基于图像的测量是一种越来越实用、无侵入性的海洋环境取样方法。我们提出了一个下降相机调查的协议, 估计大西洋扇贝 (Placopecten magellanicus) 的丰度和分布。我们讨论如何将该协议推广到其他底栖无脊椎动物的应用。
水下成像技术长期以来一直被应用于海洋生态学领域, 但高分辨率相机和数据存储成本的降低使得该方法比以往更加实用。基于图像的调查允许重新审查最初的样本, 与通常涉及蚊帐或挖泥船的传统调查方法相比, 它们是无侵入性的。基于图像的调查协议可能会有很大差异, 但应由目标物种行为和调查目标驱动。为了证明这一点, 我们描述了我们最近的方法为大西洋扇贝 (Placopecten magellanicus) 下落照相机调查提供一个程序例子和典型的结果。该过程分为三个关键步骤, 包括调查设计、数据收集和数据产品。然后, 在推广该方法的背景下, 讨论了扇贝行为的影响以及对美国海扇贝资源进行独立评估的调查目标。总的来说, 马萨诸塞州大学达特茅斯学院海洋科技 (SMAST) 的广泛适用性和灵活性表明, 该方法可以推广并应用于各种无梗无脊椎动物或栖息地重点研究。
大西洋扇贝 (Placopecten magellanicus) 是一种海洋双壳软体动物, 分布在西北大西洋的大陆架上, 从加拿大的圣劳伦斯湾到北卡罗来纳州的哈特勒斯角,1。在过去的十五年中, 美国的海扇贝渔业在着陆和价值方面经历了空前的增长, 并已成为该国价值最高的渔业之一, 其着陆价值约为4.4亿美元, 2015年2。尽管这种情况有所增加, 但在过去20年中, 扇贝捕鱼的努力已大大减少, 这是因为实施了一个区域轮换系统, 目的是保护带幼扇贝的地区, 并在高的扇贝区集中捕鱼。密度1。这种管理方法要求关于扇贝密度和大小的空间特定的信息, 这是由几项调查提供的, 包括马萨诸塞州大学达特茅斯学院的海洋科学和技术 (SMAST) 下降相机调查。
SMAST 的目标是为渔业资源管理人员、海洋科学家和渔业社区提供对美国海扇贝资源及其相关生境的独立评估。这项调查是与扇贝渔民合作开发的, 并应用了基于潜水研究3,4的样方取样技术。2000s 早期的初步调查集中于估算被称为乔治银行5的渔业生产区封闭部分海域扇贝的密度, 但这项调查扩大到覆盖美国和加拿大的扇贝资源的大部分。水 (≈100,000 公里2)6,7。调查的资料已通过股票评估讲习班过程纳入扇贝库存评估, 并可靠地提供给新英格兰渔业管理委员会, 以协助8年的扇贝收获分配。此外, SMAST 的数据从许多方面贡献了了解非扇贝物种的生态学7,9,10,11,12和底栖生境的特征13,14,15。这种广泛的适用性表明, 该方法可以推广并应用于各种无梗无脊椎动物, 有可能有助于缓解无脊椎动物渔业扩张的问题, 超过科学知识和政策需要成功地管理他们16。此外, 与传统的人口抽样方法相比, 基于图像的取样是无侵入性的, 而且由于高分辨率相机和数据存储17、18的成本降低, 因此越来越容易负担得起。在这里, SMAST 下降相机调查的2017方法, 用于扇贝管理在美国部分的乔治银行被介绍为例证的程序。我们讨论这一程序背后的基本原理, 以帮助其推广和应用到其他无梗无脊椎动物。
调查设计协议是灵活的, 但在推广这些协议时, 考虑目标物种行为和调查目标至关重要。文献综述和初步或初步研究可用于将目标物种行为纳入调查设计。例如, 不到一个扇贝在12.5 米2 (0.08 扇贝/米2) 低于可持续的商业捕鱼密度23。因此, 通过抽样四样方每站, 空间站样本区是连接到检测扇贝的商业密度。此外, 海扇贝通常是聚集而不是随机分布在海底, 影响如何空间站间距影响密度估计精度24。几项研究使用平均值和方差数据从最初的研究审查了精确度并且确定5.6 公里是最大距离驻地应该被放置分开5,25,26。调查的系统抽样设计受调查目标的影响。在进行了21、27的调查之后, 该区的边界经常发生变化。系统抽样避免了在空间估计中影响随机分层或优化分配的测量设计20的边界后分层的严重问题。统一分配驻地也有助于探测新的扇贝招募和测绘海底沉积物和 macroinvertebrate 分布28。可能无法考虑目标物种行为和调查目标的一步是查明一艘调查船, 这就是议定书从这一步骤开始的原因。船只对海上取样是必不可少的, 并规定了调查设计的后续步骤。对于我们的议定书, 必须让商业捕鱼业促进调查方法的透明度和对调查结果的信心。使用商业渔船是一种有影响力的方式, 将工业纳入我们的方法, 以及允许大型、重型摄像设备和测量站在所需时间线内取样的船只的大小和能力。此外, 船主还负责所有与船只使用有关的费用, 并通过由国家海洋和大气管理局通过大西洋扇贝研究预留计划授予的扇贝镑的分配得到补偿。29. 虽然没有必要让工业界参与调查, 但在制定调查设计的其他方面之前, 必须考虑到现有船只的规模、能力和费用。
该协议的数据收集和处理方面具有最大的优势, 也是该方法的一个局限性。使用自定义软件和数据库来量化图像中的数据是一个很大的代价。然而, 使用这些产品的 SMAST 下降相机调查代表了一个程序的演变, 开始于 1999年, 并没有必要。例如, 当程序第一次启动时, 扇贝计数是用钢笔和纸制作的, 现在可用来测量图像中的自由软件。同样, 目前的数码静止相机被选中, 因为它能够检测所有大小的扇贝, 并允许约200% 放大, 而不损失图像质量 (图 3), 但低分辨率, 更便宜的相机早在调查中使用, 就能充分检测到商业规模30的扇贝。与调查设计协议一样, 摄像机的类型应与检测目标物种和实现调查目标所需的分辨率相关联。在每个工作站上捕获图像和录制视频比传统的调查方法提供了一个显著的优势, 它提供了持续的能力来重新访问样本, 并将分析扩展到分类或栖息地特征, 而不是最初跟踪或枚举。例如, SMAST 数据库中原先提到的沙美元和其他棘皮动物的图像被重新审视, 以便通过时间12来量化它们的丰度和生物量。相比之下, 从传统的调查方法, 如挖泥船或蚊帐的样本被丢弃在海上, 不能再被重新审视。但是, 允许大量图像被采集和存储的进展可能导致数以百万计的图像被收集, 只使用一小部分。这主要是由于时间和成本的限制, 因为需要人类进行数据抽取, 导致大量未用信息31。对动物和生境特性进行自动检测的进展可能有助于解决这一难题。
基于图像的测量方法可以为监测无脊椎动物和相关生境提供必要的数据, 但补充与采集生物样本的其他方法有关的协议是理想的。如果没有扇贝壳-高度肉重量关系, 由疏浚为基础的抽样创造, 生物量估计是不可能的。此外, 扇贝壳高度的肉类重量关系随时间和地点在乔治银行表明, 一贯更新的等式用来描述这种关系是有益的32。结合图像和物理样本技术也有助于探索每种方法的偏差和假设。用卡尺测量带相机图像的扇贝壳高度量化了与相机透镜曲率和距离从图像中心33相关的测量偏差。相反, 图像与疏浚拖曳的配对比较有助于确定海底扇贝的实际采集比例, 以及与扇贝大小6的比例变化。
水下成像技术已在海洋生态学领域应用了数十年17,34。然而, 高分辨率相机和数据存储的成本降低, 使得这种方法比以往更加实用。本文所描述的方法可以推广, 具有广泛的适用性, 有助于促进基于图像的调查的发展。更具体地说, 这些程序显示了如何利用结果来产生数据来帮助管理无柄无脊椎动物 (表 1-2), 并有助于更广泛地了解海洋环境7、9、10 ,11,12,13,14,15。
The authors have nothing to disclose.
多亏了学生、工作人员、船长和船员, 他们在这些研究旅行和提供船只的业主身上航行。感谢 t Jaffarian 开发实验室数据收集程序, Electromechanica, 开发现场软件和设备, 并 CVision 咨询开发图像注释器程序。资助由 NOAA 奖 NA17NMF4540043、NA17NMF4540034 和 NA17NMF4540028 提供。此处所表达的观点是作者的意见, 不一定反映 NOAA 的意见。
Bobcat, 43.3mm, F-Mount, 6600×4400, 1.9/2.4 fps, Color, GigE Vision | Imperx | PoE-B6620C-TF00 | Digital Still Camera |
Ace – EV76C560, 1/1.8", C-Mount, 1280×1024, 60fps, Color, CMOS, GigE | Basler | acA1300-60g | HD video camera |
Stock MV 40-25 Housing. Black Anodized Aluminum, 5.3" standard dome port, DBCR2008M connector | Sexton | MV 40-25 | Underwater housing for digital still camera |
Stock MV 25-25 Housing. Black Anodized Aluminum, 3.4" standard dome port, DBCR2008M connector | Sexton | MV 25-25 | Underwater housing for HD video camera |
Optical Slip Ring | MOOG | 180-2714-00 | Transmission of power and electrical signals to rotating cable on winch |
Fiber Optic Cable | Cortland | OCG0010 | Transmission of power and electrical signals from junction box to vessel deck/wheelhouse |
Wheelhouse Run | Electromechanica | EM0117-02 | Segment of fiber optic wire adapted to plug into optical slip ring on one end and light power and computer on the other |
Underwater Junction Box | Electromechanica | EM0117-01 | Connection of power and electrical signals from camera and lights to hybrid cable |
Camera Cable | SubConn | DIL8F/LS2000/10FT/LS2000/DIL8M | Transmission of power and electrical signals from camera to junction box |
Light Cable | SEACON | HRN-S0484 | Transmission of power and electrical signals from lights to junction box |
Desktop Computer | Various | Custom | Windows based operating system with fiber optic interface |
Hydraulic Winch | Diversified Marine | Custom | Tension sensitive winch for deployment and retrieval of fiber optic cable |
Steel Pyramid | Blue Fleet Welding | Custom | Apparatus for deploying cameras and lights |
Steel Davit | Blue Fleet Welding | Custom | Suspends fiber optic cable over the side of the vessel |
Fiberglass sheave in metal housing | Diversified Marine | Custom | Attaches to davit, guides fiber optic cable over the side of the vessel and into the water |
Sealight Sphere 6500, Day Light White, Flood | DeepSea Power & Light | 712-045-201-0A-01 | Underwater LED light |
GPSMAP 78 | Garmin | 01-00864-00 | Global Positioing System device |
ArcPad 10.2 | ESRI | N/A | Mobile field mapping program |
Undersea Vision Acquisition System | Electromechanica | UVAS | Field data collection program |
Digitzer | University of Massachusetts, Dartmouth | N/A | Lab data collection program |
FishAnnotator | Cvision Consulting | 0.3.0 | Image annotator program |
ArcMap 10.4 | ESRI | N/A | Mapping software |