Ontwikkeling van nieuwe methoden voor het kwantificeren van de dichtheid van de vissen met behulp van onderwater Stereo-video Tools
Summary
Beschrijven we een nieuwe methode voor het tellen van de vissen, en het schatten van de relatieve overvloed (MaxN) en de dichtheid van de vissen met behulp van roterende stereo-video camerasystemen. We laten ook zien hoe met camera (Z afstand) afstand schatten soortspecifieke detecteerbaarheid.
Abstract
Het gebruik van systemen van de videocamera in ecologische studies van vis blijft tractie te krijgen als een levensvatbare, niet-extractieve methode van meten vis lengtes en schatten vis overvloed. Wij ontwikkeld en geïmplementeerd een roterende stereo-videocamera instrument dat betrekking heeft op een volledige 360 graden van steekproeven, die bemonstering inspanning ten opzichte van stationaire cameragereedschappen maximaliseert. Een aantal studies hebben gedetailleerde het vermogen van statische, stereo-camera systemen voor hoogst nauwkeurige en precieze metingen van vis; de nadruk ligt hier was op de ontwikkeling van de methodologische benaderingen te kwantificeren van de dichtheid van de vissen met behulp van roterende camerasystemen. De eerste benadering was het ontwikkelen van een wijziging van de metrische MaxN, die meestal een conservatieve telling van het minimum aantal vissen is waargenomen op een bepaalde camera enquête. We definiëren de MaxN om het maximale aantal vissen waargenomen in een gegeven rotatie van het camerasysteem. Als voorzorgsmaatregelen worden genomen ter voorkoming dubbeltellingen, kan deze methode voor MaxN ware overvloed nauwkeuriger weerspiegelen dan die verkregen met een vaste camera. Ten tweede, omdat stereo-video vissen worden toegewezen in de driedimensionale ruimte kunt, nauwkeurige schattingen van de afstand van de camera kunnen worden verkregen voor elke vis. Door hand het 95%-percentiel van de waargenomen afstand van camera tot stand soortspecifieke gebieden ondervraagde, account we voor verschillen in detecteerbaarheid tussen soorten terwijl het vermijden van de ramingen van de dichtheid met behulp van de maximale afstand een soort was verdunning waargenomen. Boekhouding voor dit bereik van detecteerbaarheid is cruciaal voor het vis abundanties nauwkeurig te schatten. Deze methodologie zal vergemakkelijken de integratie van draaiende werktuigen van de stereo-video in zowel toegepaste wetenschap en beheer contexten.
Introduction
Langs de US Pacific Coast zijn veel van de belangrijke commerciële en recreatieve groundfish visserij (bijvoorbeeldde complexe roodbaars (Sebastes spp.) en de Ophiodon elongatus (Ophiodon elongatus)) soorten sterk geassocieerd met hoog-reliëf, harde-onderkant habitats1,2,3,4,5. De daling van de stereo-video camera’s zijn een aantrekkelijke niet-extractieve tool om te gebruiken in rotsachtige habitats als gevolg van de relatieve gemak en eenvoud van de operatie. Een verscheidenheid van stereo-video camerasystemen zijn ontwikkeld en geïmplementeerd in het zuidelijk halfrond, ondiep water ecosystemen6,7,8,9,10, en video drop-camera’s hebben onlangs, tractie opgedaan als beheersinstrument voor diep water rotsachtig rif omgeving langs de Pacific Coast11,12,13. Wij willen deze bestaande stereo-camera ontwerpen met behulp van een stereo-video-camerasysteem (hierna te noemen de “Lander”) te karakteriseren efficiënter vispopulaties in hoog-reliëf seafloors langs de centrale kust van de Stille Oceaan (Zie tabel van wijzigen Materialen). De Lander gebruikt was anders dan de bestaande videosystemen omdat camera’s waren gemonteerd op een centraal roterende bar, waardoor voor een volledige 360° van de dekking van de zeebodem bij de daling van de locatie14. De Lander voltooid één volledige omwenteling per minuut, die konden we snel karakteriseren de omvang en de samenstelling van de Gemeenschap van een gebied en het bereiken van hetzelfde niveau van statistisch onderscheidingsvermogen met minder Lander-implementaties. (Zie Starr (2016),14 voor meer details op de specifieke kenmerken van de Lander-configuratie). Voorafgaande proeven in de studie-systeem voorgesteld dat acht rotaties van de camera’s in onze enquêtes volstonden om te karakteriseren soorten overvloed en rijkdom. Deze bepaling werd gemaakt door een observatie van afnemende meeropbrengsten in soorten overvloed en dichtheid van de vissen over langere druppels. Het is raadzaam dat een pilot-studie met inbegrip van langere weken tijden worden uitgevoerd in een nieuw systeem om de optimale weken tijd voor een soort van bepaalde ecosystemen/studie te bepalen.
Met behulp van gepaarde stereo camera’s, zowel totaal enquête gebied en absolute vis dichtheid kan worden berekend voor elke video enquête; echter noodzakelijk het gebruik van camera’s draaien de wijziging van traditionele vis graaf metrics. Stationaire monitor systemen gebruiken meestal “MaxN” als een conservatieve graaf van vissen op een implementatie6,10. Traditionele MaxN wordt het maximum aantal vis van een bepaalde samen in één video frame, teneinde dubbeltelling van een vis die heeft verliet en keerde terug naar frame waargenomen soorten beschreven. MaxN is daarom een schatting van het minimum aantal vissen bekend om aanwezig te zijn geweest en waar vis overvloed6,10mag onderschatten. De metric van de MaxN werd opnieuw gedefinieerd om te vertegenwoordigen het grootste aantal vissen gezien in elke volledige omwenteling van de camera’s.
De tweede wijziging van eerdere stereo video methoden was ter verantwoording voor het feit dat soorten van verschillende grootte, kleur, en shapes hebben verschillende maximale afstanden van betrouwbare identificatie. Bijvoorbeeld grote soorten zoals O. elongatus hebben een verschillende langwerpige vorm en op betrouwbare wijze kan worden geïdentificeerd op veel grotere afstanden in vergelijking met kleine en cryptische soorten zoals de Squarespot roodbaars (Sebastes hopkinsi). Deze verschillende maximale bereiken van detecteerbaarheid wijzigen het daadwerkelijke gebied bemonsterd door de Lander voor elke soort Omdat de stereo camera’s laten toe om elke vis in de driedimensionale ruimte met een hoge graad van nauwkeurigheid, kan men bepalen de afstand van de camera’s die elke vis was (dat wil zeggen, de “Z afstand”, genoemd naar de “z” dat is gemeten loodrecht op de rechte lijn getrokken tussen de camera’s). Voor elke soort de afstand waarbinnen 95% van alle individuen (hierna “95% Z afstand”) werden waargenomen werd beschouwd als de straal van de enquête gebied, en werd gebruikt voor het berekenen van de totale oppervlakte ondervraagde. Naast soortspecifieke kenmerken, zal identificeerbaarheid worden beïnvloed door omgevingsfactoren zoals troebelheid van het water. Omdat deze factoren in tijd en ruimte variëren kunnen, is het belangrijk dat u de statistiek 95% Z alleen in totaal. Terwijl het zal zeer nauwkeurige voor grote monsters, kan ieder een individueel onderzoek verschillen in onderzochte gebied.
Het protocol hieronder geeft advies over hoe u kunt maken en gebruiken van deze statistieken. Hoewel de focus was te karakteriseren diepzee rotsachtige habitat langs de kust van de Stille Oceaan, geldt de methodologie beschreven voor gemodificeerde MaxN telling gemakkelijk voor een roterende drop-camera systeem. Het aantal rotaties van de camera die nodig zijn voor het karakteriseren van vispopulaties zal afhangen van lokale ecosysteem dynamiek, maar de conceptualisering van de gemodificeerde MaxN zal hetzelfde blijven. Evenzo overwegende dat we 3D fotogrammetrische software gebruikt voor het analyseren van stereo video, worden de hier beschreven technieken gemakkelijk toegepast op softwareplatformen, zolang de precieze locatie van vis in de driedimensionale ruimte mogelijk is. Bovendien, kan de aanpak van de toepassing van een afstand van 95% Z-waarde worden overwogen in de toekomst studies met stereo-camera’s ter verantwoording voor soortspecifieke bereiken van detecteerbaarheid en vis overvloed meer precies kunnen worden berekend.
Protocol
Representative Results
Discussion
De traditionele MaxN-metriek is gebaseerd op het idee van het tellen van een gegarandeerd minimumaantal personen aanwezig tijdens een onderzoek. Als een bepaald aantal vis tegelijk zichtbaar zijn in een enkel videoframe, er kan niet worden ieder minder aanwezig, maar omdat vis mobiele en ongelijkmatig verdeeld zijn, de waarschijnlijkheid van het zien van alle individuen gelijktijdig tijdens een enkel videoframe is laag . Het is daarom waarschijnlijk dat de traditionele MaxN waar vis overvloed16<su…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door The Nature Conservancy en particuliere donors, middelen Legacy Fonds, Gordon en Betty Moore Foundation, Environmental Defense Fund, Californië Sea Grant Program, de NMFS National Cooperative Research Program en een NOAA Saltonstall-Kennedy Grant #13-SK-008. Mariene toegepast onderzoek en exploratie (Dirk Rosen, Rick Botman, Andy Lauerman en David Jefferies) ontwikkeld, gebouwd en onderhouden van de video Lander-tool. Wij danken Jim Seager en SeaGIS™ software voor technische ondersteuning. Kapitein en commerciële visser Tim Maricich en bemanningsleden aan boord de F/V Donna Kathleen geboden ondersteuning bij het implementeren van de Lander vanaf 2012-2015. Dank aan allen die hebben deelgenomen aan de video gegevensverzameling of analyse (Anne Tagini, Donna Kline Lt. Amber Payne, Bryon Downey, Marisa Ponte, Rebecca Miller, Matt Merrifield, Walter Heady, Steve Rienecke, EJ Dick en 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).
