Automatyczne przetwarzanie obrazu w celu określenia struktury wielkości zbiorowiska makrobezkręgowców rzecznych

Summary

Artykuł opiera się na stworzeniu dostosowanego protokołu do skanowania, wykrywania, sortowania i identyfikowania zdigitalizowanych obiektów odpowiadających makrobezkręgowcom rzecznym bentosowym za pomocą procedury półautomatycznego obrazowania. Procedura ta pozwala na uzyskanie indywidualnych rozkładów wielkości i metryk wielkości zbiorowiska makrobezkręgowców w ciągu około 1 godziny.

Abstract

Rozmiar ciała jest ważną cechą funkcjonalną, która może być wykorzystana jako bioindykator do oceny wpływu zaburzeń w naturalnych zbiorowiskach. Struktura wielkości zbiorowiska reaguje na gradienty biotyczne i abiotyczne, w tym antropogeniczne perturbacje między taksonami i ekosystemami. Jednak ręczny pomiar małych organizmów, takich jak makrobezkręgowce bentosowe (np. >500 μm do kilku centymetrów długości) jest czasochłonny. Aby przyspieszyć oszacowanie struktury wielkości zbiorowiska, opracowaliśmy protokół do półautomatycznego pomiaru indywidualnej wielkości ciała zachowanych makrobezkręgowców rzecznych, które są jednym z najczęściej stosowanych bioindykatorów do oceny stanu ekologicznego ekosystemów słodkowodnych. Protokół ten został zaadaptowany z istniejącej metodologii opracowanej do skanowania mezozooplanktonu morskiego za pomocą systemu skanowania przeznaczonego do próbek wody. Protokół składa się z trzech głównych etapów: (1) skanowania podpróbek (drobnych i grubych frakcji wielkości próbki) makrobezkręgowców rzecznych i przetwarzania zdigitalizowanych obrazów w celu indywidualizacji każdego wykrytego obiektu na każdym obrazie; (2) tworzenie, ocenianie i walidacja zbioru uczenia się za pomocą sztucznej inteligencji w celu półautomatycznego oddzielenia indywidualnych obrazów makrobezkręgowców od detrytusu i artefaktów w zeskanowanych próbkach; oraz (3) przedstawienie struktury wielkości zbiorowisk makrobezkręgowców. Oprócz protokołu, praca ta obejmuje wyniki kalibracji i wymienia kilka wyzwań i zaleceń dotyczących dostosowania procedury do próbek makrobezkręgowców i rozważenia dalszych ulepszeń. Ogólnie rzecz biorąc, uzyskane wyniki przemawiają za wykorzystaniem zaprezentowanego systemu skanowania do automatycznego pomiaru wielkości ciała makrobezkręgowców rzecznych i sugerują, że przedstawienie ich spektrum wielkości jest cennym narzędziem do szybkiej oceny biologicznej ekosystemów słodkowodnych.

Introduction

Makrobezkręgowce bentosowe są powszechnie używane jako bioindykatory do określania stanu ekologicznego zbiorników wodnych¹. Większość wskaźników opisujących zbiorowiska makrobezkręgowców koncentruje się na wskaźnikach taksonomicznych. Zachęca się jednak do stosowania nowych narzędzi oceny biologicznej, które uwzględniają rozmiar ciała, aby zapewnić alternatywną lub uzupełniającą perspektywę dla podejść taksonomicznych^2,3.

Rozmiar ciała jest uważany za metacechę, która jest związana z innymi istotnymi cechami, takimi jak metabolizm, wzrost, oddychanie i ruch

Protocol

UWAGA: Opisany tutaj protokół jest oparty na systemie opracowanym przez Gorsky et al.²⁷ dla morskiego mezozooplanktonu. Szczegółowy opis kroków skanera (ZooSCAN), oprogramowania skanującego (VueScan 9x64 [9.5.09]), oprogramowania do przetwarzania obrazu (Zooprocess, ImageJ) i oprogramowania do automatycznej identyfikacji (Plankton Identifier) można znaleźć w poprzednich odniesieniach^32,33. Aby jak najlepiej dostosować rozmiary makrobezkręgowców bentosowych w odniesieniu do mezozooplanktonu, po utworzeniu projektu zgodnie z oryginalnym protokołem^32,

Results

Akwizycja cyfrowych obrazów próbek makrobezkręgowców
Niuanse skanowania: Osadzanie etanolu w podajniku skanowania
Podczas testowania systemu pod kątem makrobezkręgowców kilka skanów było słabej jakości. Ciemny, nasycony obszar w tle uniemożliwiał normalne przetwarzanie obrazu i pomiar poszczególnych rozmiarów makrobezkręgowców (Rysunek 2). Podano kilka powodów pojawienia się nasyconych obszarów w tle lub silnie rozpikselowanych obrazów: (1) obecność zbyt wiel.......

Discussion

Adaptacja metodologii opisanej przez Gorsky'ego i wsp. 2010 dla makrobezkręgowców rzecznych pozwala na uzyskanie wysokiej dokładności klasyfikacyjnej w szacowaniu struktury wielkości zbiorowisk u makrobezkręgowców słodkowodnych. Wyniki sugerują, że protokół może skrócić czas szacowania indywidualnej struktury wielkości w próbce do około 1 godziny. W związku z tym proponowany protokół ma na celu promowanie rutynowego stosowania widm wielkości makrobezkręgowców jako szybkiego i integracyjnego bioindykatora do oceny wpływu .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Zlewka	Labbox		Można użyć innych pojemników Woda
dzbanizowana	Icopresa	8420239600123	Do rozcieńczania etanolu
Lejek	Vitlab	41094
Fiolki szklane 8 ml	Labbox	SVSN-C10-195	1 fiolka/podpróbka
Oprogramowanie ImageJ	Bezpłatny dostęp		Wersja 4.41o/ Oprogramowanie do przetwarzania obrazu
Duża rama	Hydroptyczna	Dostarczone przez ZooScan	24,5 cm x 15,8 cm
Monalcol 96 (Etanol 96)	Montplet	1050JE001
Oprogramowanie do identyfikacji planktonu	Bezpłatny dostęp		Wersja 1.2.6/ Oprogramowanie do automatycznej identyfikacji
Sito	Cisa	26852.2	Otwór nominalny 500&mikro; i apertura nominalna 0,5 cm
Pęseta	Bondline	B5SA	Nierdzewny, antymagnetyczny, przeciwkwasowe
oprogramowanie VueScan 9 x 64 (9.5.09)	Wersja hydroptyku		9.0.51/ Oprogramowanie Sacn
Igła drewniana			Można użyć dowolnej igły plastikowej lub drewnianej
Oprogramowanie Zooprocess	Bezpłatny dostęp		Wersja 7.14/Oprogramowanie do przetwarzania obrazu
ZooScan	Skaner Hydroptic	54	Wersja III/ Skaner