|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[**] Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использован для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Способ включает подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, при этом вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле  где x i,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z ; n i,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z ∙ (i-1) ≤ d ∙ i; h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использован для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Способ включает подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, при этом вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле где x i,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z ; n i,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z ∙ (i-1) ≤ d ∙ i; h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.
Евразийское (21) 201200645 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. G01S17/00 (2006.01)
2013.09.30 G06Q 50/02 (2012.01)
(22) Дата подачи заявки 2012.05.25
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И РАЗМЕРНОЙ СТРУКТУРЫ ЗООПЛАНКТОНА В ВОДОЕМЕ
(31) 2012112246
(32) 2012.03.29
(33) RU
(71) Заявитель: ФЕДЕРАЛЬНОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ "СИБИРСКИЙ
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ" (RU)
(72) Изобретатель:
Задереев Егор Сергеевич, Толомеев Александр Павлович (RU)
(74) Представитель:
Черепанова Л.И. (RU) (57) Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использован для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Способ включает подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, при этом вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле
где XijKOнцентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое iвысотой znijKOличество организмов размерной группы jс зафиксированным вертикальным положением с1в диапазоне z-^-высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости. Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.
G01S17/00 G01N33/18
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры
зоопланктона в водоеме
Изобретение относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использовано для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем, с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов.
Классические исследования включают отбор проб зоопланктона и их последующий анализ под микроскопом. Существуют различные способы отбора проб зоопланктона: лов сеткой [Шаповалова И.М., Вологдин М.П. О количественном учете озерного бокоплава // Гидробиол. журн. 1973. IX. № 5.С. 85-89], батометром [Жадин В.И. Методы гидробиологического исследования. М.: Высш. шк. 1960. 189 с] или шланговым насосом [Trevorrow M.V., Tanaka Y. Acoustic and in situ measurements of freshwater amphipods (Jesogammarus annandalei) in Lake Biwa, Japan // Limnol. Oceanogr. 1997. V. 42. № 1. P. 121-132]. Анализ проб под микроскопом позволяет получить такие важные характеристики популяции как: размерный состав и распределение возрастных стадий, половую структуру, плодовитость.
Однако применение этих способов требует больших временных затрат как для отбора, так и обработки проб. Как следствие, нельзя получить мгновенную картину распределения животных в пространстве. Также известно, что животные способны избегать орудия лова, что приводит к недооценке их количества и большой статистической погрешности.
Наряду с классическими способами отбора зоопланктона применяются и автоматизированные подходы, например акустическое зондирование и подводные видеосъемки [Handbook of scaling methods in aquatic ecology: measurement, analysis, simulation / Edited by Seuront L, Strutton P.G. CRC Press. 2004. 600p.; Zooplankton methodology manual / Edited by Harris R.P. et al. Elsevier. 2000. 684p.].
Акустический мониторинг позволяет получать практически мгновенную картину распределения организмов в пространстве. Анализируется достаточно большая площадь водной толщи. Непрерывность регистрации эхосигналов в процессе зондирования также дает возможность оценить вертикальные миграции гидробионтов.
Однако этот метод имеет существенные ограничения при работе с низкой плотностью организмов. Также крайне затруднительно получить таксономический состав и морфометрию планктона.
Наиболее перспективным способом исследований являются способы подводного видеонаблюдения, активно развивающиеся в последние годы [Teece М.А. An inexpensive remotely operated vehicle for underwater studies // Limnol. Oceanogr.: Methods. 7. 2009. P. 206-215]. Подводные камеры позволяют получать качественное изображение организмов в широком размерном диапазоне, включая организмы зоопланктона [Schulz J., Barz К., Ayon P. Imaging of plankton specimens with the lightframe on-sight keyspecies investigation (LOKI) system // Journal of the European optical society-rapid publications. 5. 2010. P. 10017].
Более совершенной системой, подробно описанной в литературе, является UVP5 [Picheral М., Guidi L., Stemmann L., Karl D.M., Iddaoud G., Gorsky G. The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton // Limnol. Oceanogr.: Methods. 8. 2010. P. 462-^473]. Она использует в качестве подсветки объектов узколинейный стробоскопический источник света (длина волны 625нм), образующий перед камерой световую область с помощью двух установленных друг против друга световых модулей. Типичный размер светового луча каждого модуля составляет 3 х 20см.
Наиболее близким техническим решением является способ определения плотности концентрации рыб [п.2167434 РФ, МПК G01S17/00, опубл. 20.03.1998г.(прототип)], включающий съемку с помощью лазерной подводной телевизионной системы со стробированием по дальности и подсчетом визуально или с помощью компьютера числа рыб, наблюдаемых в кадре.
Основной недостаток данного способа, применительно к изучению вертикального распределения и размерной структуры организмов зоопланктона заключаются в следующем: он не позволяет установить точное индивидуальное вертикальное положение исследуемых объектов, поскольку все объекты на видеокадре фиксируются в достаточно широкой области пространства, имеющей форму сферического конуса. По этой же причине невозможно точное определение размера организмов.
Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.
Технический результат достигается тем, что в способе определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона, включающем подводную
видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов наблюдаемых в кадре с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, новым является то, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле:
хи =n,j(h-l-z), где
Xtj - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое / высотой z;
Пу~ количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным
положением d в диапазоне z-(/-l) < d h - высота и / - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется графическими материалами:
На фиг.1 представлена схема устройства, осуществляющего видеодетекцию планктонных организмов описываемым способом.
На фиг.2 дан пример вертикального распределение численности организмов зоопланктона (экз./л) размером менее 2 мм, зарегистрированных с помощью системы видеодетекции с лазерной подсветкой в озере Шира (Россия, Хакасия) (09.10.2011).
Для решения данной проблемы предлагается использовать способ подводной видео детекции, использующий узкую фронтальную лазерную подсветку организмов.
Устройство (фиг.1) состоит из погружаемого блока, включающего: цифровую цветную видеокамеру (1), лазерный модуль (2), гидростатический датчик глубины (3), и регистрирующего компьютера (4). Элементы погружаемого блока закреплены на треножном штативе (5). В верхней части штатива располагается направленная вниз видеокамера, помещенная в водонепроницаемый бокс (6) с обзорным окном (7). Опоры штатива служат для крепления гидростатического датчика глубины и лазерного модуля, которые располагаются на одном уровне. Видеокамера и датчик глубины соединены с регистрирующим компьютером комбинированным кабелем (8). По кабелю осуществляется передача видеоданных и управление видеокамерой, передача сигнала с датчика глубины, а также питание видеокамеры и лазерного модуля. Лазерный модуль
крепится на штативе таким образом, чтобы генерируемая лазерная плоскость (9) была перпендикулярна главной оптической оси объектива видеокамеры, а зона видимости камеры (10) находилась внутри границ лазерной плоскости. Расстояние от объектива камеры до лазерной плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы исследуемые объекты, находящиеся на этом расстоянии были достаточно хорошо различимы на видеокадрах с целью последующего определения их размера.
Предлагаемый способ подсчета организмов в водной толще осуществляется следующим образом. Погружаемый блок устройства опускают в водоем от поверхности до дна равномерно с заданной скоростью. При опускании ведется непрерывная запись изображения с камеры и значений датчика глубины с помощью регистрирующего компьютера. В результате сканирования водной толщи лазерной плоскостью все встреченные организмы подсвечиваются и их изображения записываются в видеофайл. Максимальная скорость опускания устройства определяется скоростью захвата изображений видеокамерой, т.е. камера должна сделать не менее одного кадра за то время, пока объект остается подсвеченным.
Определение размерного состава и вертикального распределения планктонных организмов выполняется на основе компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально (в случае малых численностей или низких требований к точности). В кадре подсвеченные организмы имеют более высокую яркость и оттенок, соответствующий цвету лазера (фиг.1, позиция 11), что позволяет их легко отличать от фона и организмов, находящихся вне лазерной плоскости (фиг.1, позиция 12). Точное вертикальное положение каждого подсвеченного организма определяется на основе показаний датчика глубины, установленного на одном уровне с лазерной плоскостью. В видеофайле отмечается время, когда организм попадает в свет лазера и для этого же времени находится значение в файле данных датчика глубины. Найденное значение глубины присваивается наблюдаемому организму. В итоге, после обработки всего видеофайла, устанавливается вертикальное положение всех организмов в сканированном столбе воды. Поскольку расстояние от объектива камеры до подсвеченного объекта всегда постоянно, то размеры организмов находят путем прямого измерения их изображений в кадре в пикселях и последующего перевода в метрические единицы. Для перевода используют коэффициент к, определяющий, сколько метрических единиц зоны лазерной плоскости отображает один пиксель. Коэффициент к может быть найден как:
/- длина (или ширина) зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости в метрических единицах; - соответствующая длина (или ширина) кадра в пикселях.
Например, если длина изображения подсвеченного объекта в кадре /,wg=10 пикселей, ширина кадра //= 640 пикселей, а ширина зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости / = 50 мм, то реальный размер объекта /0А, В мм будет
1,=к-1 = - -10 = 0.781
'obj п img
В гидробиологических исследованиях часто необходимо получить данные о вертикальном распределении численности и биомассы планктонных организмов, а также найти их интегральные величины в столбе воды под метром квадратным. Предлагаемый способ позволяет легко рассчитать эти значения по результатам видеодетекции. Если вся вертикаль водной толщи разбита на N слоев высотой z, то концентрация численности организмов зоопланктона x(J каждой размерной группы j в слое i будет определяться как
rijj- количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z-(/-l) < d h - высота и / - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.
Биомасса организмов зоопланктона 6; в слое /' будет определяться как
а, - соответствующий размерно-весовой коэффициент.
Интегральная численность X и биомасса В в выделенном столбе воды под метром квадратным будет определяться согласно формулам:
N N
Х = ^- и 5 = - h-l h-l
Пример вертикального распределения концентрации организмов зоопланктона представлен на фиг.2.
Заявляемый способ определения размерной структуры и вертикального распределения планктонных организмов, за счет использования узкой фронтальной лазерной подсветки организмов позволяет определить точное местоположение объекта (до нескольких миллиметров) в пространстве, его размерные характеристики, а также получить более контрастное изображение относительно фона, что значительно облегчает автоматический подсчет количества встреченных объектов.
ФОРМУЛА
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме, включающий подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов наблюдаемых в кадре с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле:
xtJ =nl j(h-l-z), где
Xfj - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое / высотой z;
riij- количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным
положением d в диапазоне z (7-1) < d h - высота и / - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.
12 ^
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме
Фиг.1
Фиг.2
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме
А. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕДМЕТА ИЗОБРЕТЕНИЯ:
GO IS 17/00 (2006.01) G06Q SO/02 (2012.01)
Согласно Международной патентной классификации (МПК) или национальной классификации и МПК
Б. ОБЛАСТЬ ПОИСКА:
Минимум просмотренной документации (система классификации и индексы МПК) GO IN 33/00, GO IS 15/00, 15/96, 17/00-17/88, G06Q 50/00-50/02
Другая проверенная документация в той мере, в какой она включена в область поиска:
В. ДОКУМЕНТЫ, СЧИТАЮЩИЕСЯ РЕЛЕВАНТНЫМИ
Категория*
Ссылки на документы с указанием, где это возможно, релевантных частей
Относится к пункту №
RU 2167434 С2 (ПОЛЯРНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МОРСКОГО РЫБНОГО ХОЗЯЙСТВА И ОКЕАНОГРАФИИ ИМ. Н. М. КНИПОВИЧА) 20.05.2001
Egor S. Zadereev et al. The vertical distribution and abundance of Gammarus lacustris in the pelagic zone of the meromictic lakes Shira and Shunet (Khakassia, Russia). Aquat Ecol (2010) 44:531-539
SU 1119456 A1 (ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ ТОМСКОГО ФИЛИАЛА СО Al 1 СССР) 15.09.1992
* Особые категории ссылочных документов:
"А" документ определяющий общий уровень техники
"Е" более ранний документ, но опубликованный на да1л-
подачи евразийской заявки или после нее "О" документ, относящийся к устному раскрытию, экспонированию и т.д.
"Р" документ, опубликованный до даты подачи евразийской
заявки, но после даты испрашиваемого приоритета "D" документ, приведенный в евразийской заявке
| | последующие документы указаны в продолжении графы В Г~| данные о патентах-аналогах указаны в приложении
"Т" более поздний документ, опубликованный после даты приоритета и приведенный для понимания изобретения "X" документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету поиска, порочащий новизну или изобретательский уровень, взятый в отдельности
"Y" документ, имеющий наиболее близкое отношение к предмету
поиска, порочащий изобретательский уровень в сочетании с
другими документами той же категории
" &" документ, являющийся патентом-аналогом
"L" документ, приведенный в других целях
(19)
|
