Artykuł metodologiczny

Metody badań obrazowych makrobezkręgowców bentosowych i ich siedlisk na przykładzie badania przegrzebka atlantyckiego za pomocą kamery opadowej

11.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/57493

⸱

2 lipca 2018

 , 
1School for Marine Science and Technology, University of Massachusetts Dartmouth

W tym artykule

Podsumowanie

Pomiary oparte na obrazach są coraz bardziej praktyczną, nieinwazyjną metodą pobierania próbek środowiska morskiego. Przedstawiamy protokół z badania za pomocą kamery zrzutowej, które szacuje liczebność i rozmieszczenie przegrzebka morskiego (Placopecten magellanicus). Omówiliśmy, w jaki sposób protokół ten można uogólnić w celu zastosowania do innych makrobezkręgowców bentosowych.

Streszczenie

Podwodne obrazowanie od dawna jest używane w dziedzinie ekologii morskiej, ale zmniejszenie kosztów kamer o wysokiej rozdzielczości i przechowywania danych sprawiło, że podejście to stało się bardziej praktyczne niż w przeszłości. Badania oparte na obrazach pozwalają na ponowne przyjrzenie się początkowym próbkom i są nieinwazyjne w porównaniu z tradycyjnymi metodami badań, które zwykle obejmują sieci lub pogłębiarki. Protokoły badań opartych na obrazach mogą się znacznie różnić, ale powinny być oparte na zachowaniu gatunków docelowych i celach badania. Aby to zademonstrować, opisujemy nasze najnowsze metody badania przegrzebka morskiego (Placopecten magellanicus) za pomocą kamery zrzutowej, aby zapewnić przykład proceduralny i reprezentatywne wyniki. Procedura jest podzielona na trzy kluczowe kroki, które obejmują projektowanie ankiety, gromadzenie danych i produkty danych. Wpływ zachowania przegrzebków i cel badania, jakim jest zapewnienie niezależnej oceny zasobów przegrzebków morskich w USA, na procedurę badania, są następnie omawiane w kontekście uogólnienia metody. Ogólnie rzecz biorąc, szerokie zastosowanie i elastyczność badania z użyciem kamery zrzutowej University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST) pokazuje, że metodę tę można uogólnić i zastosować do różnych bezkręgowców siedzących lub badań skoncentrowanych na siedliskach.

Wprowadzenie

Przegrzebek atlantycki (Placopecten magellanicus) to małż morski występujący na całym szelfie kontynentalnym północno-zachodniego Oceanu Atlantyckiego od Zatoki Świętego Wawrzyńca w Kanadzie do Przylądka Hatteras w Północnej Karolinie1. Połowy przegrzebków morskich w Stanach Zjednoczonych doświadczyły bezprecedensowego wzrostu wyładunków i wartości w ciągu ostatnich piętnastu lat i stały się jednym z najbardziej cenionych łowisk w kraju, z wyładunkami o wartości około 440 milionów dolarów w 2015 roku2. Pomimo tego wzrostu, nakład połowowy przegrzebków został znacznie zmniejszony w ciągu ostatnich 20 lat dzięki wdrożeniu systemu rotacji obszarów, który ma na celu ochronę obszarów z młodymi przegrzebkami i skoncentrowanie połowów na obszarach z większymi przegrzebkami o dużym zagęszczeniu1. To podejście do zarządzania wymaga przestrzennie specyficznych informacji na temat gęstości i wielkości przegrzebków, które są dostarczane przez kilka badań, w tym badanie kamery zrzutowej University of Massachusetts Dartmouth School for Marine Science and Technology (SMAST).

Celem badania kamery zrzutowej SMAST jest dostarczenie zarządzającym zasobami rybackimi, naukowcom morskim i społecznościom rybackim niezależnej oceny zasobów przegrzebków morskich w USA i związanych z nimi siedlisk. Ankieta została opracowana we współpracy z rybakami przegrzebków i wykorzystuje techniki pobierania próbek quadrat oparte na badaniach nurkowych3,4. Początkowe badania na początku 2000 roku koncentrowały się na oszacowaniu zagęszczenia przegrzebków morskich w zamkniętych częściach produktywnego obszaru rybołówstwa znanego jako Georges Bank5, ale badanie rozszerzyło się na większość zasobów przegrzebków w wodach USA i Kanady (≈100 000 km2)6,7. Informacje z ankiety zostały włączone do oceny stada przegrzebków w ramach procesu Warsztatów Oceny Stada i niezawodnie dostarczone do Rady Zarządzania Rybołówstwem Nowej Anglii, aby pomóc w rocznym przydziale zbiorów przegrzebków8. Ponadto dane z ankiety dotyczącej kamery zrzutowej SMAST przyczyniły się na wiele sposobów do zrozumienia ekologii gatunków innych niż przegrzebki7,9,10,11,12 oraz charakterystyki siedliska bentosowego13,14,15. To szerokie zastosowanie pokazuje, że metoda może zostać uogólniona i zastosowana do różnych bezkręgowców siedzących, potencjalnie pomagając złagodzić problem ekspansji połowów bezkręgowców, wyprzedzając wiedzę naukową i politykę potrzebną do skutecznego zarządzania nimi16. Co więcej, próbkowanie oparte na obrazie jest nieinwazyjne w porównaniu z tradycyjnymi metodami próbkowania populacji i coraz bardziej przystępne cenowo ze względu na malejące koszty kamer o wysokiej rozdzielczości i przechowywania danych17,18. Poniżej przedstawiono metody badania z 2017 r. za pomocą kamery zrzutowej SMAST stosowane do zarządzania przegrzebkami w amerykańskiej części Georges Bank w celu zilustrowania tej procedury. Omawiamy uzasadnienie tej procedury, aby pomóc w jej uogólnieniu i zastosowaniu do innych bezkręgowców siedzących.

Protokół

1. Projekt ankiety

  1. Znajdź jedną lub więcej komercyjnych jednostek połowowych małży morskich dostępnych w interwałach 6–8 dni.
  2. Zbuduj stalową piramidę z wewnętrzną ramą, na której można zamontować trzy kamery, oświetlenie oraz skrzynkę przyłączeniową dla kabla światłowodowego (Rysunek 1). Upewnij się, że jedna z kamer jest cyfrowym aparatem fotograficznym o wysokiej rozdzielczości, a dwie pozostałe to kamery wideo o niższej rozdzielczości, ale nadal w wysokiej rozdzielczości (HD).

figure-protocol-1
Rysunek 1: Piramida do badań za pomocą kamery opuszczanej z łodzi, wyposażona w kamery i oświetlenie używane do gromadzenia danych w 2017 roku. Piramida do badań za pomocą kamery opuszczanej z łodzi należąca do University of Massachusetts Dartmouth, School for Marine Science and Technology, z kamerami i oświetleniem używanymi do gromadzenia danych w 2017 roku. Pomiędzy dwiema belkami z oświetleniem zamontowano skrzynkę przyłączeniową, która łączy kable kamer i lamp z kablem światłowodowym (niewidoczna na zdjęciu). Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

  1. Zastosuj systematyczny plan próbkowania, aby rozmieścić stacje badawcze w odstępach 5,6 km w większości obszarów Georges Bank wykorzystywanych przez rybołówstwo oraz w odstępach 2,8 km w dwóch obszarach o szczególnym znaczeniu1
    UWAGA: Dwóch naukowców, kapitan i pierwszy oficer byli w stanie zbadać około 50 stacji w ciągu 24 godzin na siatce 5,6 km oraz 80 stacji na siatce 2,8 km. W związku z tym do zakończenia badań wymaganych było około 5 rejsów badawczych.

2. Gromadzenie danych

  1. Załaduj sprzęt na jednostkę pływającą.
  2. Zainstaluj sprzęt na pokładzie jednostki.
    1. Rozmieść na pokładzie jednostki piramidę, wciągarkę czułą na ciśnienie z kablem światłowodowym na bębnie podłączoną do pierścienia ślizgowego oraz davit. Upewnij się, że kabel światłowodowy może biec z wciągarki przez davit do piramidy, nie dotykając kabla wciągarki jednostki.
    2. Użyj małych, tymczasowych spawów, aby przymocować wciągarkę, davit i płytę davitu na miejscu.
    3. Podłącz kabel zasilający wciągarki czułej na ciśnienie do skrzynki bezpieczników jednostki.
    4. Przymocuj skrzynkę przyłączeniową do piramidy.
    5. Przymocuj kamery i oświetlenie do piramidy.
    6. Połącz kamery i oświetlenie ze skrzynką przyłączeniową za pomocą kabli kamer i oświetlenia.
    7. Przeciągnij kabel światłowodowy przez bloczek i przymocuj go do davitu.
    8. Przymocuj hydrauliczny kabel wciągarki jednostki do piramidy.
  3. Skonfiguruj sprzęt w sterówce jednostki.
    1. Podłącz i zabezpiecz komputer stacjonarny.
    2. Podłącz 2 monitory do komputera stacjonarnego. Zamocuj jeden monitor w pobliżu komputera, a drugi w pobliżu sterowania hydrauliczną wciągarką jednostki.
    3. Podłącz urządzenie systemu pozycjonowania satelitarnego (GPS) do komputera stacjonarnego poprzez port USB.
    4. Podłącz i zabezpiecz laptop z mobilnym programem do mapowania terenowego w pobliżu steru jednostki. Wczytaj lokalizacje stacji do komputera przed wypłynięciem.
    5. Podłącz urządzenie GPS do laptopa poprzez port szeregowy.
    6. Podłącz kamery i oświetlenie do sterówki jednostki.
      1. Przymocuj „koniec pokładowy”  przebiegu kabla światłowodowego w sterówce do optycznego pierścienia ślizgowego w wciągarce czułej na ciśnienie.
      2. Przymocuj „koniec sterówkowy” przebiegu kabla światłowodowego w sterówce do interfejsu światłowodowego w komputerze stacjonarnym i do wtyczki zasilania oświetlenia.
      3. Uruchom program do zbierania danych terenowych z komputera stacjonarnego. Upewnij się, że wszystkie kamery zamontowane na piramidzie i podłączone do skrzynki przyłączeniowej są automatycznie wyświetlane jako połączone.
        UWAGA: Jeśli nie wszystkie kamery są wyświetlane jako połączone, zresetuj połączenia kamer w programie lub przeprowadź diagnostykę poprzez systematyczną zamianę komponentów (kamery, kable połączeniowe, pierścień ślizgowy itp.).
  4. Wykonaj zdjęcia i zarejestruj dane na każdej stacji.
    1. Uruchom mobilny program do mapowania terenowego z laptopa.
    2. Wybierz narzędzie „mark” (znacznik) i przeciągnij ikonę celu na stację, aby wyznaczyć kurs do stacji.
    3. Powoli opuść piramidę próbniczą na dno morskie za pomocą hydraulicznej wciągarki jednostki, gdy stacja zostanie osiągnięta, a jednostka zatrzymana.
      UWAGA: Czynność tę wykonuje załoga jednostki; wciągarka czuła na ciśnienie musi zostać włączona przed opuszczeniem piramidy próbniczej.
    4. Uruchom program do zbierania danych terenowych z komputera stacjonarnego podczas opuszczania piramidy na dno morskie.
      1. Kliknij dwukrotnie pole „Area Short Name” i wprowadź nazwę obszaru.
        UWAGA: Należy to zrobić tylko dla pierwszej stacji w danym obszarze.
      2. Kliknij przycisk „Launch Captains Cam”, aby wyświetlić obrazy z kamer i inne informacje na monitorze znajdującym się przy sterowaniu hydrauliczną wciągarką.
    5. Włącz zasilanie oświetlenia.
    6. Zbierz dane z kwadratów próbnych po osadzeniu piramidy próbniczej na dnie morskim.
      1. W programie do zbierania danych terenowych kliknij „Start Station”, aby rozpocząć nagrywanie wideo.
        UWAGA: Przycisk będzie migać na czerwono podczas nagrywania wideo.
      2. Kliknij „Take Snapshots”, gdy pojawi się wyraźny obraz dna morskiego, a następnie kliknij „Save All”, aby jednocześnie przechwycić nieruchomy obraz ze wszystkich widoków kamer.
      3. Kliknij przycisk „Write to Database”.
        UWAGA: Spowoduje to wyświetlenie nowego okna dialogowego z automatycznie wpisanymi przez oprogramowanie danymi dotyczącymi głębokości, lokalizacji, temperatury, numeru stacji, numeru kwadratu, nazwy obszaru oraz unikalnym numerem identyfikacyjnym.
      4. W polu „Scallop Count” wprowadź liczbę przegrzebków widocznych na cyfrowym zdjęciu, a w polu „Comments” wpisz wszelkie uwagi.
      5. Kliknij przycisk „Submit Data”, aby zapisać dane o kwadracie jako wiersz w bazie danych terenowych.
    7. Podnieś piramidę, aż dno morskie przestanie być widoczne.
    8. Powoli opuść piramidę na dno morskie i powtórz kroki 2.4.6 oraz 2.4.7, aż zostaną zebrane dane dla czterech kwadratów próbnych. Upewnij się, że piramida przesunęła się tak, aby przechwycono obrazy różnych kwadratów dna morskiego.
    9. Podnieś piramidę próbniczą z dna morskiego do bezpiecznej pozycji obok jednostki.
    10. Zakończ pracę na stacji podczas podnoszenia piramidy.
      1. Kliknij „End Station” w programie do zbierania danych terenowych, aby zakończyć nagrywanie wideo i przejść do następnej stacji.
      2. Kliknij przycisk „Quit Program”, aby zamknąć program.
      3. Wyłącz zasilanie oświetlenia.
      4. Kliknij „Capture Station” w mobilnym programie do mapowania terenowego, aby oznaczyć stację jako ukończoną, a następnie powtórz krok 2.4.2.
    11. Powtarzaj poprzednie kroki z sekcji 2.4, aż wszystkie stacje badawcze zostaną ukończone.
  5. Przeprowadź opuszczenie kalibracyjne kamery.
    1. Zmierz długość co najmniej 30 oczek siatki drucianej za pomocą suwmiarki elektronicznej. Zaznacz zmierzone oczka.
    2. Przymocuj siatkę do podstawy piramidy próbniczej za pomocą sznurka lub liny. Upewnij się, że zmierzone oczka siatki znajdują się w polu widzenia kamer.
    3. Powtórz kroki od 2.4.3 do 2.4.6.2, aby przechwycić obrazy siatki.
      UWAGA: Kalibrację tę zazwyczaj wykonuje się przed pierwszą stacją, ale można ją przeprowadzić przed wypłynięciem w zbiorniku testowym lub w dowolnym momencie podczas badania. Celem jest określenie stosunku długości w mm do piksela w celu potwierdzenia rozmiaru kwadratu i pomiaru cech na obrazach.
  6. Ilościowo określ dane na cyfrowych zdjęciach kwadratów próbnych.
    UWAGA: W tym procesie pomocniczo wykorzystuj obrazy z innych kamer oraz wideo.
    1. Uruchom laboratoryjny program do zbierania danych i wybierz profil „Digitize”.
    2. Z menu rozwijanego wybierz rok, obszar, kamerę, stację i interesujący Cię kwadrat.
    3. Kliknij „go”, aby wczytać do programu obraz na podstawie kryteriów wybranych w kroku 2.6.2.
    4. W sekcji „Substrate” zaznacz pola dla występujących typów podłoża. Szczegółowy opis typów podłoża i sposobu ich klasyfikacji znajduje się w punkcie14.
    5. Ilościowo określ zwierzęta makrobentosowe.
      UWAGA: Zlicza się lub odnotowuje obecność bądź brak 50 taksonów makrobentosu. Pełną listę tych taksonów oraz sposób ich śledzenia można znaleźć w literaturze13.
      1. Zaznacz pola dla zwierząt obecnych w sekcji obecności „Inverts”.
      2. Wprowadź liczbę każdego zaobserwowanego zwierzęcia w sekcji zliczania „Inverts”.
      3. Kliknij czerwony przycisk „SC” i zaznacz kropką każdego przegrzebka na obrazie.
      4. Kliknij zielony przycisk „SF” i zaznacz kropką każdą rozgwiazdę na obrazie.
      5. Kliknij czarny przycisk „CL” i zaznacz kropką każdego „clappera” (przegrzebka, który zdechł, ale obie strony muszli są nadal przytwierdzone do zawiasu) na obrazie.
      6. Kliknij niebieski przycisk „FI” i zaznacz kropką każdą rybę na obrazie.
      7. W sekcji zliczania „Fish” wprowadź liczbę każdego zaobserwowanego typu ryb.
        UWAGA: W przypadku pozostałych zaznaczonych zwierząt program automatycznie zlicza kropki i przypisuje wyniki do odpowiedniej kategorii. Dla ryb kropki są liczone automatycznie, ale użytkownik musi zidentyfikować typ ryby i ich liczbę. Całkowita liczba kropek ryb policzonych przez program musi zgadzać się z liczbą każdego typu ryb wprowadzoną przez użytkownika.
    6. Kliknij przycisk „submit”, aby zapisać dane o obrazie jako wiersz w bazie danych laboratoryjnych i utworzyć kopię obrazu z zaznaczonymi zwierzętami.
    7. Przeprowadź kontrolę jakości kroków 2.6.4. i 2.6.5.
      1. Zmień profil w laboratoryjnym programie do zbierania danych na „ImageCheck”.
        UWAGA: Powinno to być wykonane przez inną osobę niż ta, która wykonała kroki 2.6.4 i 2.6.5 dla danego obrazu.
      2. Powtórz kroki 2.6.2 i 2.6.3, aby wczytać oryginalny obraz, obraz z kropkami oraz uzupełnione dane o podłożu i zwierzętach wprowadzone przez profil użytkownika „Digitize”.
      3. Zweryfikuj poprawność wpisu i wprowadź wszelkie niezbędne zmiany.
      4. Wybierz przycisk „submit”, aby nadpisać dane o obrazie przesłane przez użytkownika „Digitize” i oznaczyć obraz jako zweryfikowany w bazie danych laboratoryjnych.
    8. Zmierz przegrzebki zaobserwowane na obrazach.
      UWAGA: Nie należy mierzyć przegrzebków częściowo widocznych (zasłoniętych przez narośla, częściowo znajdujących się w obrazie itp.) lub znajdujących się poza dnem morskim.
      1. Uruchom program do adnotacji obrazów.
      2. Wybierz „File”, a następnie „Load Image Directory” z menu rozwijanego. Przejdź do interesującego Cię obrazu z kropkami i wczytaj go do programu.
      3. Wybierz „line annotation” (adnotacja liniowa) i narysuj linię od umba przegrzebka do górnej krawędzi muszli.
      4. Powtórz krok 2.6.8.3. dla wszystkich mierzalnych przegrzebków na obrazie.
      5. Wybierz „File”, a następnie „Save Annotations”, aby utworzyć arkusz pomiarów.
      6. Przelicz pomiary z pikseli na milimetry, korzystając ze średniego stosunku pikseli do milimetrów z punktu 2.5.

3. Produkty danych

  1. Obliczenie specyficznych przestrzennie szacunków gęstości i rozmiaru przegrzebków.
    1. Naniesienie stacji badawczych na mapę przy użyciu oprogramowania kartograficznego.
    2. Podział stacji badawczych według stref modelu Scallop Area Management Simulator (SAMS).
      UWAGA: W amerykańskim łowisku przegrzebków atlantyckich model SAMS jest wykorzystywany do prognozowania obfitości i połowów przegrzebków8. Wszystkie poniższe kroki wykonuje się dla każdej strefy SAMS.
    3. Uśrednienie pomiarów przegrzebków w celu uzyskania średniej wysokości muszli.
    4. Obliczenie średniej gęstości i błędów standardowych dla przegrzebków.
      1. Zwiększenie rozmiaru kwadratu próbnego o średnią wysokość muszli przegrzebków w strefie SAMS w celu skorygowania liczby przegrzebków częściowo widocznych wzdłuż krawędzi obrazu19.
      2. Obliczenie gęstości przy użyciu skorygowanego rozmiaru kwadratu oraz równań dla dwustopniowego planu próbkowania, aby uwzględnić pobieranie wielu kwadratów na każdej stacji20:
        (1)          figure-protocol-2
        (2)          figure-protocol-3
        gdzie n = podstawowe jednostki próbkowania (stacje), m = elementy w podstawowej jednostce próbkowania (kwadraty), figure-protocol-4 = wartość pomiarowa (liczba przegrzebków) dla elementu j w jednostce podstawowej i, figure-protocol-5 = średnia próbki na element (kwadrat) w jednostce podstawowej i (stacje), a figure-protocol-6 = średnia z dwóch etapów. Błąd standardowy tej średniej wynosi:
        (3)          figure-protocol-7
        gdzie figure-protocol-8 to wariancja między średnimi dla jednostek podstawowych (stacji).
  2. Obliczanie biomasy całkowitej i eksploatowalnej.
    1. Pomnożenie gęstości przegrzebków przez całkowity obszar badawczy w celu oszacowania liczby przegrzebków na tym obszarze.
    2. Utworzenie rozkładu częstości wysokości muszli na podstawie pomiarów przegrzebków z przedziałami wielkości 5 mm.
    3. Pomnożenie wyniku z kroku 3.2.1. przez częstość występowania przegrzebków w każdym przedziale wielkości z kroku 3.2.2., aby uzyskać liczbę przegrzebków w każdym przedziale wielkości na danym obszarze.
    4. Pomnożenie szacowanej masy mięsa przegrzebków w punkcie środkowym każdego przedziału 5 mm przez liczbę przegrzebków w każdym przedziale. Należy zastosować regresje wysokości muszli do masy mięsa określone przez zespół ds. opracowania planu dla przegrzebków New England Fisheries Management Council, aby oszacować masę przegrzebka w gramach dla danej wielkości21.
    5. Zsumowanie masy mięsa przegrzebków z kroku 3.2.4., aby uzyskać szacunek całkowitej biomasy przegrzebków. Przeliczenie biomasy przegrzebków z gramów na tony metryczne.
    6. Podzielenie sumy mas mięsa przegrzebków z kroku 3.2.5. przez całkowitą liczbę przegrzebków z kroku 3.2.1., aby uzyskać średnią masę jednego przegrzebka.
    7. Pomnożenie liczby przegrzebków w każdym przedziale wielkości z kroku 3.2.3. przez równanie selektywności komercyjnej włoki do przegrzebków w celu oszacowania liczby przegrzebków eksploatowalnych22.
    8. Powtórzenie kroków 3.2.5. i 3.2.6. z liczbą przegrzebków eksploatowalnych z kroku 3.2.7. w celu oszacowania biomasy przegrzebków o rozmiarze eksploatowalnym oraz ich średniej masy mięsa.
  3. Tworzenie map rozmieszczenia przegrzebków.
    1. Podzielenie sumy liczby przegrzebków, przegrzebków o wysokości muszli mniejszej niż 75 mm oraz przegrzebków o wysokości muszli powyżej 100 mm na każdej stacji badawczej przez całkowitą powierzchnię obrazu z cyfrowego aparatu fotograficznego (9.2 m2) na każdej stacji, aby odpowiednio obliczyć ogólną gęstość przegrzebków, gęstość osobników młodocianych oraz gęstość osobników eksploatowalnych na każdej stacji.
    2. Naniesienie każdej gęstości dla każdej stacji na mapę w celu przedstawienia rozmieszczenia przestrzennego odpowiednio ogólnej obfitości, obfitości osobników młodocianych i eksploatowalnych.

Wyniki

Próbki ze stacji badawczych pobierano w ramach pięciu wypraw badawczych przeprowadzonych od końca kwietnia do połowy lipca (Rysunek 2). Ze względu na problemy z widocznością i warunkami pogodowymi, nie pobrano prób z pasa stacji w strefie SAMS CL2-S-EXT, a niektóre stacje w innych strefach zostały odrzucone podczas kontroli jakości. Dla wszystkich pozostałych stacji wykonano cztery wysokiej jakości cyfrowe zdjęcia nieruchome (Rycina 3). Dla wszystkich obrazów z tych stacji określono ilościowo substrat i zwierzęta makrobentosowe oraz dokonano pomiarów przegrzebków. Liczebność i pomiary przegrzebków podzielono według stref SAMS, co pozwoliło na przekazanie do Northeast Fisheries Science Center oraz New England Fisheries Management Council do 1 sierpnia szacunków liczebności, rozmieszczenia i biomasy, a także zweryfikowanych surowych danych dotyczących liczebności i pomiarów przegrzebków w celu włączenia ich do corocznego procesu przydziału limitów połowowych przegrzebków (Tabele 1 i 2). Mapy rozmieszczenia przegrzebków sporządzono dla wszystkich osobników, osobników młodocianych (wysokość muszli poniżej 75 mm) oraz osobników o rozmiarze eksploatacyjnym (wysokość muszli powyżej 100 mm) (Rycina 4).

figure-results-1
Rycina 2: Stacje kamer opuszczanych z powierzchni na Georges Bank w 2017 roku. Stacje są przedstawione w podziale na jednostki badawcze wraz z datami badań; obszary o wysokim znaczeniu zostały próbkowane w odstępach 2,8 km, natomiast wszystkie pozostałe obszary w odstępach 5,6 km. Czarne linie i etykiety identyfikują strefy modelu Scallop Area Management Simulator wykorzystywanego do prognozowania liczebności i połowów małża morskiego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

figure-results-2
Rycina 3: Przykładowy cyfrowy obraz statyczny z badania z użyciem kamery opadającej przeprowadzonego w 2017 r. na Georges Bank. W ramach całego badania na Georges Bank ilość substratu i zwierząt makrobentycznych została określona, a rozmiary przegrzebków zmierzone na 5 216 obrazach o podobnej jakości. Wszystkie obrazy można przeglądać pod adresem <http://bit.ly/scallopsurvey>. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

ObszarQuadStanowiskaZmierzonoSHSc. Per m2SEPrzegrzebki
CL1-NA-N2.61018581050.980.29761
CL1-AC2.6155811060.060.0166
CL1-NA-S--70--<0.02----
CL2-N-NA2.61658870.430.2214
CL2-S-AC2.643555693.60.140.01465
CL2-S-EXT2.514766077.60.480.04545
NF2.65413880.020.0139
NLS-AC-N2.731721200.270.1260
NLS-AC-S2.5392,71872.79.73.0911,676
NLS-EXT2.61417095.12.242.16966
NLS-NA2.64269699.120.832,597
SCH2.513713871.30.150.03631
SF2.512621974.40.190.03747

Tabela 1: Dane z cyfrowego aparatu fotograficznego z badania przy użyciu kamery opadającej przeprowadzonego w 2017 roku na Georges Bank. Wyniki przedstawiono w podziale na strefy modelu Scallop Area Management Simulator. W tabeli uwzględniono skorygowaną powierzchnię kwadratu (Quad), liczbę pobranych prób (Stations), liczbę pomiarów wysokości muszli małży (Measured), średnią wysokość muszli zaobserwowanych małży w mm (SH), średnią liczbę małży na m2 (Sc. Per m2) wraz z powiązanym błędem standardowym (SE), oraz szacunkową liczbę małży w milionach (Scallops). Dla strefy CL1-NA-S nie można było uzyskać wyników, ponieważ nie zaobserwowano w niej żadnych małży.

Oszacowanie całkowitej biomasySzacowanie biomasy eksploatowalnej
ObszarMWMTSEmasa cząsteczkowaMTSE
CL1-NA-N18.2813,9004,10023.859,9002,950
CL1-AC24.871,65035033.721,350300
CL1-NA-S------------
CL2-N-NA14.893,2001,50026.512,100980
CL2-S-AC15.847,36068523.474,600425
CL2-S-EXT9.465,15044017.11,900165
NF16.2660026027.59500200
NLS-AC-N34.158,9003,39038.027,8002,990
NLS-AC-S8.4999,10031,59016.8824,6007,830
NLS-EXT16.7316,20015,59019.547,6007,310
NLS-NA20.453,00022,10025.1330,70012,800
SCH10.456,6001,26024.653,300620
SF9.16,8001,08017.332,400380

Tabela 2: Szacunki całkowitej i eksploatowalnej biomasy dla badania kamerą opuszczaną na Georges Bank w 2017 roku. Wyniki przedstawiono w podziale na obszary modelu Scallop Area Management Simulator. W tabeli zawarto średnią masę mięsa małży w g (MW), całkowitą masę małży w tonach metrycznych (MT) oraz błąd standardowy w tonach metrycznych. Dla obszaru CL1-NA-S nie można było uzyskać wyników, ponieważ nie zaobserwowano małży.

figure-results-3
Rycina 4: Rozmieszczenie i liczebność przegrzebków na Georges Bank w 2017 roku. Rozmieszczenie i liczebność przegrzebków na Georges Bank w 2017 roku dla wszystkich przegrzebków (góra), przegrzebków o wysokości muszli poniżej 75 mm (środek) oraz przegrzebków o wysokości muszli powyżej 100 mm (dół) na podstawie badania z wykorzystaniem kamery opuszczanej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Dyskusja

Protokoły projektowania badań są elastyczne, ale przy uogólnianiu tych protokołów należy wziąć pod uwagę zachowanie gatunków docelowych i cele badania. Przegląd literatury oraz badania wstępne lub wstępne mogą być wykorzystane do włączenia zachowania gatunków docelowych do projektu badania. Na przykład mniej niż jeden przegrzebek na 12,5m2 (0,08 przegrzebka/m2) jest poniżej zrównoważonej gęstości połowów komercyjnych23. W ten sposób, pobierając próbki z czterech czworokątów na stację, obszar pobierania próbek na stacji jest powiązany z wykrywaniem przegrzebków w zagęszczeniu komercyjnym. Ponadto przegrzebki morskie są zwykle agregowane, a nie losowo rozmieszczone na dnie morskim, co wpływa na to, jak odstępy między stacjami wpływają na precyzję szacowania gęstości24. W kilku badaniach wykorzystujących dane dotyczące średniej i wariancji z początkowych badań zbadano precyzję i ustalono, że 5,6 km to maksymalna odległość, w jakiej stacje powinny być rozmieszczonew odległości 5,25,26. Na systemowy projekt doboru próby w badaniu wpłynęły cele badania. Granice stref SAMS zmieniają się często i często po przeprowadzeniu badańankietowych 21,27. Systemowe dobór próby pozwala uniknąć poważnego problemu stratyfikacji granic w przypadku oszacowań przestrzennych, który ma wpływ na losowo stratyfikowane lub optymalnie przydzielone projekty badań20. Jednolity przydział stanowisk ułatwia również wykrywanie nowych rekrutacji przegrzebków oraz mapowanie osadów dna morskiego i rozmieszczenia makrobezkręgowców28. Jedynym krokiem, w którym może nie być możliwe uwzględnienie zachowania gatunków docelowych i celów badania, jest identyfikacja statku badawczego, dlatego też protokół rozpoczyna się od tego kroku. Statek jest niezbędny do pobierania próbek na morzu i dyktuje kolejne etapy projektowania badań. W przypadku naszych protokołów kluczowe znaczenie miało zaangażowanie komercyjnego przemysłu rybnego w celu zwiększenia przejrzystości metod badań i zaufania do wyników badań. Wykorzystanie komercyjnych statków rybackich było skutecznym sposobem na włączenie przemysłu do naszych metod, a rozmiar i możliwości statków pozwoliły na użycie dużej, ciężkiej aparatury fotograficznej i stacji badawczych na pobranie próbek w wymaganym czasie. Co więcej, właściciele statków byli odpowiedzialni za wszystkie koszty związane z użytkowaniem statków i otrzymywali rekompensatę w postaci przydziału funtów przegrzebków przyznawanego przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną w ramach Atlantic Scallop Research Set-AsideProgram 29. Chociaż nie jest konieczne angażowanie przemysłu w badania, przed opracowaniem innych aspektów projektu badań należy wziąć pod uwagę wielkość, możliwości i koszty dostępnych statków.

Aspekty gromadzenia i przetwarzania danych w protokołach stanowią największą zaletę, ale także ograniczenie tej metody. Korzystanie z niestandardowego oprogramowania i baz danych do ilościowego określania danych na obrazach wiąże się ze znacznymi kosztami. Jednak wykorzystanie tych produktów w badaniu SMAST Drop Camera stanowi ewolucję programu rozpoczętego w 1999 roku i nie jest niezbędne. Na przykład, kiedy program został uruchomiony, liczenie przegrzebków było wykonywane za pomocą długopisu i papieru, a teraz dostępne jest bezpłatne oprogramowanie do pomiaru na obrazach. Podobnie wybrano obecny cyfrowy aparat fotograficzny, ponieważ był on w stanie wykryć wszystkie klasy wielkości przegrzebków i pozwolił na około 200% powiększenie bez utraty jakości obrazu (ryc. 3), ale tańsze aparaty o niższej rozdzielczości używane wcześniej w badaniu były w stanie w pełni wykryć przegrzebki o rozmiarach komercyjnych30. Podobnie jak w przypadku protokołów projektowania badań, typ kamery powinien być powiązany z rozdzielczością potrzebną do wykrycia gatunku docelowego i osiągnięcia celów badania. Przechwytywanie obrazów i nagrywanie wideo na każdej stacji zapewnia znaczną przewagę nad tradycyjnymi metodami pomiarowymi, zapewniając ciągłą możliwość ponownego przeglądania próbek i rozszerzania analizy na taksony lub cechy siedlisk, które nie zostały początkowo wyśledzone lub policzone. Na przykład obrazy z dolarami piaskowymi i innymi szkarłupniami pierwotnie odnotowanymi jako obecne lub nieobecne w bazie danych SMAST zostały ponownie przeanalizowane w celu ilościowego określenia ich liczebności i biomasy w czasie12. Natomiast próbki pochodzące z bardziej tradycyjnych metod badawczych, takich jak pogłębiarki lub sieci, są wyrzucane do morza i nie można ich ponownie zbadać. Jednak postępy, które pozwalają na wykonywanie i przechowywanie ogromnych ilości obrazów, mogą skutkować zebraniem milionów obrazów przy wykorzystaniu tylko niewielkiej części. Wynika to w dużej mierze z ograniczeń czasowych i kosztowych, ponieważ do ekstrakcji danych potrzebni są ludzie, co skutkuje dużymi ilościami niewykorzystanych informacji31. Postępy w zautomatyzowanym wykrywaniu zwierząt i cech siedlisk mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu.

Metody badań oparte na obrazach mogą dostarczyć danych niezbędnych do monitorowania makrobezkręgowców i związanych z nimi siedlisk, ale uzupełnienie opisanych tutaj protokołów innymi metodami zbierania próbek biologicznych jest idealne. Bez stosunku masy mięsa do wysokości muszli przegrzebka, utworzonego na podstawie pobierania próbek z pogłębiarki, oszacowanie biomasy nie byłoby możliwe. Co więcej, zależność między wysokością muszli przegrzebka a wagą mięsa zmienia się w zależności od czasu i lokalizacji w Georges Bank, co wskazuje, że konsekwentna aktualizacja równania używanego do opisania tej zależności jest korzystna32. Połączenie technik opartych na obrazie i próbie fizycznej pomaga również w badaniu uprzedzeń i założeń każdej metody. Pomiar wysokości muszli przegrzebków na obrazach z kamery kroplowej za pomocą suwmiarki pozwolił określić ilościowo odchylenie pomiaru związane z krzywizną obiektywu kamery i odległością od środka obrazu33. I odwrotnie, sparowane porównania między obrazami a holownikami pogłębiarek pomogły określić, jaka proporcja przegrzebków na dnie morskim jest faktycznie zbierana i jak proporcja ta zmienia się wraz z rozmiarem przegrzebka6.

Obrazowanie podwodne jest stosowane w dziedzinie ekologii morskiej od dziesięcioleci17,34. Jednak malejące koszty kamer o wysokiej rozdzielczości i przechowywania danych sprawiły, że podejście to stało się bardziej praktyczne niż w przeszłości. Metody opisane w tym artykule można uogólnić i mają szerokie zastosowanie, co ułatwia opracowywanie większej liczby badań opartych na obrazach. Dokładniej rzecz ujmując, procedury te pokazują, w jaki sposób wyniki można wykorzystać do uzyskania danych, które pomogą w zarządzaniu bezkręgowcami bezkręgowymi (tabele 1-2) i przyczynią się do szerszego zrozumienia środowiska morskiego 7,9,10,11,12,13,14,15.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Dziękujemy studentom, pracownikom, kapitanom i załogom, którzy uczestniczyli w tych wyprawach badawczych oraz właścicielom, którzy udostępnili swoje statki. Podziękowania dla T. Jaffariana za opracowanie programu do zbierania danych laboratoryjnych, firmy Electromechanica, Inc. za opracowanie oprogramowania i sprzętu terenowego oraz dla CVision Consulting za opracowanie programu adnotatora obrazu. Finansowanie zostało zapewnione przez nagrody NOAA NA17NMF4540043, NA17NMF4540034 i NA17NMF4540028. Poglądy wyrażone w niniejszym dokumencie są poglądami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy NOAA.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Bobcat, 43.3mm, F-Mount, 6600x4400, 1.9/2.4 fps, kolor, GigE VisionImperx PoE-B6620C-TF00Cyfrowa kamera fotograficzna
Ace - EV76C560, 1/1.8", C-Mount, 1280x1024, 60fps, kolor, CMOS, GigE Kamera wideoBasleracA1300-60g
HD Stock Obudowa MV 40-25. Czarne anodowane aluminium, standardowy port kopułkowy 5,3", złącze DBCR2008M   SextonMV 40-25Obudowa podwodna do cyfrowego aparatu fotograficznego
Stock Obudowa MV 25-25. Czarne anodowane aluminium, standardowy port kopułkowy 3,4", złącze DBCR2008M   SextonMV 25-25Obudowa podwodna do kamery wideo HD
Optyczny pierścień ślizgowyMOOG180-2714-00Transmisja sygnałów zasilających i elektrycznych do obracającego się na wciągarce
światłowodowyCortlandOCG0010Transmisja energii i sygnałów elektrycznych ze skrzynki przyłączeniowej do pokładu statku/sterówki
Bieg sterówki ElectromechanicaEM0117-02Odcinek przewodu światłowodowego przystosowany do włączenia do optycznego pierścienia ślizgowego z jednej strony i zasilania światłem i komputera z drugiej
Podwodna skrzynka przyłączeniowaElectromechanicaEM0117-01Podłączenie sygnałów zasilających i elektrycznych z kamery i świateł do hybrydowego
kamerySubConnDIL8F/LS2000/10FT/LS2000/DIL8MTransmisja sygnałów zasilających i elektrycznych z kamery do skrzynki przyłączeniowej
świetlnySEACONHRN-S0484Transmisja sygnałów zasilających i elektrycznych z lamp do skrzynki przyłączeniowej
Komputer stacjonarnyRóżneniestandardowesystemy operacyjne oparte na systemie Windows z interfejsem światłowodowym
Wciągarka hydraulicznaZróżnicowany MarineCustomWciągarka wrażliwa na naprężenie do rozmieszczania i pobierania światłowodowego
Stalowa piramidaNiebieska flota SpawanieNiestandardoweurządzenie do rozmieszczania kamer i świateł
Stalowy żurawikNiebieska flota spawalniczaNiestandardowaZawiesza światłowodowy nad burtą statku Koło pasowe
z włókna szklanego w metalowej obudowieZróżnicowanyzwyczajmorskiMocuje się do żurawika, prowadzi światłowodowy przez burtę statku i do wody
Sealight Sphere 6500, Day Light White, FloodDeepSea Power & Światło712-045-201-0A-01Podwodne światło LED
GPSMAP 78Garmin 01-00864-00Urządzenie Global Positioing System
ArcPad 10.2 ESRIN/AMobilny program do mapowania pól
Podwodny system akwizycji wizyjnejElectromechanicaUVASProgram do zbierania danych terenowych
DigitzerUniversity of Massachusetts, DartmouthN/AProgram do zbierania danych laboratoryjnych
FishAnnotatorCvision Consulting0.3.0Program do adnotacji obrazów
ArcMap 10.4 Oprogramowanie do tworzenia mapESRInie dotyczy

Bibliografia

  1. Stokesbury, K. D. E., O'Keefe, C. E., Harris, B. P. Fisheries Sea Scallop, Placopecten magellanicus. Scallops: Biology, Ecology, Aquaculture, and Fisheries. Shumway, S., Parsons, G. J. , 3rd ed, Elsevier B.V. Amsterdam. (2016).
  2. NMFS (National Marine Fisheries Service). Fisheries Economics of the United States, 2015. , U.S. Dept. of Commerce, NOAA Tech Memo. NMFS-F/SPO-170 (2015).
  3. Stokesbury, K. D. E., Himmelman, J. H. Spatial distribution of the giant scallop Placopecten magellanicus in unharvested beds in the Baie des Chaleurs, Québec. Mar. Ecol. Prog. Ser. 96, 159-168 (1993).
  4. Stokesbury, K. D. E., Himmelman, J. H. Examination of orientation of the giant scallop, Placopecten magellanicus, in natural habitats. Can. J. Zool. 73, 1945-1950 (1995).
  5. Stokesbury, K. D. E., Harris, B. P., Marino, M. C., Nogueira, J. I. Estimation of sea scallop abundance using a video survey in off-shore USA waters. J. Shellfish Res. 23, 33-44 (2004).
  6. Malloy, R. Jr, Bethoney, N. D., Stokesbury, K. D. E. Applying dredge and optical methods to compare sediment classification and size frequency of the sea scallop (Placopecten magellanicus). J. Shellfish Res. 34 (2), 657(2015).
  7. Bethoney, N. D., Zhao, L., Chen, C., Stokesbury, K. D. E. Identification of persistent benthic assemblages in areas with different temperature variability patterns through broad-scale mapping. PLoS ONE. 12 (5), e0177333(2017).
  8. NEFSC (Northeast Fisheries Science Center). Stock assessment for Atlantic sea scallops in 2014. 59th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (59th SAW) Assessment Report. , U.S. Dept. of Commerce. NEFSC Ref. Doc. 14-09 (2010).
  9. MacDonald, A. M., Adams, C. F., Stokesbury, K. D. E. Abundance estimates of skates (Rajidae) on the continental shelf of the northeastern USA using a video survey. Trans. Am. Fish. Soc. 139, 1415-1420 (2010).
  10. Marino, M. C. II, Juanes, F., Stokesbury, K. D. E. Effect of closed areas on populations of sea star Asterias spp. On Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser. 347, 39-49 (2007).
  11. Marino, M. C. II, Juanes, F., Stokesbury, K. D. E. Spatio-temporal variations of sea star Asterias spp. distributions between sea scallop Placopecten magellanicus beds on Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser. 382, 59-68 (2009).
  12. Rosellon-Druker, J. Describing echinoderm (Echinodermata) populations on Georges Bank and evaluating direct and indirect effects of marine protected areas on these populations. , University of Massachusetts Dartmouth. Ph.D thesis (2016).
  13. Stokesbury, K. D. E., Harris, B. P. Impact of limited short-term sea scallop fishery on epibenthic community of Georges Bank closed areas. Mar. Ecol. Prog. Ser. 307, 85-100 (2006).
  14. Harris, B. P., Stokesbury, K. D. E. The spatial structure of local surficial sediment characteristics on Georges Bank, USA. Cont. Shelf. Res. 30, 1840-1853 (2010).
  15. Harris, B. P., Cowles, G. W., Stokesbury, K. D. E. Surficial sediment stability on Georges Bank in the Great South Channel and on eastern Nantucket Shoals. Cont. Shelf. Res. 49, 65-72 (2012).
  16. Anderson, S. C., Mills-Flemming, J., Watson, R., Lotze, H. K. Rapid Global Expansion of Invertebrate Fisheries: Trends, Drivers, and Ecosystem Effects. PLoS ONE. 6 (3), e14735(2011).
  17. Murphy, H. M., Jenkins, G. P. Observational methods used in marine spatial monitoring of fishes and associated habitats: A review. Mar. Freshw. Res. 61, 236-252 (2010).
  18. Monk, J. How long should we ignore imperfect detection of species in the marine environment when modelling their distribution. Fish. Fish. 15, 352-358 (2014).
  19. O'Keefe, C. E., Carey, J. D., Jacobson, L. D., Hart, D. R., Stokesbury, K. D. E. Comparison of scallop density estimates using the SMAST scallop video survey data with a reduced view field and reduced counts of individuals per image. Appendix 3. 50th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (50th SAW) Assessment Report. , U.S. Dept. of Commerce. NEFSC Ref. Doc. 10-17 (2010).
  20. Cochran, W. G. Sampling Techniques. 3rd ed. , John Wiley & Sons. New York. (1977).
  21. NEFMC. Final Framework 28 to the Atlantic Sea Scallop Fishery Management Plan with Environmental Assessment, Regulatory Impact Review, and Regulatory Flexibility Analysis. , Newburyport, MA. Available from: http://www.nefmc.org/scallops/index.html (2017).
  22. Yochum, N., DuPaul, W. D. Size-selectivity of the northwest Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) dredge. J. Shellfish Res. 27, 265-271 (2008).
  23. Brand, A. R. Scallop ecology: distributions and behaviour. Scallops: biology, ecology and aquaculture. Shumway, S. , Elsevier B.V. Amsterdam. (1991).
  24. Krebs, C. J. Ecological Methodology. , Harper & Row Publishers Inc. New York. (1989).
  25. Stokesbury, K. D. E. Estimation of sea scallop, Placopecten magellanicus, abundance in closed areas of Georges Bank. Trans. Am. Fish. Soc. 131, 1081-1092 (2002).
  26. Adams, C. F., Harris, B. P., Stokesbury, K. D. E. Geostatistical comparison of two independent video surveys of sea scallop abundance in the Elephant Trunk Closed Area, USA. ICES J Mar Sci. 65, 995-1003 (2008).
  27. NEFMC. Final Framework 27 to the Atlantic Sea Scallop Fishery Management Plan with Environmental Assessment, Regulatory Impact Review, and Regulatory Flexibility Analysis. , Newburyport, MA. Available from: http://www.nefmc.org/scallops/index.html (2016).
  28. CIE (Center for Independent Experts). Individual Peer Review Report. Review of Sea Scallop Survey Methodologies and their Integration for Stock Assessment and Fishery Management. , New England Fisheries Science Center Scallop Survey Methods Peer Review Meeting 17-19 March 2015, New Bedford, MA (2015).
  29. NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Research Set-Aside Program. , Available from: https://www.nefsc.noaa.gov/coopresearch/rsa_program.html (2017).
  30. Marino, M. C. II, O'Keefe, C. E., Jacobson, L. D. Selectivity and efficiency of large camera video data from the SMAST video survey during 2003 - 2006: Appendix B7. 45th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (45th SAW) Assessment Report. , U.S. Dept. of Commerce. NEFSC Ref. Doc. 07-16 (2007).
  31. Chang, J., Hart, D. R., Shank, B. V., Gallagher, S. M., Honig, P., York, A. D. Combining imperfect automated annotations of underwater images with human annotations to obtain precise and unbiased population estimates. Methods Oceanogr. 17, 169-186 (2016).
  32. Hennen, D. R., Hart, D. R. Shell height-to-weight relationships for Atlantic sea scallops (Placopecten magellanicus) in offshore U.S. waters. J. Shellfish Res. 31 (4), 1133-1144 (2012).
  33. Jacobson, L. D., et al. Measurement errors in body size of sea scallops (Placopecten magellanicus) and their effect on stock assessment models. Fish. Bull. 108, 233-247 (2010).
  34. Mallet, D., Pelletier, D. Underwater video techniques for observing coastal marine biodiversity: A review of sixy years of publications (1952-2012). Fish. Res. 154, 44-62 (2014).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

obrazowanie podwodnepowi zania siedliskowegromadzenie danychprogram danych terenowychadnotacja obraz wanaliza pod o a
Metody badań obrazowych makrobezkręgowców bentosowych i ich siedlisk na przykładzie badania przegrzebka atlantyckiego za pomocą kamery opadowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.