其他检测方法不可替代的优点。通过监测鱼类在水体污染过程的行为轨迹以及游泳速度变化，对水污染突发事故进行预警以及水质污染风险进行评估。
3.4在水生态环境修复效果评价中的应用
目前，水生态环境修复技术研究已取得了很多的成果，还开展了相关的水生态修复效果评价研究。通常，评价所选取指标反映的是研究期间的实际情况，很难持续反映水生态环境的真实状况。水生态环境修复是一个漫长的动态过程，能实时反映水生态环境健康状况及修复效果的理论技术和方法研究成为水生态环境健康评价的发展方向。鱼类长期生存于水环境中，随着气候、水温、水质的改变而发生相应的行为响应。与通过物理化学的评价手段相比，通过鱼类对水质变化的行为响应更能真实、实时和快速地反映水生态环境的健康状况。根据鱼类对水质变化的行为响应规律，确定鱼类运动行为响应指标和影响鱼类运动行为的敏感性水质指标，评价两者相关性，并对水生态环境健康状况做出合理性评价，为水生态修复效果评价提供参考依据。
4结语
随着声学信号监测技术越来越成熟，声学标签系统逐步成为研究鱼类行为的主要监测方法。近几年，声学标签系统逐渐引起广泛关注并应用于鱼类行为研究，但仅限于室内模拟研究以及野外水域试探性试验。该技术具有监测水域范围大、鱼类运动轨迹监测准确、数据处理简单等优势，对获得的鱼类二、三维运动轨迹进行数据分析及应用，是一种较为先进的鱼类行为监测手段及方法，对鱼类行为相关研究具有广阔的应用前景。——论文作者：黄月群1,2，李文菁1,2，黄寿琨1,2，董堃1,2
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