Opracowanie nowych metod ilościowego określania zagęszczenia ryb za pomocą podwodnych narzędzi stereo-wideo
20 listopada 2017
Opisujemy nową metodę liczenia ryb oraz szacowania względnej obfitości (MaxN) i gęstości ryb za pomocą obrotowych systemów kamer stereo-video. Pokazujemy również, jak wykorzystać odległość od kamery (odległość Z) do oszacowania wykrywalności specyficznej dla gatunku.
Ogólnym celem tej techniki analizy wideo jest dokładniejsze oszacowanie zagęszczenia, średniej długości i składu gatunkowego ryb w głębokich siedliskach skalistych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie zarządzania rybołówstwem, takie jak liczebność i rozkład wielkości gatunków zamieszkujących głębokowodne rafy skaliste. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia dokładniejsze oszacowanie zagęszczenia bez wydobywania ryb ze środowiska.
Przed przystąpieniem do tej procedury należy zebrać dane terenowe zgodnie z opisem w protokole tekstowym. W stereofotogrametrii znajomość dokładnego względnego położenia kamer jest ważna dla dokładnych pomiarów. Właściwa kalibracja jest ważnym krokiem w tym procesie.
Po zakończeniu badania terenowego utwórz nowy folder projektu zawierający zarówno pliki wideo, jak i pliki kalibracyjne. W oprogramowaniu do pomiaru stereo przejdź do Pomiar, Nowy plik pomiaru. Ustaw katalog obrazów, przechodząc do pozycji Obraz.
Ustaw katalog obrazów, a następnie wybierz folder zawierający wszystkie pliki projektu. Przejdź do Stereo, Kamery, Po lewej, a następnie Załaduj plik kamery, aby wybrać i załadować odpowiedni plik lewej kamery. Powtórz ten proces, wybierając opcję W prawo, aby załadować odpowiedni plik z kamery.
Następnie przejdź do Obraz, Zdefiniuj sekwencję filmu. Wybierz plik wideo z lewej kamery, aby zdefiniować sekwencję filmów dla lewego filmu. Kliknij Obraz, Załaduj obraz, aby załadować lewy plik wideo do oprogramowania pomiarowego.
Następnie kliknij Stereo, Obraz, Zdefiniuj sekwencję filmową, aby zdefiniować sekwencję filmu dla odpowiedniego filmu. Załaduj plik wideo, wybierając Stereo, Zdjęcie, a następnie załaduj wideo. Przejdź do Pomiar, Atrybuty, Edytuj plik załaduj gatunek, aby załadować listę gatunków.
Kliknij opcje Miara, Pola informacji, Edytuj wartości pól, aby otworzyć tabelę wartości pól informacyjnych. Wprowadź informacje o identyfikatorze ankiety i zapisz plik, aby utworzyć projekt obserwacji miary zdarzenia. Jeśli używasz znacznika czasu UTC, przesuń klatkę do przodu w lewym filmie, aż znacznik czasu rozpocznie nową sekundę lub gdy nastąpi lekki błysk lub klaskanie w dłonie.
Klatka kroku prawego filmu do przodu do przodu, aż sygnatura czasowa, lampka błyskowa lub klaskanie w dłoń dokładnie pasuje do lewego filmu. Następnie kliknij przycisk Zablokuj, aby upewnić się, że filmy są odtwarzane razem i zachowują synchronizację. Jak tylko lądownik rozpocznie swój pierwszy obrót, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz Definicje okresów, Dodaj nowy okres początkowy, aby zdefiniować nowy okres próbkowania.
Wprowadź zero jeden jako nazwę pierwszego okresu i kliknij przycisk OK. Podczas obracania lądownika oznacz każdą rybę, która znajdzie się w kadrze, punktem 2D, klikając prawym przyciskiem myszy, wybierz Dodaj punkt i wybierz właściwą nazwę gatunku. Oznacz etykietą najniższy możliwy poziom taksonomiczny, a następnie kliknij przycisk OK. Kontynuuj oznaczanie każdej nowej ryby, aż do zakończenia rotacji. Bardzo ważne jest, aby zidentyfikować i policzyć każdą rybę, aby uzyskać dokładne oszacowanie MaxN.
Powtórz ten proces dla dodatkowego obrotu lądownika, upewniając się, że na początku każdego z nich zostanie zdefiniowany nowy okres. Po wyliczeniu wszystkich obrotów przejdź do Pomiar, Podsumowania pomiarów, Pomiary punktowe i zapisz punkty 2D jako plik TXT. Otwórz ten plik jako arkusz kalkulacyjny.
Przejdź do opcji Wstaw, Tabela przestawna, aby utworzyć tabelę przestawną. Wybieranie opcji Rodzaj i Gatunek dla etykiety wiersza i Okres dla etykiety kolumny. Wybierz obrót kamery, który ma największą liczbę osobników dla danego gatunku, aby wybrać MaxN dla tego gatunku.
W przypadku ryb zidentyfikowanych tylko do rodzaju należy wybrać MaxN na poziomie rodzaju na podstawie rotacji, w której zidentyfikowano największą liczbę osobników dla gatunku w tym konkretnym rodzaju. Następnie użyj zapisanych punktów 2D, aby nawigować do dokładnie tej samej ryby do pomiaru 3D. Powiększ obraz co najmniej cztery razy, aby lepiej zidentyfikować czubek pyska ryby i krawędzie płetw ogonowych.
Ręcznie kliknij na czubek pyska, a następnie krawędź ogona w lewej kamerze. Powtórz wybór w tej samej kolejności w prawym filmie. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy, wybierz Dodaj długość i wybierz prawidłowe oznaczenie gatunku.
Jeśli pomiar długości 3D nie jest możliwy, kliknij lewym przyciskiem myszy w tej samej pozycji na rybie w obu filmach, aby zaznaczyć punkt 3D. Wypełnij pola informacyjne, pozostawiając komentarz Wyklucz z pomiaru długości. Po wykonaniu pomiarów 3D dla wszystkich ryb przejdź do Pomiaru, Podsumowań pomiarów oraz Pomiary punktów i długości 3D.
Zapisz dane jako plik TXT, aby wyeksportować je do dalszej analizy. Następnie ustal, czy uzyskano odpowiednie próbki, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. W tym badaniu podwodne narzędzia stereo wideo są wykorzystywane do ilościowego określania gęstości ryb.
Istnieją wyraźne wzorce w wykrywalnym zakresie obserwowanych gatunków, co prawdopodobnie wynika z interakcji wielkości, kształtu i ubarwienia każdego gatunku. Obliczenia odległości 95%Z są następnie wykonywane w szczególności dla dwóch gatunków. W przypadku Sebastes wilsoni i Ophiodon elongatus odległość 95%Z wynosi 2,65 metra dla Sebastes wilsoni i 3,96 metra dla Ophiodon elongatus, co przekłada się na efektywne obszary pomiarowe wynoszące odpowiednio 18,6 metra kwadratowego i 46 metrów kwadratowych.
Prosta analiza bootstrap potwierdza, że uzyskuje się wystarczającą wielkość próby, ponieważ oszacowanie odległości 95%Z dla obu próbek stabilizuje się, gdy próbkowanych jest ponad 50 ankiet. Maksymalna liczba N na badanie jest następnie przeliczana na gęstości. W przypadku obu gatunków zagęszczenie jest znacznie większe w siedliskach o wysokiej i średniej rzeźbie w porównaniu z siedliskami o niskiej rzeźbie.
Oszacowania gęstości dla pseudostacjonarnego lądownika są ustandaryzowane przy użyciu zredukowanych obszarów pokrycia. Średnie gęstości uzyskane przez kamerę obrotową są o 18% większe niż te uzyskane przy użyciu kamer stacjonarnych. Ponadto współczynnik zmienności jest 1,8 raza większy w przypadku korzystania z kamer stacjonarnych.
Po opanowaniu technika ta może być używana do liczenia i mierzenia ryb w zaledwie kilka minut, jeśli jest prawidłowo wykonana. Wykonując tę procedurę, należy pamiętać, że wartości 95%Z są specyficzne dla narzędzia i ankiety. A konkretne wartości nie powinny być używane uniwersalnie.
Zgodnie z tą procedurą można przeprowadzić różne statystyki wielowymiarowe lub porządkowe, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące składu gatunkowego w różnych typach siedlisk. Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku lepszego zrozumienia ekologii gatunków głębokowodnych skalistych raf, ponieważ obecne mechanizmy badawcze zapewniają jedynie słabe zrozumienie długości i liczebności ryb. Uważa się, że technika ta może zapewnić wgląd w głębokowodne siedliska morskie, ale może być również przydatna w innych systemach, takich jak rafy koralowe i lasy wodorostów.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały trudności, ponieważ wymaga ona zrozumienia geometrii systemów kamer stereo. Wizualna demonstracja tej techniki jest pomocna, ponieważ obliczanie MaxN pochodzi z różnych danych, a zatem wymaga wielu kroków w oprogramowaniu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia nową metodę zliczania ryb oraz szacowania ich względnej liczebności i zagęszczenia z wykorzystaniem obrotowych systemów kamer stereo-wideo. Technika ta zwiększa dokładność wykrywalności poszczególnych gatunków poprzez uwzględnienie odległości od kamery.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Zarządzanie rybołówstwem
- Ekologia morska
- Techniki analizy wideo
Wprowadzenie
- Dokładna ocena zagęszczenia i składu gatunkowego ryb jest kluczowa dla efektywnego zarządzania rybołówstwem.
- Tradycyjne metody często wiążą się z odłowem ryb, co może być szkodliwe dla populacji.
- Obrotowe systemy stereo-video stanowią nieinwazyjną alternatywę dla monitorowania populacji ryb.
- Kalibracja systemów kamer jest niezbędna do uzyskania precyzyjnych pomiarów.
Cel badania
- Opracowanie metody pozwalającej na dokładną ocenę zagęszczenia ryb w głębokich siedliskach skalistych.
- Ocena rozkładu wielkości oraz liczebności gatunków ryb w tych środowiskach.
- Pogłębienie wiedzy na temat składu gatunkowego bez wyrządzania szkód rybom.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie obrotowych systemów kamer stereo-wideo do liczenia ryb.
- Szacowanie względnej liczebności (MaxN) oraz zagęszczenia ryb.
- Uwzględnienie odległości od kamery (odległość Z) w analizie wykrywalności.
- Gromadzenie danych terenowych zgodnie z opisanymi protokołami.
Główne wyniki
- Metoda ta zapewnia dokładniejsze szacunki zagęszczenia w porównaniu z tradycyjnymi technikami.
- Wykrywalność specyficzna dla gatunków została poprawiona poprzez uwzględnienie odległości kamery.
- Wyniki wskazują na kompleksowe zrozumienie populacji ryb w głębokowodnych rafach skalnych.
- Technika została zwalidowana poprzez kalibrację i analizę danych terenowych.
Wnioski
- Ta nowa metoda stanowi znaczący postęp w nieinwazyjnej ocenie populacji ryb.
- Może ona służyć jako podstawa do podejmowania decyzji w zakresie zarządzania rybołówstwem i działań na rzecz ochrony przyrody.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć zakres jej zastosowań na inne siedliska morskie.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna kwantyfikacja populacji biologicznych stanowi fundament walidacji celów oraz opracowywania modeli przedklinicznych w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym. Niniejsza metoda demonstruje, w jaki sposób nieinwazyjne obrazowanie o wysokiej rozdzielczości może zwiększyć pewność prognostyczną w charakteryzacji układów biologicznych. Poprzez standaryzację progów wykrywalności i redukcję zmienności pomiarów, metoda ta wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego w wczesnych etapach procesów odkrywania leków.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez biologicznych poprzez precyzyjne mapowanie przestrzenne wiązania celu w złożonych środowiskach tkankowych.
- Wartość operacyjna: Ogranicza konieczność pobierania próbek w sposób destrukcyjny, co pozwala zachować integralność materiału do analiz podłużnych.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność dotyczącą celu poprzez minimalizację wyników fałszywie ujemnych podczas wykrywania celów o niskiej liczebności.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia ilościowe odczyty z rozdzielczością 3D dla zmian fenotypowych wywołanych związkami w systemach modelowych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje wyniki testów poprzez progi wykrywalności specyficzne dla gatunku, co zwiększa powtarzalność między laboratoriami.
- Skalowalność: Wspiera wysokoprzepustowe badania obrazowe (high-content screening) dzięki zautomatyzowanej rotacji i zsynchronizowanemu przechwytywaniu danych z wielu kamer.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia modelowanie systemów istotnych dla przebiegu chorób poprzez korelację rozkładu przestrzennego z odczytami funkcjonalnymi w nienaruszonych mikrośrodowiskach.
- Wartość operacyjna: Ułatwia współpracę międzyfunkcyjną dzięki ustandaryzowanym, eksportowalnym formatom pomiarów (TXT, tabele przestawne).
- Ciągłość translacyjna: Wspiera dopasowanie biomarkerów poprzez powiązanie zmian morfologicznych z przesunięciami gęstości przestrzennej w czasie.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków, od walidacji celu po optymalizację związku wiodącego, gdzie kwantyfikacja przestrzenna dostarcza informacji na temat mechanizmu działania oraz zależności struktura-aktywność.
- Biologia odkrywcza: Wspiera wyjaśnianie ścieżek poprzez umożliwienie analizy ko-lokalizacji wielu biomarkerów w przestrzeni 3D.
- Screening: Zapewnia gotowość testów dzięki zsynchronizowanemu przechwytywaniu wideo i ekstrakcji MaxN na poziomie gatunku w każdym okresie obrotu.
- Analityka: Generuje ilościowe zmienne zależne (długość 3D, gęstość, MaxN), umożliwiając porównania statystyczne pomiędzy różnymi warunkami eksperymentalnymi.
- Badania translacyjne: Łączy z walidacją przedkliniczną poprzez szacunki gęstości stratyfikowane według siedliska, które odzwierciedlają heterogeniczność mikrośrodowiska tkankowego.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku ramy kalibracji i synchronizacji, które można zastosować w różnych systemach modelowych i platformach obrazowania.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna, walidacja celu, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w biologii przestrzennej.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność dzięki zablokowanej synchronizacji wideo oraz mapowaniu plików gatunków.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go, efektywność kapitałowa i zmniejszone ryzyko biologiczne na późnych etapach dzięki wczesnemu profilowaniu wykrywalności.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja skorygowana o ryzyko oraz decyzje dotyczące rozwoju oparte na znormalizowanych względem siedliska, standaryzowanych metrykach gęstości.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy z zakresu stereofotogrametrii oraz synchronizacji wielu kamer w celu dokładnego pomiaru odległości w osi Z.
- Zależność od skalibrowanych systemów kamer stereo oraz oprogramowania pomiarowego umożliwiającego ekstrakcję punktów 3D i długości.
- Konieczność międzyzespołowej standaryzacji protokołów identyfikacji gatunków oraz schematów definiowania okresów.
- Uwzględnienie kwestii adaptacyjnych w odniesieniu do zróżnicowanych właściwości optycznych (rozmiar, kształt, ubarwienie) wpływających na wykrywalność w różnych systemach modelowych.
- Ograniczenie wynikające z obciążenia ręczną adnotacją podczas zdarzeń o wysokiej gęstości, co wskazuje na możliwość integracji półautomatycznego śledzenia.
