Desarrollo de nuevos métodos para cuantificar la densidad de peces utilizando herramientas de estéreo y vídeo subacuáticos
Summary
Describimos un nuevo método para el conteo de peces y estimación de abundancia relativa (MaxN) y la densidad de peces utilizando sistemas de estéreo y vídeo cámara de rotación. También se demuestra cómo utilizar distancia desde la cámara (distancia Z) para estimar la capacidad de detección específicos.
Abstract
El uso de sistemas de cámaras de video en estudios ecológicos de peces continúa ganar la tracción como un método viable y no extractivo de medición longitudes de peces y estimar la abundancia de peces. Desarrolló e implementó una herramienta de cámara de vídeo estéreo giratoria que cubre 360 grados de toma de muestras, que maximiza el esfuerzo de muestreo en comparación con las herramientas de cámara estacionarios. Una variedad de estudios han detallado la capacidad de los sistemas estáticos, equipo de música de cámara para obtener mediciones altamente exactas y precisas de los peces; el objetivo aquí era en el desarrollo de enfoques metodológicos para cuantificar la densidad de peces utilizando sistemas de cámara giratoria. El primer enfoque fue desarrollar una modificación de la métrica MaxN, que normalmente es una cuenta conservadora del número mínimo de peces observada en una encuesta de la cámara. Redefinimos MaxN para ser el número máximo de peces observada en cualquier rotación dado el sistema de cámara. Cuando se toman las precauciones para evitar la doble contabilidad, este método para MaxN puede reflejar más exactamente verdadera abundancia obtenida desde una cámara fija. En segundo lugar, porque video estéreo permite pescado a asignarse en un espacio tridimensional, estimaciones precisas de la distancia de la cámara pueden obtenerse para cada pez. Utilizando el percentil 95% de la distancia observada desde la cámara para establecer áreas específicos estudiadas, nos cuenta las diferencias en la detectabilidad entre especies evitando la dilución de las estimaciones de densidad mediante el uso de la distancia máxima que era una especie observado. Contabilidad para esta gama de detección es fundamental para estimar con precisión la abundancia de peces. Esta metodología facilitará la integración de rotación estéreo video herramientas en contextos de gestión y ciencia aplicada.
Introduction
A lo largo de la costa del Pacífico de Estados Unidos, muchas de las especies importantes para la pesca comercial y recreativa peces de fondo (por ejemplo, el complejo de rockfish (Sebastes spp.) y bacalao (Ophiodon elongatus)) están fuertemente asociados con hábitats de alto relieve, duros1,2,3,4,5. Gota de estéreo y vídeo cámaras son una atractiva herramienta no extractivo en hábitats rocosos debido a la relativa facilidad y simplicidad de la operación. Una variedad de sistemas de cámara de vídeo estéreo se han desarrollado y desplegado en el hemisferio sur, aguas poco profundas de los ecosistemas6,7,8,9,10y gota-cámaras de videos han ganado recientemente, tracción como una herramienta de gestión para entornos de arrecife rocoso de aguas profundas a lo largo de la costa del Pacífico11,12,13. Se intentó modificar estos diseños existentes de la cámara estéreo mediante un sistema de cámara de vídeo estéreo (en lo sucesivo, “Lander”) para caracterizar mejor las poblaciones de peces en alto relieve seafloors a lo largo de la costa del Pacífico central (ver tabla de de Materiales). El Lander utilizado era diferente de los sistemas de videos existentes porque las cámaras se montaron a un bar giratorio central, que permite un completo 360° de cobertura del fondo marino en la ubicación de gota14. El Lander completó una rotación por minuto, lo que nos permitió caracterizar la abundancia y composición de la comunidad de un área rápidamente y alcanzar el mismo nivel de poder estadístico con menos despliegue de Lander. (Véase Starr (2016)14 para mayor detalle sobre las características de la configuración del módulo de aterrizaje). Pruebas preliminares en el sistema del estudio sugirieron que ocho rotaciones de las cámaras en nuestros estudios eran suficientes para caracterizar la riqueza y abundancia de las especies. Esta determinación se hizo por una observación de los rendimientos decrecientes en la abundancia de las especies y densidad de peces sobre las gotas más. Recomendamos que se realizó un estudio piloto incluyendo tiempos más largos de remojo en cualquier nuevo sistema para determinar el tiempo de remojo óptimas para una especie de estudio de ecosistema dado.
Mediante el uso de cámaras estéreo pares, tanto área de estudio total y densidad de peces absoluta puede calcularse para cada encuesta video; sin embargo, el uso de cámaras de rotación hizo necesario la modificación del tradicional pescado cuenta métricas. Estacionarios Videosistemas utilizan más a menudo “MaxN” como una conservador cuenta de peces en un despliegue6,10. MaxN tradicional describe el número máximo de peces de una determinada especie observado juntos en un solo fotograma de vídeo, con el fin de evitar el doble conteo de un pez que se dejaron y regresaron a marco. MaxN ha sido por lo tanto una estimación del número mínimo de peces conocidos para estar presente y puede subestimar el verdadero pescado abundancia6,10. La métrica MaxN fue redefinida para representar el mayor número de peces en cada rotación completa de las cámaras.
La segunda modificación a los métodos anteriores de videos estéreos era para tener en cuenta el hecho de que las especies de diferentes tamaños, color, y formas tienen diferentes distancias máximas de una identificación fiable. Por ejemplo, especies grandes como elongatus o tienen una forma alargada y pueden identificarse confiablemente a distancias mucho mayores en comparación con especies pequeñas y enigmáticas como el Squarespot Rockfish (Sebastes hopkinsi). Estos diferentes rangos máximos de detectabilidad cambian el área efectiva muestreado por el Lander para cada especie. Porque las cámaras estéreas nos permiten colocar cada pescado en un espacio tridimensional con un alto grado de precisión, uno puede determinar la distancia de las cámaras que cada pescado fue medido (es decir, la distancia de la”Z” por el “eje z” que es perpendicular a la línea recta trazada entre las cámaras). Para cada especie, la distancia dentro de los cuales el 95% de todos los individuos fueron observado (en adelante “distancia de 95% Z”) se considera el radio de la zona de estudio y se utilizó para calcular el área total encuestado. Además de características específicos, identificabilidad se verá afectada por condiciones ambientales tales como la turbidez del agua. Porque estos factores pueden variar en tiempo y espacio, es importante utilizar la estadística de 95% Z sólo en conjunto. Mientras que va a ser altamente preciso para muestras grandes, cualquier una encuesta individual puede variar en área encuestada.
El protocolo que se detalla a continuación proporciona una guía sobre cómo crear y usar estas métricas. Aunque el objetivo era caracterizar el hábitat rocoso aguas profundas a lo largo de la costa del Pacífico, la metodología descrita para la cuenta MaxN modificada es fácilmente aplicable a cualquier sistema de cámara de gota giratoria. El número de rotaciones de cámara necesarios para caracterizar las poblaciones de peces dependerá de la dinámica de los ecosistemas locales, pero la conceptualización de la MaxN modificado seguirá siendo el mismo. Del mismo modo, mientras que utilizamos software fotogramétrico 3D para analizar vídeo estéreo, las técnicas descritas en este documento se aplican fácilmente a través de plataformas de software, como la localización exacta de los peces en un espacio tridimensional es posible. Además, el enfoque de la aplicación de un valor de 95% Z distancia podría considerarse en el futuro estudios con cámaras estéreo para tener en cuenta rangos específicos de detectabilidad y calcular con mayor precisión la abundancia de peces.
Protocol
Representative Results
Discussion
La métrica MaxN tradicional se basa en la idea de contar un número mínimo garantizado de personas presentes durante una encuesta. Si un cierto número de peces es visible simultáneamente en un único fotograma de vídeo, no puede ser todo menos presente, sino porque los peces son heterogéneamente distribuidos y móviles, la posibilidad de ver a todos los individuos simultáneamente durante un solo fotograma de vídeo es baja . Por lo tanto es probable que MaxN tradicional subestima el verdadero pescado abundancia<su…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por The Nature Conservancy y donantes privados, recursos Legacy Fund Foundation, Gordon y Betty Moore Foundation, Environmental Defense Fund, programa Sea Grant de California, el programa nacional de investigación cooperativa de NMFS y una NOAA Beca de Saltonstall Kennedy #13-SWR-008. Investigación aplicada y la exploración marina (Dirk Rosen, Rick Botman, Andy Lauerman y David Jefferies) desarrollado, construido y mantenido la video herramienta de Lander. Agradecemos a Jim Seager y SeaGIS™ software para soporte técnico. Capitán y pescadores comerciales Tim Maricich y tripulación a bordo el F/V Donna Kathleen proporcionados apoyo en la implementación de la Lander de 2012-2015. Gracias a todos los que participaron en la recolección de datos de vídeo o análisis (Anne Tagini, Donna Kline, teniente Amber Payne, Bryon Downey, Marisa Ponte, Rebecca Miller, Matt Merrifield, Walter Heady, Steve Rienecke, EJ Dick y John Field).
Materials
| calibration cube | SeaGIS | http://www.seagis.com.au/hardware.html | 1000x1000x500 mm is the preferred dimensions. Other methods of calibration are available. |
| CAL calibration software | SeaGIS | http://www.seagis.com.au/bundle.html | |
| EventMeasure stereo measurement software | SeaGIS | http://www.seagis.com.au/event.html | |
| Statistical software | R Core Team 2017 (v. 3.4.0) | Bootstrapping code can be found: https://github.com/rfields2017/JoVE-Bootstrap-Function | |
| Spreadsheet Software | Microsoft Excel | ||
| 2 waterproof cameras | Deep Sea Power and Light | HD quality preferred | |
| 2 depth rated, waterproof lights | Deep Sea Power and Light : 3000 lumen LED with 5000k color temperature | ||
| DVR recorder | Stack LTD DVR | ||
| standard PC | Windows 10 preferred OS | ||
| rotating Lander platform | Marine Applied Research and Engineering (MARE) |
References
- Love, M. S., Yoklavich, M. M., Thorsteinson, L. K. . The Rockfishes of the Northeast Pacific. , (2002).
- Laidig, T. E., Watters, D. L., Yoklavich, M. M. Demersal fish and habitat associations from visual surveys on the central California shelf. Estuar. Coast. Shelf Sci. 83 (4), 629-637 (2009).
- Anderson, T. J., Yoklavich, M. M. Multiscale habitat associations of deepwater demersal fishes off central California. Fish. Bull. 105 (2), 168-179 (2007).
- Yoklavich, M. M., Cailliet, G. M., Sullivan, D. E., Lea, R. N., Love, M. S. Habitat associations deep-water rockfishes a submarine canyon an example of a natural refuge. Fish. Bull. 98 (3), 625-641 (2000).
- . . Status of the Pacific Coast Groundfish Fishery, Stock Assessment and Fishery Evaluation. , (2016).
- Cappo, M., Harvey, E., Malcolm, H., Speare, P., Beumer, J. P., Grant, A., Smith, D. C. Potential of video techniques to monitor diversity, abundance and size of fish in studies of marine protected areas. Aquatic protected areas- What works best and how do we know. , 455-464 (2003).
- McLean, D. L., Green, M., Harvey, E. S., Williams, A., Daley, R., Graham, K. J. Comparison of baited longlines and baited underwater cameras for assessing the composition of continental slope deepwater fish assemblages off southeast Australia. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 98, 10-20 (2015).
- Parker, D., Winker, H., et al. Insights from baited video sampling of temperate reef fishes: How biased are angling surveys. Fish. Res. 179, 191-201 (2016).
- Boutros, N., Shortis, M. R., Harvey, E. S. A comparison of calibration methods and system configurations of underwater stereo-video systems for applications in marine ecology. Limnol. Oceanogr. Methodss. 13 (5), 224-236 (2015).
- Harvey, E. S., Cappo, M., Butler, J. J., Hall, N., Kendrick, G. A. Bait attraction affects the performance of remote underwater video stations in assessment of demersal fish community structure. Mar. Ecol. Prog. Ser. 350, 245-254 (2007).
- Watson, J. L., Huntington, B. E. Assessing the performance of a cost-effective video lander for estimating relative abundance and diversity of nearshore fish assemblages. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 483, 104-111 (2016).
- Easton, R. R., Heppell, S. S., Hannah, R. W. Quantification of Habitat and Community Relationships among Nearshore Temperate Fishes Through Analysis of Drop Camera Video. Mar. Coast. Fish. 7 (1), 87-102 (2015).
- Hannah, R. W., Blume, M. T. O. Tests of an experimental unbaited video lander as a marine fish survey tool for high-relief deepwater rocky reefs. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 430, 1-9 (2012).
- Starr, R. M., Gleason, M. G., et al. Targeting Abundant Fish Stocks while Avoiding Overfished Species: Video and Fishing Surveys to Inform Management after Long-Term Fishery Closures. Plos One. 11 (12), 0168645 (2016).
- Love, M. S. . Certainly more than you want to know about the fishes of the Pacific Coast: a postmodern experience. , (2011).
- Campbell, M. D., Pollack, A. G., Gledhill, C. T., Switzer, T. S., DeVries, D. A. Comparison of relative abundance indices calculated from two methods of generating video count data. Fish. Res. 170, 125-133 (2015).
- Cappo, M., Speare, P., De’ath, G. Comparison of baited remote underwater video stations (BRUVS) and prawn (shrimp) trawls for assessments of fish biodiversity in inter-reefal areas of the Great Barrier Reef Marine Park. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 302 (2), 123-152 (2004).
- Schobernd, Z. H., Bacheler, N. M., Conn, P. B., Trenkel, V. Examining the utility of alternative video monitoring metrics for indexing reef fish abundance. Can. Jour. Fish. Aquat. Sci. 71 (3), 464-471 (2014).
- Hansen, M. J., Schorfhaar, R. G., Selgeby, J. H. Gill-Net Saturation by Lake Trout in Michigan Waters of Lake Superior. North Am. J. Fish. Manag. 18 (4), 847-853 (1998).
- Dauk, P. C., Schwarz, C. J. Catch estimation in the presence of declining catch rate due to gear saturation. Biometrics. 57 (1), 287-293 (2001).
- Hilborn, R., Walters, C. J. . Quantitative Fisheries Stock Assessment Choice, Dynamics and uncertainty. , (1992).
- Erisman, B. E., Allen, L. G., Claisse, J. T., Pondella, D. J., Miller, E. F., Murray, J. H. The illusion of plenty: hyperstability masks collapses in two recreational fisheries that target fish spawning aggregations. Can. Jour. Fish. Aquat. Sci. 68, 1705-1716 (2011).
- Buckland, S. T., Anderson, D. R., Burnham, K. P., Laake, J. L. . Distance Sampling: Estimating abundance of biological populations. , (1993).
- Ronconi, R. A., Burger, A. E. Estimating seabird densities from vessel transects: Distance sampling and implications for strip transects. Aquat. Bio. 4 (3), 297-309 (2008).
- Caselle, J. E., Rassweiler, A., Hamilton, S. L., Warner, R. R. Recovery trajectories of kelp forest animals are rapid yet spatially variable across a network of temperate marine protected areas Recovery trajectories of kelp forest animals are rapid yet spatially variable across a network of temperate marine protected. Nat. Publ. Gr. , 1-14 (2015).
- Starr, R. M., Wendt, D. E., et al. Variation in Responses of Fishes across Multiple Reserves within a Network of Marine Protected Areas in Temperate Waters. Plos One. 10 (3), 0118502 (2015).
- Lester, S., Halpern, B., et al. Biological effects within no-take marine reserves: a global synthesis. Mar. Ecol. Prog. Ser. 384, 33-46 (2009).
