Entwicklung neuer Methoden zur Quantifizierung der Fisch-Dichte mit Unterwasser-Stereo-Video-Tools
Summary
Wir beschreiben eine neue Methode für das zählen der Fische, und relative Häufigkeit (MaxN) und Fisch-Dichte mit rotierenden Stereo-Video-Kamera-Systeme zu schätzen. Wir demonstrieren auch Abstand von der Kamera (Z-Abstand) zu verwenden, um artspezifische Nachweisbarkeit zu schätzen.
Abstract
Die Verwendung von Video-Kamerasysteme in ökologischen Studien Fische weiterhin als eine tragfähige, nicht extraktiven Methode der Messung Fische Längen und Schätzung Fisch Fülle Fuß fassen. Wir entwickelt und implementiert ein rotierendes Stereo-Video-Kamera-Werkzeug, das eine volle 360 Grad der Probenahme, abdeckt, maximiert die Probenahme Aufwand im Vergleich zu stationären Kamera-Tools. Eine Vielzahl von Studien haben detaillierte die Fähigkeit der statischen, Stereo-Kamera Systeme sehr genau und präzise Messungen von Fischen; im Vordergrund standen die Entwicklung methodischer Ansätze, Fisch-Dichte mit rotierenden Kamera-Systeme zu quantifizieren. Der erste Ansatz war es, eine Änderung der Metrik entwickeln MaxN, die in der Regel eine konservative Zählung der Mindestanzahl von Fisch auf einer Umfrage bei bestimmten Kamera beobachtet. Wir definieren MaxN um die maximale Anzahl der Fische in einer bestimmten Drehung des Kamerasystems beobachtet werden. Bei Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um Doppelzählungen zu vermeiden, kann diese Methode für MaxN wahre Fülle genauer als die von einer festen Kamera erhalten widerspiegeln. Zweitens, weil Stereo-Video Fische im dreidimensionalen Raum zugeordnet werden können, sind genaue Schätzungen über die Entfernung von der Kamera für jeden Fisch erhältlich. Mit 95 %-Perzentil der beobachteten Entfernung von Kamera um artspezifische Gebiete Befragten zu errichten, berücksichtigt Unterschiede in der Nachweisbarkeit unter Arten unter Vermeidung verdünnen Dichte Schätzungen mithilfe den maximalen Abstand war eine Art beobachtet. Buchhaltung für diesen Bereich der Nachweisbarkeit ist wichtig, genau zu schätzen, Fisch-Häufigkeiten. Diese Methode erleichtert die Integration von rotierenden Werkzeugen Stereo-Video in angewandter Wissenschaft und Verwaltung zusammenhängen.
Introduction
Entlang der Pazifikküste der USA sind viele der Arten wichtig für Gewerbe- und Freizeit Grundfisch Fischerei (z. B.die Drachenköpfe komplexe (Sebastes spp.) und Kabeljau (Ophiodon Elongatus)) stark verbunden mit Hochrelief, harten Boden Lebensräume1,2,3,4,5. Drop-Stereo-Video-Kameras sind ein attraktives nicht extraktiven Instrument, in felsigen Lebensräumen aufgrund der relativen Leichtigkeit und Einfachheit der Bedienung zu verwenden. Eine Vielzahl von Stereo-Video-Kamera-Systeme wurden entwickelt und in der südlichen Hemisphäre, Flachwasser-Ökosysteme6,7,8,9,10, bereitgestellt und vor kurzem haben video Drop-Kameras Zugkraft als Management-Tool für tiefes Wasser felsigen Riff Umgebungen entlang der Pazifikküste11,12,13gewonnen. Wir wollten diese bestehende Stereo-Kamera-Designs ändern, indem Sie ein Stereo-Video-Kamera-System (nachfolgend “Lander”) effizienter Fischpopulationen in Hochrelief Seafloors entlang der zentralen Pazifikküste (siehe Tabelle des charakterisieren Materialien). Der Lander verwendet war anders als bestehende Videosysteme, weil Kameras zu einer zentralen drehenden Bar montiert wurden, die für eine volle 360 ° der Berichterstattung über den Meeresboden bei den Drop Position14erlaubt. Der Lander abgeschlossen eine volle Umdrehung pro Minute, was uns erlaubt, schnell charakterisieren die Fülle und Zusammensetzung eines Raums und erreichen das gleiche Maß an statistische Aussagekraft mit weniger Lander Bereitstellungen. (Siehe Starr (2016)14 für mehr Details über die Besonderheiten der Lander-Konfiguration). Vorversuche in das Studiensystem vorgeschlagen, dass acht Rotationen der Kameras an unseren Umfragen waren ausreichend Arten Fülle und Reichtum zu charakterisieren. Diese Bestimmung wurde durch eine Beobachtung von abnehmenden Wirtschaftserträgen Arten Fülle und Dichte der Fisch über längere Tropfen ernannt. Es wird empfohlen, eine Pilotstudie, einschließlich längere Weichzeiten in jedem neuen System die optimale Einweichen Zeit für einen gegebenen Ökosystem/Studie Arten bestimmt durchgeführt werden.
Mithilfe von gekoppelten Stereokameras beide Gesamtfläche Umfrage und absolute Fisch-Dichte pro video Umfrage berechnet werden kann; die Verwendung von rotierenden Kameras erforderte jedoch die Änderung der traditionellen Fisch-Graf-Metriken. Stationäre Videosysteme benutzte häufig “MaxN” als eine konservative Zählung der Fische eine Bereitstellung6,10. Traditionelle MaxN beschreibt die maximale Anzahl der Fische in einer bestimmten Art, die zur Vermeidung von Doppelzählungen ein Fisch, der verlassen und kehrte zu Frame hat zusammen in ein einzelnes Videobild beobachtet. MaxN wurde daher eine Schätzung der Mindestanzahl von Fischen bekannt anwesend sein und kann echte Fische Fülle6,10unterschätzen. MaxN-Metrik wurde neu definiert, um die größte Anzahl der Fische in jeder vollen Umdrehung der Kameras gesehen darzustellen.
Die zweite Änderung zum bisherigen Stereo-video Methoden war, die Tatsache berücksichtigen, dass Arten in verschiedenen Größen, Farben, und Formen haben unterschiedliche maximale Abstände der zuverlässigen Identifizierung. Zum Beispiel große Arten wie O. Elongatus haben eine ausgeprägte längliche Form und zuverlässig auf viel größere Entfernungen im Vergleich zu kleinen und kryptische Arten wie die Squarespot Drachenköpfe (Sebastes Hopkinsi) identifiziert werden können. Diese unterschiedlichen maximale Reichweiten der Nachweisbarkeit ändern der Wirkfläche Stichprobe von Lander für jede Spezies. Da die Stereo-Kameras uns jeder Fisch im dreidimensionalen Raum mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu platzieren ermöglichen, kann man die Entfernung von den Kameras, die jeden Fisch war bestimmen gemessen (d. h., der “Z-Abstand”, benannt nach der “z-Achse” ist senkrecht zu der geraden Linie zwischen den Kameras). Für jede Art der Abstand, in dem 95 % aller Personen (im folgenden “95 % Z-Abstand”) beobachtet wurden, galt als der Radius des Messgebietes und diente zur Berechnung der gesamten Fläche befragt. Neben den artspezifischen Eigenschaften wird Identifizierbarkeit Umgebungsbedingungen z. B. Wassertrübung belastet. Da diese Faktoren in Raum und Zeit variieren können, ist es wichtig, die 95 % Z-Statistik nur in ihrer Gesamtheit zu verwenden. Während es hochpräzise für große Proben werden, kann jeder eine individuelle Umfrage in Bereich befragt variieren.
Die nachgenannten Protokoll enthält Anleitungen zum Erstellen und verwenden diese Metriken. Obwohl im Mittelpunkt stand die Tiefsee felsigen Lebensraum entlang der Pazifikküste zu charakterisieren, ist die Methodik beschrieben für modifizierte MaxN Graf leicht anwendbar auf alle rotierenden Drop-Kamera-System. Die Anzahl der Drehungen der Kamera benötigt, um die Fischbestände zu charakterisieren hängt von lokalen Ökosystem Dynamik, aber die Konzeptualisierung der modifizierten MaxN bleiben die gleichen. In ähnlicher Weise, während wir 3D photogrammetrische Software verwendet, um Stereo-Video analysieren, die hier beschriebenen Techniken leicht über Software-Plattformen, gelten, solange die genaue Position der Fische im dreidimensionalen Raum möglich ist. Darüber hinaus könnte der Ansatz der Anwendung eines 95 % Z Abstandswert in Zukunft Studien mit Stereo-Kameras um artspezifische reicht der Nachweisbarkeit zu berücksichtigen und zu Fisch Fülle genauer zu berechnen betrachtet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die traditionelle MaxN-Metrik beruht auf der Idee des Zählens einer garantierte Mindestanzahl von Personen im Rahmen einer Umfrage. Wenn eine bestimmte Anzahl von Fischen in ein einzelnes Videobild gleichzeitig sichtbar sind, kann kein weniger vorhanden sein, aber da Fisch mobil und heterogen verteilt sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass alle Personen gleichzeitig zu sehen, während ein einzelnes Videobild niedrig . Es ist daher wahrscheinlich, dass traditionelle MaxN wahre Fisch Fülle16,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von The Nature Conservancy und privaten Spendern, Ressourcen Vermächtnis Stiftung Gordon und Betty Moore Foundation, Environmental Defense Fund, Kalifornien Meer Grant Program, NMFS National Cooperative Research Program und einem NOAA finanziert. Saltonstall Kennedy Grant #13-SWR-008. Marine Applied Research and Exploration (Dirk Rosen, Rick Botman, Andy Lauerman und David Jefferies) entwickelt, gebaut und gewartet werden die video-Lander-Tool. Wir bedanken uns bei Jim Seager und SeaGIS™-Software für den technischen Support. Kapitän und kommerzielle Fischer Tim Maricich und crew an Bord die F/V Donna Kathleen bereitgestellten Unterstützung bei der Bereitstellung des Lander von 2012-2015. Vielen Dank an alle, die Videodaten Erfassung oder Analyse (Anne Tagini, Donna Kline, Lt. Amber Payne, Bryon Downey, Marisa Ponte, Rebecca Miller, Matt Merrifield, Walter Heady, Steve Rienecke, EJ Dick und John Field) teilgenommen.
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) |
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