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Koi-Fische (Cyprinus carpio var. koi) sind Zierarten des gewöhnlichen Karpfen, die wegen ihrer lebendigen Farben, markanten Muster, eleganten Körperform und anmutigen Schwimmen geschätzt werden. Ihre Schönheit und fließenden Bewegungen machen sie weltweit zu einer beliebten Wahl für Gartenteiche und dekorative Wasserfunktionen.
Die Aufrechterhaltung einer guten Wasserqualität in Teichen unterstützt nicht nur das aquatische Leben, sondern trägt auch zur Reduzierung der CO₂-Emissionen bei und profitiert damit der Umwelt 1,2. Die Aufrechterhaltung der Wasserqualität durch die Einhaltung etablierter Standards für Parameter wie pH-Wert, Temperatur, gelösten Sauerstoff, Salzgehalt, Ammoniak (NH3), Nitrat (NO3), Stickstoffdioxid (NO2), Eisen (Fe) und Phosphat (PO43-) hat sich als ideal für Koi-Fisch3 erwiesen. Die Wasserqualität kann tatsächlich anhand von Bildern bewertet werden. Visuelle Indikatoren wie Wasserklarheit, das Vorhandensein von Ablagerungen oder Algen, Farbe und Oberflächentextur4 können nützliche Informationen über den Zustand des Wassers liefern. Bhatnagar et al. und Andrian et al. 5,6 geben Richtlinien für die Teichfischkultur und besagen, dass hellgrünes bis hellgrünes Wasser im akzeptablen Bereich für das Fischwachstum liegt. Hellgrünes bis hellbraunes klares Wasser gilt als wünschenswertes Reichweite, während dunkelgrünes und braunes Wasser für gesunde Teichbedingungen ungeeignet sind
In Koi-Teich-Ökosystemen umfasst die umfassende Wasserqualitätsbewertung eine Reihe physikalischer, chemischer und biologischer Parameter. Häufig gemessene Indikatoren sind Temperatur, pH-Wert, Wasserhelligkeit (Secchi-Tiefe, cm), gelöster Sauerstoff (DO), gesamte organische Substanz (TOM), Kohlendioxid (CO₂), Orthophosphat, Ammoniak, Nitrat, biologischer Sauerstoffbedarf (BOD), Gesamtschwebstoffe (TSS) und chemischer Sauerstoffbedarf (COD). Diese Parameter bilden zusammen ein multidimensionales Profil der aquatischen Gesundheit, das sowohl die ökologische Bewertung als auch die Managemententscheidungen unterstützt7. Zur Bewertung der Wasserqualität werden Sensoren für diese Parameter in Teichen eingesetzt, wie von Hemal, Md Moniruzzaman et al.8 demonstriert. pH-Sensor, Trübungssensor und Temperatursensoren zur Klassifizierung der Wasserqualität. Parasar et al.9 präsentierten Abfallerkennung und Wasserqualitätsbewertung in aquatischen Umgebungen. Der betrachtete Datensatz umfasst eine umfangreiche Sammlung von Süßwasserprobenaufzeichnungen mit insgesamt etwa 60 Millionen Einträgen. Diese Unterlagen umfassen verschiedene Eigenschaften und Qualitätsmaße. Zu den Eigenschaften gehören pH-Werte, Konzentrationen von Eisen, Nitrat, Chlorid, Blei, Zink, Trübung, Fluorid, Kupfer, Sulfat, Chlor, Mangan, Gesamtlösungsstoffe und das Trinkbarkeitsetikett, das als Zielvariable für die Wassertrinkbarkeit dient.
Bildbasierte Methoden zur Wasserqualitätsklassifikation bieten eine schnelle, kosteneffiziente und skalierbare Alternative zu traditionellen laborbasierten Ansätzen. Diese Methoden basieren auf visuellen Hinweisen, die mit physikalischen, chemischen oder biologischen Indikatoren der Wasserqualität korreliert werden können. Im Großen und Ganzen lässt sich bildbasierte Wasserqualitätsüberwachung in zwei Kategorien einteilen: Bilder der Wasseroberfläche10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 und Unterwasserbilder17.
Oberflächenaufnahmen erfassen den sichtbaren Teil von Gewässern und können von bodengestützten Kameras, Drohnen (UAVs), Flugzeugen oder Satelliten gewonnen werden. Ein großer Vorteil ist die häufige Erwerbung, die sich für Trendanalysen eignet. Eine bedeutende Einschränkung ist die Begrenzung der oberflächensichtbaren Parameter; Untergrundbedingungen müssen indirekt abgeleitet werden. Unterwasserbilder werden mit untergetauchten Kameras, ferngesteuerten Fahrzeugen (ROVs) oder tauchbetriebenen Systemen erfasst. Vorteile sind die direkte Visualisierung der unterirdischen Bedingungen, eine bessere Detektion von Schwebmaterie und Unterwasserorganismen. Einschränkungen sind eine begrenzte Raumabdeckung, die Abhängigkeit von künstlicher Beleuchtung in trüben oder tiefen Gewässern sowie höhere Gerätekosten.
Die Klassifikation hochwertiger Unterwasserbilder in Flüssen wurde von Zhou, Han et al.17 vorgeschlagen. Die Klassifikation verwendet Histogramme von Bildfarben und verwendet zwei maschinelle Lernalgorithmen: K-Nearest Neighbor (KNN) und Random Forest (RF). Diese Algorithmen werden verwendet, um Wasser entweder als akzeptabel oder gefährlich einzustufen. Die Genauigkeit für akzeptables Wasser beträgt 98,93 %, für gefährliches Wasser 95,25 %. Die Überwachung der Wasserqualität wurde umfassend mit Internet-of-Things-(IoT)-basierten Architekturen untersucht, die kontinuierliche Messungen, Datenübertragung 18,19,20,21,22 und Fernanalysen aquatischer Umgebungen ermöglichen. Verwandte Studien haben außerdem gezeigt, dass sensorgesteuerte Überwachung und Umweltinterventionen dazu beitragen können, die Auswirkungen der städtischen Wärmeinseln abzumildern und den thermischen Komfort im Innenraum zu verbessern 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18 ,19,20,21,22,23,24. Dieses vorgeschlagene Protokoll beschreibt ein Echtzeitsystem zur Überwachung der Wasserqualität von Koi-Teichen, indem Unterwasserbilder mit einer Aktionskamera mit eingebettetem Netzwerk aufgenommen und Wasserbedingungen mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk (ANN) klassifiziert werden. Die ANN wird eingesetzt, weil sie geringe Rechenressourcen benötigt und somit für die Echtzeitimplementierung geeignet ist.

Abbildung 1: Blockdiagramm der vorgeschlagenen Echtzeit-Methodik zur Bewertung von Teichwasser: Dieses Diagramm zeigt den schrittweisen Prozess von der Datenerfassung bis zur Analyse und zeigt den Gesamtrahmen zur Echtzeitüberwachung der Wasserqualität. Fünf Arten von Wasserqualitätsbedingungen, bezeichnet als T1, T2, T3, T4 und T5, wurden erfasst. T1: Bilder von frischem Süßwasser, das kürzlich von einem lokalen Süßwasseranbieter für den 4 Kubikmeter großen Koi-Teich geliefert wurde, in dem 17 kleine Koi-Fische leben. T2: Bilder aus dem 15 Kubikmeter großen Koi-Teich mit 12 großen Koi-Fischen, jeweils etwa 60–80 cm lang. Das Wasser in diesem Teich ist ziemlich klar, aber es gibt einige treibende Algen. T3: Bilder aus dem 35 Kubikmeter großen Koi-Teich mit 18 großen Koi-Fischen, jeweils etwa 60–70 cm lang. Das Teichwasser ist sauber, mit einer hellgrünen Färbung, die im optimalen Bereich für das Fischwachstumliegt 5,6. T4: Bilder von braunem Wasser, das aus einem Abwasseraufbereitungsbecken stammt. T5: Bilder von braun gefärbtem Wasser, das aus dem Filtersystem des 35 Kubikmeter großen Teichs gesammelt wurde und Abfälle enthält, die von Kois erzeugt wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Aufbauend auf diesen Fortschritten präsentiert dieser Artikel ein vollständiges Protokoll zur Entwicklung, Konfiguration, Implementierung und Betrieb eines Echtzeit-Wasserqualitätsüberwachungssystems auf Basis der Unterwasserbildklassifikation mittels eingebettetem Deep Learning. Ein Blockdiagramm des vorgeschlagenen Protokolls ist in Abbildung 1 dargestellt und zeigt das Systemdesign, die Konfiguration, den Einsatz und die Klassifizierung der Wasserqualität in fünf verschiedene Kategorien. Das Protokoll ermöglicht es Erzeugern und Teichmanagern, die Wasserqualität durch Analyse der Unterwasserfarbeigenschaften vor Ort zu bewerten.
Das vorgeschlagene System integriert eine kostengünstige Unterwasser-Actionkamera mit einem Raspberry Pi-basierten Controller-Netzwerk, das auf einem autonomen Oberflächenwasserroboter eingesetzt wird, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Konfiguration ermöglicht Bildaufnahme, drahtlose Übertragung und Echtzeitklassifizierung mittels eines leichten künstlichen neuronalen Netzwerks (ANN). Action-Kameras wurden aufgrund ihrer Wasserdichtigkeit in Tiefen von bis zu 10 m, hochauflösender Standbildaufnahme und integrierter drahtloser Schnittstellen ausgewählt. Die Bluetooth-Konnektivität wird für die Kamerainitialisierung und die Grundsteuerung genutzt, während Wi-Fi eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Daten unterstützt. Allerdings ist eine direkte drahtlose Kommunikation unter Wasser mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen aufgrund starker Signalabschwächung im Wasserunpraktisch.
Um diese Einschränkung zu beheben, verwendet das System eine hybride Netzwerktopologie, die aus zwei Raspberry Pi Zero 2W-Einheiten, einem drahtlosen Router und einem Server besteht, wie in Abbildung 2 dargestellt. Eine Raspberry Pi-Einheit ist auf einem batteriebetriebenen Oberflächenroboter montiert, der den Teich zu festgelegten Probenahmestellen navigiert, während die zweite Einheit direkt mit der Unterwasserkamera verbunden ist. Alternativ kann das System in stationärer Konfiguration eingesetzt werden, indem Kameraeinheiten manuell an festen Teichstandorten platziert werden, wodurch robotische Navigation überflüssig wird. Prototypen des autonomen Oberflächenroboters und des Unterwasserkamera-Controller-Netzwerks sind in Abbildung 3 dargestellt, und der gesamte Arbeitsablauf der Wasserqualitätsklassifikationsmethode ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 2: Netzwerktopologie des IoT-basierten Wasserbewertungssystems: Das Schema zeigt, wie Geräte miteinander verbunden sind, und hebt die Kommunikation zwischen Kameras, Raspberry Pi-Einheiten und dem zentralen Server hervor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 3: Prototyp-Roboter, integriert in ein Raspberry Pi-Kameranetzwerk: Die Abbildung zeigt die physische Montage des Roboters, der mit integrierten Sensor- und Bildeinheiten für den Einsatz im Einsatz ausgestattet ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Abbildung 4: Flussdiagramm der vorgeschlagenen Methode: Zeigt das Flussdiagramm der vorgeschlagenen Methode, das aus Datenerhebung, Vorverarbeitung, Training und Echtzeitklassifikation besteht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Ein künstliches neuronales Netzwerk wird für die Bildklassifikation eingesetzt, da es eine geringe Rechenkomplexität und Eignung für die Echtzeit-Implementierung von eingebetteten Systemen bietet. Gemeinsam bietet das vorgeschlagene Protokoll einen praktischen und skalierbaren Rahmen für die Echtzeitüberwachung der Wasserqualität bei Koi-Teichen mittels eingebettetem Deep Learning und visueller Datenerfassung.