أساليب لإجراء الدراسات الاستقصائية المستندة إلى الصور ماكروينفيرتيبراتيس القاعية وموئلها يتجلى في إسقاط الاستقصاء الكاميرا التقوقع البحر المحيط الأطلسي
Summary
مسح الصورة القائمة أسلوب عملي متزايد وغير الغازية لأخذ عينات من البيئة البحرية. نقدم البروتوكول استطلاع كاميرا انخفاض تقديرات وفرة وتوزيع الاسقلوب البحر المحيط الأطلسي (ماجيلانيكوس بلاكوبيكتين). ونحن نناقش كيف يمكن أن يعمم هذا البروتوكول لتطبيقها على سائر ماكروينفيرتيبراتيس القاعية.
Abstract
التصوير تحت الماء منذ فترة طويلة تستخدم في مجال الإيكولوجيا البحرية لكن تناقص تكاليف تخزين البيانات وكاميرات عالية الدقة جعلت النهج عملية أكثر منها في الماضي. السماح لعينات أولية إعادة النظر في الدراسات الاستقصائية المستندة إلى الصور وهي غير الغازية مقارنة بأساليب الدراسة التقليدية التي عادة ما تشمل شبكات أو حفارات. بروتوكولات لإجراء الدراسات الاستقصائية على أساس الصورة يمكن أن تختلف إلى حد كبير، لكن ينبغي أن تكون مدفوعة بأهداف السلوك ومسح الأنواع المستهدفة. وللتدليل على ذلك، يصف لنا طرقنا الأكثر حداثة لمسح كاميرا قطره بحر المحيط الأطلسي التقوقع (ماجيلانيكوس بلاكوبيكتين) لتوفير مثال إجرائية ونتائج تمثيلية. الإجراء الذي ينقسم إلى ثلاثة من الخطوات الحاسمة التي تشمل تصميم المسح وجمع البيانات، وبيانات المنتجات. ثم تناقش تأثير السلوك التقوقع وهدف الدراسة الاستقصائية لتوفير تقييم مستقل للمورد التقوقع البحر الولايات المتحدة المتعلقة بإجراء دراسة استقصائية في سياق تعميم الأسلوب. عموما، بانطباق واسع ومرونة من جامعة ماساتشوستس دارتموث كلية “العلوم البحرية” والتكنولوجيا (سماست) إسقاط الاستقصاء الكاميرا يوضح الأسلوب يمكن المعمم وتطبيقها على مجموعة متنوعة من اللافقاريات لاطئة أو وركز الموئل للبحث.
Introduction
الاسقلوب البحر المحيط الأطلسي (ماجيلانيكوس بلاكوبيكتين) هو الرخوي ذات الصدفتين البحرية موزعة على الجرف القاري لشمال غرب المحيط الأطلسي من خليج “سانت لورنس، كندا” إلى كيب هاتيراس، كارولاينا الشمالية1. مصائد الأسماك المحار البحرية في الولايات المتحدة شهدت زيادات غير مسبوقة في الهبوط وقيمة على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية، وأصبحت واحدة من مصائد قيمة أعلى في البلاد مع هبوط قيمتها حوالي مبلغ 440 مليون في عام 20152. وعلى الرغم من هذه الزيادة، جهد الصيد التقوقع كبيرة انخفض على مدى السنوات ال 20 الماضية من خلال تنفيذ نظام التناوب المنطقة التي تهدف إلى حماية المناطق مع الاسقلوب الأحداث والتركيز على الصيد في المناطق مع الاسقلوب أكبر في ارتفاع 1من الكثافة. ويتطلب هذا النهج إدارة معلومات محددة مكانياً في التقوقع الكثافة والحجم، والتي يتم توفيرها من قبل العديد من الدراسات الاستقصائية، بما في ذلك كلية دارتموث جامعة ماساتشوستس “العلوم البحرية” والتكنولوجيا (سماست) إسقاط الاستقصاء الكاميرا.
الهدف من الدراسة الاستقصائية سماست إسقاط الكاميرا تزويد مديري الموارد السمكية وعلماء البحار ومجتمعات صيد الأسماك بإجراء تقييم مستقل للمورد التقوقع البحرية الأميركية وموئله المرتبطة بها. المسح تم تطوير تعاوني مع الصيادين التقوقع وتطبيق تقنيات أخذ العينات كوادرات استناداً إلى دراسات غوص3،4. عمليات المسح الأولية في وقت مبكر 2000s تركز على تقدير كثافة الاسقلوب البحر داخل الأجزاء المغلقة من منطقة منتجة لمصائد الأسماك المعروفة باسم المصرف جورج5، ولكن الدراسة توسيع نطاقها لتشمل غالبية الموارد التقوقع في الولايات المتحدة وكندا المياه (إيتش وان زيرو زيرو، 000 كم2)6،7. تم إدراجها في تقييم الأسهم التقوقع عن طريق عملية “ورشة تقييم الأسهم” المعلومات المستمدة من الدراسة الاستقصائية وموثوق بها المقدمة إلى “نيو إنجلاند مجلس إدارة مصائد الأسماك” للمساعدة في توزيع الحصاد التقوقع السنوي8. وبالإضافة إلى ذلك، ساهمت البيانات من الدراسة الاستقصائية للكاميرا قطره سماست في العديد من الطرق لفهم إيكولوجيا الأنواع غير التقوقع7،9،10،،من1112 ووصف موئل الكائنات القاعية13،،من1415. يوضح هذا التطبيق الواسع يمكن المعمم الأسلوب وتطبيقه لمجموعة متنوعة من اللافقاريات لاطئة، يحتمل أن تساعد على التخفيف من مشكلة التوسع في مصائد الأسماك اللافقارية يفوق المعرفة العلمية والسياسة العامة اللازمة لنجاح إدارة منهم16. علاوة على ذلك، يستند إلى صورة المعاينة غير الغازية مقارنة بطرق أخذ العينات السكان التقليدية وبأسعار معقولة متزايدة الواجبة لتخفيض تكاليف عالية الاستبانة الكاميرات وبيانات التخزين17،18. هنا يتم عرض أساليب سماست قطره الدراسة الاستقصائية الكاميرا المستخدمة لإدارة التقوقع على الجزء الأمريكي جورج بنك عام 2017 لتجسيد هذا الإجراء. ونحن نناقش الأساس المنطقي وراء هذا الإجراء للمساعدة في تعميم وتطبيق لغيرها من اللافقريات لاطئة.
Protocol
Representative Results
Discussion
بروتوكولات تصميم الدراسة الاستقصائية مرنة، ولكن من الأهمية بمكان النظر في الأنواع المستهدفة أهداف الدراسة الاستقصائية والسلوك عند تعميم هذه البروتوكولات. استعراض الأدبيات والدراسات الأولية أو أولية يمكن استخدامها لإدراج سلوك الأنواع المستهدفة في تصميم الدراسات الاستقصائية. على سبيل المثال، أقل من واحد من التقوقع في 12.5 م2 (0.08 الاسقلوب/م2) أقل كثافة الصيد التجارية المستدامة23. وهكذا، بأخذ عينات من الفروق الأربعة كل محطة، يرتبط منطقة العينة محطة للكشف عن المحار في الكثافة التجارية. بالإضافة إلى ذلك، تقدر البحر الاسقلوب هي عادة مجمعة بدلاً من موزعة بشكل عشوائي في قاع البحر، التي تؤثر على كيفية تأثير تباعد محطة دقة كثافة24. فحص دقة العديد من الدراسات باستخدام بيانات متوسط وتباين من الدراسات الأولية وتحديد ذلك 5.6 كم كان ينبغي أن توضع في مراكز المسافة القصوى إلى جانب5،،من2526. تصميم العينات منهجية المسح تأثر بأهداف الدراسة. تغيير حدود المناطق سامز كثيرا وكثيراً ما بعد الدراسات الاستقصائية قد تم إجراء21،27. ويتجنب أخذ العينات النظامية المشكلة الخطيرة المتمثلة في الطبقات ما بعد الحدود للتقديرات المكانية أن آثار طبقات عشوائياً أو تصاميم الدراسة المخصصة على النحو الأمثل20. تخصيص مراكز موحدة يسهل أيضا الكشف عن التعيينات الجديدة بالتقوقع ورواسب قاع البحر رسم الخرائط و التوزيعات ماكروينفيرتيبراتي28. وهو خطوة واحدة حيث قد لا يكون ممكناً النظر في الأنواع المستهدفة أهداف الدراسة الاستقصائية والسلوك تحديد سفينة المسح، الذي السبب في البروتوكول ويبدأ بهذه الخطوة. من الضروري أخذ العينات في البحر سفينة ويملي الخطوات اللاحقة لتصميم الدراسة الاستقصائية. لأن البروتوكولات، من الضروري إشراك صناعة الصيد التجاري لتعزيز الشفافية في طرائق المسح والثقة في نتائج الدراسة الاستقصائية. استخدام سفن الصيد التجاري وكان طريقة تأثيراً لتشمل الصناعة في أساليب عملنا، وحجم وقدرات السفن التي يسمح لجهاز كاميرا الكبيرة والثقيلة ومراكز الدراسة الاستقصائية عينات ضمن الفترة الزمنية المطلوبة. علاوة على ذلك، كانت مسؤولة عن جميع التكاليف المرتبطة باستخدام سفينة مالكي السفن وتم تعويضها عن طريق تخصيص التقوقع جنيه تمنحها الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي الإدارة من خلال “برنامج المجنبة البحوث التقوقع الأطلسي” 29-على الرغم من أنه ليس من الضروري إشراك الصناعة في الدراسات الاستقصائية، والحجم، وقدرات، ويجب أن تعتبر التكاليف السفن المتاحة أمام تطوير الجوانب الأخرى لتصميم الدراسة الاستقصائية.
جوانب جمع وتجهيز البيانات للبروتوكولات الحالية أكبر ميزة، ولكن أيضا حد من هذا الأسلوب. استخدام البرمجيات وقواعد البيانات لقياس البيانات داخل الصور يأتي بتكلفة كبيرة. بيد أن استخدام هذه المنتجات بواسطة المسح الكاميرا قطره سماست يمثل تطورا من أحد البرامج التي بدأت في عام 1999 وليست ضرورية. على سبيل المثال، عند بدء تشغيل البرنامج أولاً، قدمت التهم التقوقع مع القلم والورق وبرمجيات حرة متاحة الآن لقياس داخل الصور. وبالمثل، تم اختيارها كاميرا ديجيتال الحالي كما كان قادراً على الكشف عن جميع فئات حجم المحار وسمحت لحوالي 200% التكبير دون فقدان جودة الصورة (الشكل 3)، لكن دقة أقل، أقل تكلفة من الكاميرات تستخدم في وقت سابق في الدراسة الاستقصائية كانت قادرة على الكشف الكامل عن الاسقلوب الحجم التجاري30. مع البروتوكولات تصميم الدراسة الاستقصائية، ينبغي ربط نوع الكاميرا بالقرار اللازمة للكشف عن الأنواع المستهدفة وتحقيق أهداف الدراسة. التقاط الصور وتسجيل الفيديو في كل مركز من مراكز توفر ميزة كبيرة على أساليب الدراسة التقليدية بتوفير القدرة المستمرة على معاودة النظر في العينات، وتوسيع نطاق التحليل للأصناف أو خصائص الموئل في البداية لا تتبع أو تعداد. على سبيل المثال، الصور مع دولار الرمل ووالجلدشوكيات أخرى لاحظت أصلاً كالحاضر أو الغائب في قاعدة سماست إعادة النظر للتحديد الكمي للوفرة، والكتلة الحيوية من خلال الساعة12. وفي المقابل، عينات من أساليب استقصاء أكثر تقليدية مثل الحفارات أو شبكات يتم التخلص منها في البحر ولا يمكن أن يعاد. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي السلف التي تسمح لكميات هائلة من الصور المتخذة وتخزينها ملايين صور التي يجري جمعها مع جزء صغير فقط يجري استخدامها. هذا إلى حد كبير نظراً لقيود الوقت والتكلفة كما البشر هناك حاجة لاستخراج البيانات وينتج كميات كبيرة من المعلومات غير المستغلة31. قد يساعد التقدم في الكشف الآلي للحيوانات وخصائص الموئل للتصدي لهذه المعضلة.
الصورة على أساس أساليب المسح يمكن أن توفر البيانات اللازمة لرصد ماكروينفيرتيبراتيس والموئل المرتبطة بها، ولكن المكمل للبروتوكولات الموصوفة هنا مع الأساليب الأخرى التي تقوم بجمع العينات البيولوجية مثالية. دون علاقة وزن لحم شل الارتفاع التقوقع، التي تم إنشاؤها من العينات على أساس نعرات، لا يمكن تقديرات الكتلة الحيوية. علاوة على ذلك، تختلف العلاقة وزن اللحم شل الارتفاع التقوقع مع الوقت والمكان على الضفة جورج مشيراً إلى أن استمرار استكمال المعادلة المستخدمة لوصف هذه العلاقة مفيدة32. الجمع بين الصورة والتقنيات المستندة إلى نموذج البدنية الإيدز أيضا في استكشاف أوجه التحيز والافتراضات لكل أسلوب. قياس مرتفعات شل من المحار في إسقاط صور الكاميرا مع الفرجار كمياً بتحيز قياس المرتبطة بالانحناء لعدسة الكاميرا والمسافة من الصورة مركز33. على العكس من ذلك، ساعدت المقارنات المزدوجة بين الصور والقاطرات نعرات تعريف ما هي نسبة المحار في قاع البحر وتتجمع في الواقع وكيف تتغير النسبة مع التقوقع الحجم6.
التصوير تحت الماء قد استخدمت في مجال الإيكولوجيا البحرية لعقود17،34. ومع ذلك، تناقص تكاليف تخزين البيانات وكاميرات عالية الدقة جعلت النهج عملي أكثر من الماضي. الطرق الموضحة في هذه الورقة يمكن أن تكون عامة وانطباق واسع، المساعدة على تيسير تطوير المزيد من الدراسات الاستقصائية المستندة إلى الصور. وبشكل أكثر تحديداً، الإجراءات التي تبين كيف يمكن استخدام النتائج لإنتاج البيانات للمساعدة في إدارة اللافقاريات لاطئة (الجداول 1-2)، ويسهم في فهم أوسع للبيئة البحرية7،9،10 ،11،،من1213،،من1415.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
شكرا للطلاب والموظفين، والنقباء، وأطقم الذي أبحر في هذه الرحلات البحثية وأصحاب أن تقدم سفن الصيد التابعة لها. وبفضل “ت. جافاريان” لتطوير مختبر البرنامج جمع البيانات، اليكتروميتشانيكا، وشركة لتطوير البرامج الميدانية والمعدات، وإلى “التشاور مع كفيسيون” لوضع البرنامج معلق الحواشي الصورة. وتم توفير التمويل بجوائز نوا NA17NMF4540043 و NA17NMF4540034 و NA17NMF4540028. الآراء التي أعرب عنها هنا هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة آراء نوا.
Materials
| 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 |
References
- Stokesbury, K. D. E., O’Keefe, C. E., Harris, B. P., Shumway, S., Parsons, G. J. Fisheries Sea Scallop, Placopecten magellanicus. Scallops: Biology, Ecology, Aquaculture, and Fisheries. , (2016).
- NMFS (National Marine Fisheries Service). . Fisheries Economics of the United States, 2015. , (2015).
- Stokesbury, K. D. E., Himmelman, J. H. Spatial distribution of the giant scallop Placopecten magellanicus in unharvested beds in the Baie des Chaleurs, Québec. Mar. Ecol. Prog. Ser. 96, 159-168 (1993).
- Stokesbury, K. D. E., Himmelman, J. H. Examination of orientation of the giant scallop, Placopecten magellanicus, in natural habitats. Can. J. Zool. 73, 1945-1950 (1995).
- Stokesbury, K. D. E., Harris, B. P., Marino, M. C., Nogueira, J. I. Estimation of sea scallop abundance using a video survey in off-shore USA waters. J. Shellfish Res. 23, 33-44 (2004).
- Malloy, R., Bethoney, N. D., Stokesbury, K. D. E. Applying dredge and optical methods to compare sediment classification and size frequency of the sea scallop (Placopecten magellanicus). J. Shellfish Res. 34 (2), 657 (2015).
- Bethoney, N. D., Zhao, L., Chen, C., Stokesbury, K. D. E. Identification of persistent benthic assemblages in areas with different temperature variability patterns through broad-scale mapping. PLoS ONE. 12 (5), e0177333 (2017).
- NEFSC (Northeast Fisheries Science Center). Stock assessment for Atlantic sea scallops in 2014. 59th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (59th SAW) Assessment Report. , (2010).
- MacDonald, A. M., Adams, C. F., Stokesbury, K. D. E. Abundance estimates of skates (Rajidae) on the continental shelf of the northeastern USA using a video survey. Trans. Am. Fish. Soc. 139, 1415-1420 (2010).
- Marino, M. C., Juanes, F., Stokesbury, K. D. E. Effect of closed areas on populations of sea star Asterias spp. On Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser. 347, 39-49 (2007).
- Marino, M. C., Juanes, F., Stokesbury, K. D. E. Spatio-temporal variations of sea star Asterias spp. distributions between sea scallop Placopecten magellanicus beds on Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser. 382, 59-68 (2009).
- Rosellon-Druker, J. . Describing echinoderm (Echinodermata) populations on Georges Bank and evaluating direct and indirect effects of marine protected areas on these populations. , (2016).
- Stokesbury, K. D. E., Harris, B. P. Impact of limited short-term sea scallop fishery on epibenthic community of Georges Bank closed areas. Mar. Ecol. Prog. Ser. 307, 85-100 (2006).
- Harris, B. P., Stokesbury, K. D. E. The spatial structure of local surficial sediment characteristics on Georges Bank, USA. Cont. Shelf. Res. 30, 1840-1853 (2010).
- Harris, B. P., Cowles, G. W., Stokesbury, K. D. E. Surficial sediment stability on Georges Bank in the Great South Channel and on eastern Nantucket Shoals. Cont. Shelf. Res. 49, 65-72 (2012).
- Anderson, S. C., Mills-Flemming, J., Watson, R., Lotze, H. K. Rapid Global Expansion of Invertebrate Fisheries: Trends, Drivers, and Ecosystem Effects. PLoS ONE. 6 (3), e14735 (2011).
- Murphy, H. M., Jenkins, G. P. Observational methods used in marine spatial monitoring of fishes and associated habitats: A review. Mar. Freshw. Res. 61, 236-252 (2010).
- Monk, J. How long should we ignore imperfect detection of species in the marine environment when modelling their distribution. Fish. Fish. 15, 352-358 (2014).
- O’Keefe, C. E., Carey, J. D., Jacobson, L. D., Hart, D. R., Stokesbury, K. D. E. Comparison of scallop density estimates using the SMAST scallop video survey data with a reduced view field and reduced counts of individuals per image. Appendix 3. 50th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (50th SAW) Assessment Report. , (2010).
- Cochran, W. G. . Sampling Techniques. 3rd ed. , (1977).
- Yochum, N., DuPaul, W. D. Size-selectivity of the northwest Atlantic sea scallop (Placopecten magellanicus) dredge. J. Shellfish Res. 27, 265-271 (2008).
- Brand, A. R., Shumway, S. Scallop ecology: distributions and behaviour. Scallops: biology, ecology and aquaculture. , (1991).
- Krebs, C. J. . Ecological Methodology. , (1989).
- Stokesbury, K. D. E. Estimation of sea scallop, Placopecten magellanicus, abundance in closed areas of Georges Bank. Trans. Am. Fish. Soc. 131, 1081-1092 (2002).
- Adams, C. F., Harris, B. P., Stokesbury, K. D. E. Geostatistical comparison of two independent video surveys of sea scallop abundance in the Elephant Trunk Closed Area, USA. ICES J Mar Sci. 65, 995-1003 (2008).
- CIE (Center for Independent Experts). . Individual Peer Review Report. Review of Sea Scallop Survey Methodologies and their Integration for Stock Assessment and Fishery Management. , (2015).
- . Research Set-Aside Program Available from: https://www.nefsc.noaa.gov/coopresearch/rsa_program.html (2017)
- Marino, M. C., O’Keefe, C. E., Jacobson, L. D. Selectivity and efficiency of large camera video data from the SMAST video survey during 2003 – 2006: Appendix B7. 45th Northeast Regional Stock Assessment Workshop (45th SAW) Assessment Report. , (2007).
- Chang, J., Hart, D. R., Shank, B. V., Gallagher, S. M., Honig, P., York, A. D. Combining imperfect automated annotations of underwater images with human annotations to obtain precise and unbiased population estimates. Methods Oceanogr. 17, 169-186 (2016).
- Hennen, D. R., Hart, D. R. Shell height-to-weight relationships for Atlantic sea scallops (Placopecten magellanicus) in offshore U.S. waters. J. Shellfish Res. 31 (4), 1133-1144 (2012).
- Jacobson, L. D., et al. Measurement errors in body size of sea scallops (Placopecten magellanicus) and their effect on stock assessment models. Fish. Bull. 108, 233-247 (2010).
- Mallet, D., Pelletier, D. Underwater video techniques for observing coastal marine biodiversity: A review of sixy years of publications (1952-2012). Fish. Res. 154, 44-62 (2014).
