Methoden zur Image-basierte Umfragen von benthischen Makroinvertebraten und ihren Lebensraum am Beispiel der Drop-Kamera-Umfrage für die Atlantik-Jakobsmuschel
July 2nd, 2018
Bildbasierte Vermessung ist eine zunehmend praktische, nicht-invasive Methode, die Meeresumwelt zu probieren. Wir präsentieren das Protokoll einer Drop-Kamera-Umfrage, die die Fülle schätzt und Verteilung der Atlantischen Meer Jakobsmuschel (Placopecten Magellanicus). Wir diskutieren, wie dieses Protokoll für die Anwendung auf andere benthischen Makroinvertebraten verallgemeinert werden kann.
Die Unterwasserfotografie wird seit langem im Bereich der Meeresökologie eingesetzt. Durch die Senkung der Kosten für hochauflösende Kameras und Datenspeicherung ist der Ansatz praktischer als in der Vergangenheit. Bildbasierte Erhebungen ermöglichen die Wiederholung von Erststichproben und sind im Vergleich zu herkömmlichen Erhebungsmethoden nicht-invasiv.
Die Protokolle richten sich jedoch nach dem Verhalten der Zielarten und den Erhebungszielen. Diese Methode kann helfen, wichtige ökologische Fragen für Arten von Interesse zu beantworten, wie z. B. ihre Abundanz, Verbreitung und Lebensraumverhältnisse. Teile des Verfahrens an Bord des Fischerboots Liberty werden von Craig Lego, einem Doktoranden in unserem Labor, demonstriert.
Um die Ausrüstung auf dem Schiffsdeck aufzustellen, ordnen Sie die Pyramide wie im Textprotokoll beschrieben an. Die Pyramide ist ein Druckschrauber mit einem Glasfaserkabel, das auf einer Trommel sitzt und an einem Schleifring befestigt ist. Befestigen Sie die Anschlussdose an der Pyramide.
Befestigen Sie als Nächstes die Kameras und Lichter an der Pyramide und verbinden Sie dann die Kameras und Lichter mit Kamera- und Lichtkabeln mit der Anschlussdose. Führen Sie das Glasfaserkabel durch die Seilscheibe und befestigen Sie es am Davit. Befestigen Sie das Hydraulikschlüsselkabel des Schiffes an der Pyramide.
Stellen Sie die Ausrüstung im Steuerhaus des Schiffes auf. Um das Deckende des Steuerhauses zu befestigen, führen Sie das Glasfaserkabel zum optischen Schleifring am Haftschraubenschlüssel. Schließen Sie nach dem Einrichten der Computer, wie im Textprotokoll beschrieben, die Kameras und Leuchten an das Steuerhaus des Schiffes an.
Um das Radhausende des Steuerhauses zu befestigen, führen Sie das Glasfaserkabel in das Steuerhaus und verbinden Sie es mit der Glasfaserschnittstelle des Desktop-Computers und dem Netzstecker der Leuchte. Starten Sie das Felddatenerfassungsprogramm vom Desktop-Computer aus. Stellen Sie sicher, dass alle Kameras, die an der Pyramide montiert und an die Anschlussdose angeschlossen sind, automatisch als verbunden angezeigt werden.
Um die Bilder und Daten an jeder Station zu erfassen, starten Sie das mobile Feldkartierungsprogramm vom Laptop aus, wählen Sie das Markierungswerkzeug aus und ziehen Sie das Zielsymbol auf eine Station, um eine Peilung zur Station bereitzustellen. Senken Sie die Probenahmepyramide langsam auf den Meeresboden ab. Verwenden Sie den Hydraulikschlüssel des Schiffes, wenn die Station erreicht und das Schiff angehalten hat.
Während die Pyramide auf den Meeresboden abgesenkt wird, doppelklicken Sie auf das Feld für den Kurznamen des Gebiets, und geben Sie einen Namen für das Gebiet ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Kamera des Startkapitäns", um die Kameraansichten und andere Informationen auf dem Monitor in der Nähe der Bedienelemente des Hydraulikschlüssels anzuzeigen. Nach dem Einschalten der Lichter können Sie quadratische Daten erfassen, sobald die Probenahmepyramide auf dem Meeresboden gelandet ist.
Klicken Sie im Felddatenerfassungsprogramm auf "Station starten", um die Videoaufzeichnung zu starten. Klicken Sie auf "Schnappschüsse aufnehmen", wenn eine klare Sicht auf den Meeresboden angezeigt wird, und klicken Sie dann auf "Alle speichern", um ein Standbild aus allen Kameraansichten gleichzeitig aufzunehmen. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche "In Datenbank schreiben".
Geben Sie die Anzahl der Jakobsmuscheln, die auf dem Bild der Digitalkamera zu sehen sind, in das Feld für die Jakobsmuschelzählung ein und geben Sie die Kommentare in das Kommentarfeld ein. Klicken Sie auf die Schaltfläche "In Datenbank schreiben", um die Daten über das Quadrat als Zeile in die Felddatenbank zu schreiben. Heben Sie die Pyramide an, wie im Textprotokoll beschrieben, und klicken Sie im Felddatenerfassungsprogramm auf Station beenden, um die Videoaufzeichnung zu beenden und das Programm zur nächsten Station zu bringen.
Klicken Sie auf die Schaltfläche "Programm beenden", um das Programm zu schließen. Klicken Sie abschließend im mobilen Feldkartierungsprogramm auf "Station erfassen", um die Station wie zuvor zu markieren. Navigieren Sie nach dem Abrufen der Bilder, wie im Textprotokoll beschrieben, zum Substratbereich und klicken Sie auf die Kästchen für die vorhandenen Substrattypen.
Um makrobenthische Tiere zu quantifizieren, klicken Sie auf die Kästchen für die Tiere, die im Abschnitt "Invertierte Darstellungen" vorhanden sind. Geben Sie die Anzahl der beobachteten Tiere im Abschnitt "Anzahl der Umkehrungen" ein. Klicken Sie auf die rote Schaltfläche "SC" und punktieren Sie jede Jakobsmuschel im Bild.
Klicken Sie auf die Schaltfläche "Senden", um die Daten über das Bild als Zeile in die Labordatenbank zu schreiben und eine Kopie des Bildes mit den gepunkteten Tieren zu erstellen. Ändern Sie dann das Profil im Labordatenerfassungsprogramm auf Bildprüfung"Überprüfen Sie den Eintrag auf Richtigkeit und nehmen Sie alle erforderlichen Änderungen vor. Wählen Sie die Schaltfläche "Senden" aus, um die Daten über das vom digitalisierten Benutzer übermittelte Bild zu überschreiben, und markieren Sie das Bild dann in der Labordatenbank als qualitätskontrolliert.
Um die in den Bildern beobachteten Jakobsmuscheln zu messen, wählen Sie im Bildannotator-Programm die Option Linienanmerkung aus und ziehen Sie dann eine Linie vom Umbo der Jakobsmuschel bis zum oberen Rand der Muschelschale. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle messbaren Jakobsmuscheln im Bild. Wählen Sie Datei und speichern Sie dann Anmerkungen, um eine Tabelle mit Messungen zu erstellen, bevor Sie die Datenanalyse durchführen, wie im Textprotokoll beschrieben.
Hier sind repräsentative Ergebnisse eines vollständig kommentierten Umfragebildes dargestellt. Das Annotator-Programm zählt jeden Punkt jeder Farbe und quantifiziert die Anzahl dieser Tiere im Bild. Die Linien auf jeder Jakobsmuschel erstrecken sich vom Umbo bis zur Vorderseite der Schale und werden vom Programm gemessen, um eine Schätzung der Höhe der Muschelschale zu erhalten.
In der Jakobsmuschelfischerei im US-Atlantik wird das Simulatormodell für das Management von Jakobsmuschelgebieten verwendet, um die Abundanz und Anlandungen von Jakobsmuscheln zu prognostizieren. Jede Zone dieses Modells an der Bank von Georgia war ein interessanter Bereich. Nachdem die Jakobsmuscheln in jedem Bild gezählt und gemessen wurden, werden Dichte- und Größenschätzungen für jeden Interessenbereich vorgenommen.
Darüber hinaus werden Verbreitungskarten für jedes Gebiet für alle Jakobsmuscheln, juvenilen Jakobsmuscheln und Jakobsmuscheln mit erntefähiger Größe erstellt. Unter Verwendung der Schätzungen aus der Erhebung sowie des Verhältnisses zwischen Muschelschalenhöhe und Fleischgewicht werden Schätzungen der gesamten und nutzbaren Jakobsmuschel-Biomasse für jede Modellzone des Jakobsmuschel-Flächenmanagement-Simulators erstellt. In der Tabelle enthalten sind das mittlere Gewicht des Jakobsmuschelfleisches in Gramm, das Gesamtgewicht der Jakobsmuscheln in metrischen Tonnen und der Standardfehler in metrischen Tonnen.
Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Fischereiwissenschaft, die mit der Fischereiindustrie zusammenarbeiteten, um die Häufigkeit und Verbreitung der Jakobsmuscheln auf dem US-amerikanischen Kontinentalschelf zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Bilder auf See aufnimmt, die Daten in diesen Bildern quantifiziert und Datenprodukte erstellt, die das Fischereimanagement unterstützen. Nach diesem Verfahren werden Daten über Substrat und andere Tiere neben Jakobsmuscheln gesammelt und können zur Beantwortung zusätzlicher Fragen wie Lebensraumpräferenzen und Beutebeziehungen von Räubern verwendet werden.
Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit auf See extrem gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie Sicherheitsschulungen auf See und die Arbeit mit erfahrener Besatzung getroffen werden sollten.
Übersicht
Dieser Artikel präsentiert ein Protokoll für die Durchführung von Drop-Camera-Erhebungen zur Schätzung der Häufigkeit und Verteilung der Atlantischen Meeresmuschel (Placopecten magellanicus). Die Methode ist nicht-invasiv und kann für andere benthische Makroinvertebraten angepasst werden.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Meeresökologie
- Meeresbiologie
- Umfragemethodik
Hintergrund
- Unterwasseraufnahmen sind aufgrund technologischer Fortschritte zugänglicher geworden.
- Bildbasierte Erhebungen sind im Vergleich zu herkömmlichen Methoden weniger invasiv.
- Die Protokolle variieren je nach Zielart und Erhebungszielen.
- Diese Methode hilft bei der Beantwortung ökologischer Fragen bezüglich Artenhäufigkeit und Habitatassoziationen.
Zweck der Studie
- Entwicklung eines standardisierten Protokolls für Drop-Camera-Erhebungen.
- Schätzung der Häufigkeit und Verteilung atlantischer Meeresmuscheln.
- Bereitstellung eines Rahmens, der für andere benthische Makroinvertebraten anwendbar ist.
Verwendete Methoden
- Aufbau von Unterwasser-Aufnahmegeräten auf einem Fischereifahrzeug.
- Verwendung eines mobilen Feldkartierungsprogramms für die Datenerfassung.
- Erfassung von Bildern und Aufzeichnung von Daten an verschiedenen Probenahmestellen.
- Quantifizierung der Muscheldichte und -größe mittels Bildanalysesoftware.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Erfassung von Bildern und Daten für Muschelpopulationen.
- Schätzungen der Muschelbiomasse und -verteilung in verschiedenen Zonen.
- Erstellung von Verteilungskarten für verschiedene Muschelgrößen.
- Zusammenarbeit mit der Fischereiindustrie zur Verbesserung des Fischereimanagements.
Schlussfolgerungen
- Die Drop-Camera-Erhebungsmethode ist effektiv für nicht-invasive Meeresstichproben.
- Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis von Muschelpopulationen bei.
- Dieses Protokoll kann für andere Arten und Umgebungen angepasst werden.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
Image-based survey methods provide non-invasive, repeatable data collection for benthic macroinvertebrates, supporting ecological monitoring and resource assessment. The drop camera approach enables quantification of species abundance, distribution, and habitat associations without physical extraction, reducing ecosystem disturbance. This methodology enhances predictive confidence in environmental impact assessments and informs sustainable management decisions for marine invertebrate populations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables hypothesis testing regarding species-habitat relationships and population dynamics in natural environments.
- Operational Value: Provides standardized, quantifiable outputs for abundance and size metrics across sampling stations.
- Predictive Value: Supports risk-adjusted advancement by generating baseline ecological data for target validation in ecotoxicology or environmental safety studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates high-resolution, georeferenced image datasets suitable for automated analysis and machine learning applications.
- Operational Value: Enables scalable, standardized data collection protocols adaptable to multiple species and habitat types.
- Assay Readiness: Produces validated biological reference systems for downstream compound screening in ecologically relevant contexts.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translational continuity from laboratory models to field-validated ecological systems.
- Operational Value: Delivers reproducible, quantitative habitat and population data for preclinical environmental risk assessment.
- Translational Biomarker Alignment: Enables correlation of species responses with environmental variables for mechanistic de-risking.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery workflows by providing ecologically relevant biological systems for hypothesis testing and compound evaluation in environmental safety profiling.
- Discovery Biology: Supports interrogation of therapeutic hypotheses related to ecosystem impact and species-specific responses.
- Screening: Delivers standardized, quantitative imaging outputs for high-content analysis of benthic communities.
- Analytics: Enables statistical comparison of population density, size distribution, and habitat co-occurrence across treatment and control conditions.
- Translational Research: Connects in vitro findings to in situ population dynamics and habitat preferences for environmental continuity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform for longitudinal monitoring and cross-program environmental surveillance.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in environmental response studies through direct observation of natural populations.
- Operational Value: Ensures standardization, reproducibility, and minimal habitat disturbance across longitudinal studies.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early ecological de-risking data for compound advancement.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization based on species sensitivity and habitat vulnerability assessments.
Implementation Considerations
- Requires expertise in marine ecology, underwater imaging systems, and geospatial data analysis.
- Dependent on specialized instrumentation including pressure-rated camera housings, lighting systems, and fiber optic telemetry.
- Necessitates cross-team standardization between field operations, image analysis, and data management units.
- Involves adaptation considerations for varying substrate types, turbidity levels, and target species behaviors.
- Practical limitations include weather-dependent deployment, sea state constraints, and light attenuation in turbid environments.
