Bilde basert kartlegging er en stadig mer praktisk, ikke-invasiv metode å prøve det marine miljøet. Vi presenterer protokollen til en dråpe kameraet undersøkelse som estimerer overflod og distribusjon av den atlantiske hav kamskjell (Placopecten magellanicus). Vi diskuterer hvordan denne protokollen kan generaliseres skal andre lever macroinvertebrates.
Undervanns bildebehandling har lenge vært brukt innen marin økologi men redusere kostnadene for høyoppløselig kameraer og datalagring har gjort tilnærming mer praktisk enn tidligere. Bilde-baserte undersøkelser tillater første prøver å bli revisited og er ikke-invasiv sammenlignet med tradisjonelle undersøkelse metoder som vanligvis innebærer garn eller dredges. Protokoller for avbildningsbasert undersøkelser kan variere sterkt, men bør drives av målet arter atferd og undersøkelsen mål. For å demonstrere dette, beskrive vi våre nyeste metodene for en Atlanterhavets kamskjell (Placopecten magellanicus) drop kameraet undersøkelsen et fremgangsmåter for eksempel og representant resultater. Prosedyren er delt i tre avgjørende skritt som inkluderer undersøkelse design, datainnsamling og dataprodukter. Påvirkning av kamskjell atferd og undersøkelsen målet å gi en uavhengig vurdering av amerikanske havet kamskjell ressursen på undersøkelsen prosedyre er deretter diskutert i forbindelse med generalisere metoden. Samlet bred anvendbarhet og fleksibilitet av University of Massachusetts Dartmouth skolen for Marine vitenskap og teknologi (SMAST) slipper kameraet undersøkelse viser metoden kunne generalisert og brukt en rekke fastsittende dyr eller habitat fokusert forskning.
Den atlantiske hav kamskjell (Placopecten magellanicus) er en marin bivalve mollusk distribuert gjennom kontinentalsokkelen i Nordvest-Atlanteren fra Gulf of St. Lawrence, Canada Cape Hatteras, North Carolina1. Sea kamskjell fisket i USA har opplevd enestående øker landinger og verdi de siste femten årene og har blitt en av landets høyeste verdsatt fiskeri med landinger verdt ca $440 millioner i 20152. Til tross for denne økningen, er kamskjell fiske innsats vesentlig redusert de siste 20 årene gjennom implementeringen av en området rotasjon system som mål å beskytte områder med juvenil kamskjell og fokusere fiske i områder med større kamskjell i høy tettheter1. Dette ledelse krever romlig-spesifikk informasjon om kamskjell tetthet og størrelse, som leveres av flere undersøkelser inkludert University of Massachusetts Dartmouth skolen for marin vitenskap og teknologi (SMAST) drop kameraet undersøkelse.
Målet med SMAST drop kameraet undersøkelsen er å gi en uavhengig vurdering av amerikanske havet kamskjell ressursen og tilknyttede habitat ressursbehandlere for fiskeri, marine forskere og fiskevær. Undersøkelsen ble utviklet sammen med kamskjell fiskere og gjelder quadrat prøvetaking teknikker basert på dykking studier3,4. Innledende undersøkelser tidlig på 2000-tallet fokusert på beregne tettheten av havet kamskjell i lukkede deler av et produktivt område av fisket kjent som Georges Bank5, men undersøkelsen utvidet til å dekke fleste kamskjell ressursen i amerikanske og kanadiske vann (≈100, 000 km2)6,7. Informasjon fra undersøkelsen har blitt innlemmet i kamskjell bestandsberegning gjennom Stock vurdering verksted prosessen og pålitelig gitt til New England Fisheries Management Council å hjelpe i årlige kamskjell harvest tildeling8. I tillegg har data fra SMAST drop kameraet undersøkelsen bidratt i flere måter å forstå økologi av ikke-kamskjell arter,7,,9,,10,,11,,12 og karakterisering av bunnlevende habitat13,14,15. Dette bredt anvendelige demonstrerer metoden kunne generalisert og brukt en rekke fastsittende dyr, potensielt bidra til å lindre problemet av utvidelsen av virvelløse fiskeri outpacing vitenskapelig kunnskap og politikk for å lykkes dem16. Videre, bildebasert prøvetaking er ikke-invasiv sammenlignet med tradisjonelle befolkningen Prøvetaking metoder og stadig mer rimelig grunn til å redusere kostnadene for høyoppløselig kameraer og data lagring17,18. Her presenteres 2017 metoder for SMAST drop kameraet undersøkelsen anvendt for kamskjell ledelse i den amerikanske delen av Georges Bank for å eksemplifisere prosedyren. Vi diskutere begrunnelsen bak denne fremgangsmåten for å hjelpe i generalisering og søknad til andre fastsittende dyr.
Undersøkelse design protokollene er fleksible, men det er viktig å vurdere målet artene atferd og undersøkelsen når generalisere disse protokollene. Gjennomgang og foreløpig eller første studier kan brukes å innlemme målet arter atferd i undersøkelse design. For eksempel er mindre enn en kamskjell i 12.5 m2 (0,08 kamskjell/m2) under bærekraftig kommersielt fiske tetthet23. Dermed av prøvetaking fire quadrats per stasjon, er et stasjon område knyttet til oppdage kamskjell på kommersielle tetthet. I tillegg anslår havet kamskjell er akkumuleres vanligvis snarere enn tilfeldig fordelt på havbunnen, påvirke hvordan stasjonen avstand påvirker presisjonen for tetthet24. Flere studier ved hjelp av mean og variansen data fra første studier undersøkt presisjon og fastslå at 5.6 km Maksimumsavstanden stasjonene skal plasseres apart5,25,26. Systemisk prøvetaking utformingen av undersøkelsen var påvirket av undersøkelsen mål. Grensene for sonene SAMS endres ofte og ofte etter undersøkelser har blitt gjennomført21,27. Systemisk prøvetaking unngår de alvorlige problemet med etter lagdeling av grenser for romlig anslag at optimalt tilordnede undersøkelse design20eller virkninger stratifisert tilfeldig. Jevn fordeling av stasjoner Letter også registreringen av kamskjell rekruttering og kartlegger havbunnen sedimenter og macroinvertebrate distribusjoner28. Ett trinn der det ikke kan være mulig å vurdere målet artene atferd og undersøkelsen er identifikasjonen av en undersøkelse fartøy, derfor protokollen begynner med dette trinnet. Et fartøy er avgjørende for på sea prøvetaking og dikterer påfølgende trinnene av undersøkelsen. For våre protokoller var det viktig å engasjere den kommersielle fiskeindustrien å fremme åpenhet i undersøkelsen metoder og tillit i undersøkelsesresultater. Bruke kommersielt fiskefartøy var en slagkraftige måte å inkludere industrien i våre metoder og størrelse og egenskapene til fartøyene tillatt for en stor, tung kameraet apparater og undersøkelsen stasjoner som skal avsøkes innen nødvendig tidslinjen. Videre fartøyets eiere var ansvarlig for alle kostnader forbundet med bruk av fartøyet og ble kompensert gjennom en fordeling av kamskjell pounds tildelt av National Oceanic and Atmospheric Administration gjennom Atlantic kamskjell forskning satt til side programmet 29. om det er ikke nødvendig å engasjere industri i spørreundersøkelser, størrelse, evner, og kostnader av tilgjengelig må vurderes før utvikle andre aspekter av undersøkelsen.
Data samling og bearbeiding aspekter protokollene presenterer den største fordelen, men også en begrensning av denne metoden. Bruk av tilpasset programvare og databaser å kvantifisere innenfor bilder kommer til en betydelig kostnad. Men bruk av disse produktene i SMAST drop kameraet undersøkelsen representerer en utvikling av et program som startet i 1999 og er ikke avgjørende. For eksempel når programmet først begynte, kamskjell teller ble gjort med penn og papir og fri programvare er nå tilgjengelig for måling i bilder. Tilsvarende ble det gjeldende digitalt stillbildekameraet valgt som det var i stand til å oppdage alle størrelse klasser kamskjell og tillatt for ca 200% forstørrelse uten tap av bildekvalitet (Figur 3), men lavere oppløsning, rimeligere kamera brukt tidligere i undersøkelsen kunne gjenkjenne kamskjell kommersiell størrelse30. Som med undersøkelse design protokoller, skal hvilken type kamera kobles til oppløsningen for å finne målet artene og oppnå undersøkelsen mål. Ta bilder og spille inn video på hver stasjon gir en betydelig fordel over tradisjonelle undersøkelse metoder ved å gi kontinuerlig muligheten til å besøke prøver og utvide analysen taxa eller habitat egenskaper utgangspunktet ikke spores eller nummerert. For eksempel bilder med sand dollar og andre pigghuder opprinnelig kjent som presenterer eller fraværende i den SMAST databasen var revisited for å kvantifisere sine overflod og biomasse gjennom tidspunktet12. Derimot prøver fra mer tradisjonelle undersøkelse metoder som dredges eller garn er forkastet på sea og kan ikke bli revisited. Fremskrittene som tillater enorme mengder bilder å bli tatt og lagret kan imidlertid føre millioner av bilder er samlet inn med bare en liten brøkdel utnyttet. Dette er hovedsakelig på grunn av tid og kostnader restriksjoner som mennesker er nødvendig for data utvinning og medføre store mengder unutilized informasjon31. Fremskritt innen Automatisert påvisning og habitat egenskaper kan bidra til å løse dette problemet.
Bilde basert undersøkelse metoder kan gi de nødvendige dataene for å overvåke macroinvertebrates og tilknyttede habitat, men supplere protokollene beskrevet her med andre metoder som samler biologiske prøver er ideelt. Uten et kamskjell shell høyde kjøtt vekt forhold, opprettet fra mudre-baserte prøvetaking, vil biomasse anslag ikke være mulig. Videre varierer kamskjell shell høyde kjøtt vekt forholdet med tid og sted på Georges Bank indikerer at konsekvent oppdatere ligningen brukes til å beskrive dette forholdet er gunstig32. Kombinere bilde og fysiske sample-basert teknikker også hjelpemidler i å utforske tilbøyeligheter og forutsetninger av hver metode. Måle shell høyder kamskjell i drop kamerabilder med calipers kvantifisert en måling skjevhet knyttet kurvatur av kameralinsen og avstand fra bildet center33. Derimot har sammenkoblede sammenligninger mellom bildene og mudre slep hjulpet definere hvilken del av kamskjell på havbunnen er innsamlet og hvordan andelen endres med kamskjell størrelse6.
Undervanns bildebehandling har brukt innen marin økologi for tiår17,34. Redusere kostnadene for høyoppløselig kameraer og datalagring har gjort tilnærming mer praktisk enn tidligere. Metodene som er beskrevet i dette dokumentet kan generaliseres og har bred anvendelse, bidrar til å forenkle utviklingen av flere bilde-baserte undersøkelser. Mer spesifikt, viser fremgangsmåtene hvordan resultatene kan brukes til å gi data for å administrere fastsittende dyr (tabeller 1-2) og bidra til en bredere forståelse av marine miljø7,9,10 ,,11,,12,,13,,14,,15.
The authors have nothing to disclose.
Takk til studenter, ansatte, kapteiner og mannskap som seilte på disse forskning turer og eiere som båtene deres. Takk T. Jaffarian for utvikling lab data collection programmet, Electromechanica, Inc. for å utvikle feltet programvare og utstyr, og CVision rådgivning for å utvikle bildet annotator programmet. Midler ble gitt av NOAA awards NA17NMF4540043, NA17NMF4540034 og NA17NMF4540028. Synspunktene her er de av forfatterne, og reflekterer ikke nødvendigvis synspunkter NOAA.
Bobcat, 43.3mm, F-Mount, 6600×4400, 1.9/2.4 fps, Color, GigE Vision | Imperx | PoE-B6620C-TF00 | Digital Still Camera |
Ace – EV76C560, 1/1.8", C-Mount, 1280×1024, 60fps, Color, CMOS, GigE | Basler | acA1300-60g | HD video camera |
Stock MV 40-25 Housing. Black Anodized Aluminum, 5.3" standard dome port, DBCR2008M connector | Sexton | MV 40-25 | Underwater housing for digital still camera |
Stock MV 25-25 Housing. Black Anodized Aluminum, 3.4" standard dome port, DBCR2008M connector | Sexton | MV 25-25 | Underwater housing for HD video camera |
Optical Slip Ring | MOOG | 180-2714-00 | Transmission of power and electrical signals to rotating cable on winch |
Fiber Optic Cable | Cortland | OCG0010 | Transmission of power and electrical signals from junction box to vessel deck/wheelhouse |
Wheelhouse Run | Electromechanica | EM0117-02 | Segment of fiber optic wire adapted to plug into optical slip ring on one end and light power and computer on the other |
Underwater Junction Box | Electromechanica | EM0117-01 | Connection of power and electrical signals from camera and lights to hybrid cable |
Camera Cable | SubConn | DIL8F/LS2000/10FT/LS2000/DIL8M | Transmission of power and electrical signals from camera to junction box |
Light Cable | SEACON | HRN-S0484 | Transmission of power and electrical signals from lights to junction box |
Desktop Computer | Various | Custom | Windows based operating system with fiber optic interface |
Hydraulic Winch | Diversified Marine | Custom | Tension sensitive winch for deployment and retrieval of fiber optic cable |
Steel Pyramid | Blue Fleet Welding | Custom | Apparatus for deploying cameras and lights |
Steel Davit | Blue Fleet Welding | Custom | Suspends fiber optic cable over the side of the vessel |
Fiberglass sheave in metal housing | Diversified Marine | Custom | Attaches to davit, guides fiber optic cable over the side of the vessel and into the water |
Sealight Sphere 6500, Day Light White, Flood | DeepSea Power & Light | 712-045-201-0A-01 | Underwater LED light |
GPSMAP 78 | Garmin | 01-00864-00 | Global Positioing System device |
ArcPad 10.2 | ESRI | N/A | Mobile field mapping program |
Undersea Vision Acquisition System | Electromechanica | UVAS | Field data collection program |
Digitzer | University of Massachusetts, Dartmouth | N/A | Lab data collection program |
FishAnnotator | Cvision Consulting | 0.3.0 | Image annotator program |
ArcMap 10.4 | ESRI | N/A | Mapping software |