Автоматическая обработка изображений для определения структуры размера сообщества речных макробеспозвоночных

Summary

Статья основана на создании адаптированного протокола сканирования, обнаружения, сортировки и идентификации оцифрованных объектов, соответствующих бентическим речным макробеспозвоночным с использованием полуавтоматической процедуры визуализации. Эта процедура позволяет получить индивидуальные распределения размеров и показатели размера сообщества макробеспозвоночных примерно за 1 ч.

Abstract

Размер тела является важной функциональной чертой, которая может быть использована в качестве биоиндикатора для оценки воздействия возмущений в природных сообществах. Структура размера сообщества реагирует на биотические и абиотические градиенты, включая антропогенные возмущения в таксонах и экосистемах. Однако ручное измерение мелкотелых организмов, таких как бентические макробеспозвоночные (например, >500 мкм до нескольких сантиметров в длину), занимает много времени. Чтобы ускорить оценку структуры размера сообщества, здесь мы разработали протокол полуавтоматического измерения индивидуального размера тела сохранившихся речных макробеспозвоночных, которые являются одним из наиболее часто используемых биоиндикаторов для оценки экологического состояния пресноводных экосистем. Этот протокол адаптирован из существующей методологии, разработанной для сканирования морского мезозоопланктона с помощью системы сканирования, предназначенной для проб воды. Протокол состоит из трех основных этапов: (1) сканирование подвыборок (мелких и грубых фракций размера выборки) речных макробеспозвоночных и обработка оцифрованных изображений для индивидуализации каждого обнаруженного объекта на каждом изображении; (2) создание, оценка и проверка обучающего набора с помощью искусственного интеллекта для полуавтоматического отделения отдельных изображений макробеспозвоночных от обломков и артефактов в отсканированных образцах; и 3) изображение размерной структуры сообществ макробеспозвоночных. В дополнение к протоколу эта работа включает результаты калибровки и перечисляет несколько проблем и рекомендаций по адаптации процедуры к образцам макробеспозвоночных и рассмотрению дальнейших улучшений. В целом, результаты подтверждают использование представленной сканирующей системы для автоматического измерения размеров тела речных макробеспозвоночных и свидетельствуют о том, что изображение их спектра размеров является ценным инструментом для быстрой биооценки пресноводных экосистем.

Introduction

Бентические макробеспозвоночные широко используются в качестве биоиндикаторов для определения экологического состояния водных объектов¹. Большинство индексов для описания сообществ макробеспозвоночных сосредоточены на таксономических показателях. Тем не менее, новые инструменты биооценки, которые интегрируют размер тела, поощряются для обеспечения альтернативной или дополнительной перспективы таксономических подходов ^2,3.

Размер тела считается метатравмой, которая связана с другими жизненно важными чертами, такими как метаболизм, рост, дыхание и движение

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол, описанный здесь, основан на системе, разработанной Gorsky et ^al.27 для морского мезозоопланктона. Конкретное описание сканера (ZooSCAN), программного обеспечения для сканирования (VueScan 9x64 [9.5.09]), программного обеспечения для обработки изображений (Zooprocess, ImageJ) и программного обеспечения автоматической идентификации (Plankton Identifier) можно найти в предыдущих ссылках^32,33. Чтобы наилучшим образом отрегулировать размеры бентических макробеспозвоночных по отношению к мезозоопланктону, после создания проекта по оригинальному протоколу

Results

Получение цифровых изображений образцов макробеспозвоночных
Нюансы сканирования: осаждение этанола в сканном лотке
При тестировании системы на макробеспозвоночных несколько сканирований были низкого качества. Темная насыщенная область на заднем плане препятствовала нормальной обработке изображения и измерению отдельных размеров макробеспозвоночных (рисунок 2). Было приведено несколько причин появления насыщенных областей на заднем плане или сильно пикс.......

Discussion

Адаптация методологии, описанной Gorsky et al. 2010 для речных макробеспозвоночных, позволяет обеспечить высокую точность классификации при оценке структуры размеров сообщества у пресноводных макробеспозвоночных. Результаты показывают, что протокол может сократить время оценки индивидуальной структуры размера в образце примерно до 1 часа. Таким образом, предлагаемый протокол призван содействовать регулярному использованию спектров размеров макробеспозвоночных в качестве быстрого и интегративного биоиндикатора для оценки .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Стакан	Labbox		Другие емкости можно использовать
Дионизированная вода	Icopresa	8420239600123	Для разбавления этанола
Воронка	Vitlab	41094
Стеклянные флаконы 8 мл	Labbox	SVSN-C10-195	1 флакон/подобразец
ImageJ Software	Бесплатный доступ		Версия 4.41o/ Программное обеспечение для обработки изображений
Большой кадр	Hydroptic	Предоставлено ZooScan	24,5 см x 15,8 см
Monalcol 96 (Этанол 96)	Montplet	1050JE001
Программное обеспечение для идентификации планктона	Бесплатный доступ		Версия 1.2.6/ Программное обеспечение для автоматической идентификации
Сито	Cisa	26852.2	Номинальная апертура 500&микро; и номинальная апертура 0,5 см
Пинцет	Bondline	B5SA	Нержавеющий, антимагнитный, антикислотный
VueScan 9 x 64 (9.5.09) Программное обеспечение	Hydroptic		Версия 9.0.51/ Программное обеспечение Sacn
Деревянная игла			Можно использовать любую пластиковую или деревянную иглу
Программное обеспечение Zooprocess	Бесплатный доступ		Версия 7.14/Программа для обработки изображений
ZooScan	Hydroptic	54	Версия III/ Сканер