Desenvolvimento de novos métodos para quantificar a densidade de peixes usando ferramentas de estéreo-vídeo subaquáticas
Summary
Nós descrevemos um método novo para contagem de peixes e estimar a abundância relativa (MaxN) e a densidade de peixes usando sistemas de câmera de vídeo estéreo de giro. Também demonstramos como usar distância da câmera (distância Z) para estimar a detectabilidade espécie-específicas.
Abstract
A utilização de sistemas de câmera de vídeo em estudos ecológicos de peixe continua a ganhar força como um método de medição de comprimentos de peixe e abundância de peixes estimando viável, não-extrativistas. Nós desenvolveu e implementou uma ferramenta rotativa de stereo video câmera que cobre 360 graus de amostragem, que maximiza o esforço amostral em comparação com ferramentas de câmera fixa. Uma variedade de estudos detalharam a capacidade dos sistemas estáticos, câmera estéreo para obter medições de alta precisa e precisas de peixe; o foco aqui foi sobre o desenvolvimento de abordagens metodológicas para quantificar a densidade de peixes usando sistemas de câmera rotativas. A primeira abordagem foi desenvolver uma modificação da métrica MaxN, que normalmente é uma conservador contagem do número mínimo de peixes observado na pesquisa determinada câmera. Nós redefinimos MaxN para ser o número máximo de peixe observada em qualquer determinada rotação do sistema de câmera. Quando são tomadas precauções para evitar a dupla contagem, este método para MaxN pode refletir mais precisamente verdadeira abundância do que o obtido a partir de uma câmera fixa. Em segundo lugar, porque estéreo-vídeo permite que o peixe deve ser mapeada no espaço tridimensional, estimativas precisas da distância-de-câmara podem ser obtidas para cada peixe. Usando o percentil de 95% da distância observada da câmera para estabelecer áreas específicas pesquisadas, explicar as diferenças na capacidade de detecção entre espécies, evitando a diluição estimativas de densidade, usando a distância máxima que uma espécie foi observada. Contabilidade para esta gama de detectabilidade é fundamental para estimar com precisão as abundâncias de peixe. Esta metodologia facilitará a integração dos instrumentos stereo-video em ciência aplicada e contextos de gestão rotativos.
Introduction
Ao longo da costa do Pacífico dos Estados Unidos, muitas das espécies importantes para a pesca comercial e recreativa capturas (por exemplo, o complexo de bodião (Sebastes spp.) e Lingcod (Ophiodon elongatus)) estão fortemente associadas com habitats de alto-relevo, parte inferior dura1,2,3,4,5. Câmeras estéreo-video gota são uma ferramenta não-extrativistas atraente para usar em habitats rochosos devido à relativa facilidade e simplicidade de operação. Uma variedade de sistemas de câmaras de vídeo estéreo foram desenvolvidos e implantados no hemisfério sul, águas rasas ecossistemas6,7,8,9,10, e recentemente, gota-câmeras de vídeo ganharam tração como uma ferramenta de gerenciamento para ambientes de rochoso-corais de águas profundas ao longo da costa do Pacífico11,12,13. Nós procuramos modificar estes projetos existentes de câmera estéreo usando um sistema de câmera de vídeo estéreo (doravante referido como “Lander”) para caracterizar mais eficientemente as populações de peixes em alto-relevo seafloors ao longo da costa do Pacífico central (ver tabela de de Materiais). O módulo usado foi diferente do que os sistemas de vídeo existentes porque câmeras foram montadas para uma barra central rotativa, que permitiram uma completa 360° de cobertura do fundo do mar a gota local14. O Lander completou uma rotação completa por minuto, o que nos permitiu rapidamente caracterizam a abundância e a composição da comunidade de uma área e alcançar o mesmo nível de poder estatístico com menos implantações de Lander. (Ver Starr (2016)14 para maiores detalhes sobre os detalhes da configuração do módulo de pouso). Testes preliminares no sistema de estudo sugeriram que oito rotações das câmeras em nossas pesquisas foram suficientes para caracterizar a riqueza e abundância de espécies. Essa determinação foi feita por uma observação de retornos decrescentes na abundância de espécies e densidade de peixe por mais gotas. Recomendamos que um estudo piloto, incluindo tempos de imersão mais ser realizado em qualquer novo sistema para determinar o tempo de imersão ideal para uma espécie de determinado ecossistema/estudo.
Usando câmeras estéreo emparelhadas, ambos pesquisa área total e densidade absoluta de peixe pode ser calculada para cada vídeo pesquisa; no entanto, o uso de câmeras de giro exigiu a modificação de peixe tradicional contagem de métricas. Sistemas de vídeo fixos mais frequentemente usarem “MaxN” como um conservador Conde de peixes em uma implantação de6,10. MaxN tradicional descreve o número máximo de peixe de uma dada espécie observada juntos em um único quadro de vídeo, para evitar a dupla contagem um peixe que deixou e voltou para o quadro. MaxN foi, portanto, uma estimativa do número mínimo de peixes conhecidos para estar presente e pode subestimar o verdadeiro peixe abundância6,10. A métrica MaxN foi redefinida para representar o maior número de peixes que vi em cada rotação completa das câmeras.
A segunda modificação para métodos anteriores de vídeo estéreo foi a conta para o fato de que espécies de vários tamanhos, cores, e formas têm diferentes distâncias máximos de identificação fiável. Por exemplo, grandes espécies como o. elongatus tem uma distinta forma alongada e confiável podem ser identificados a distâncias muito maiores em comparação com espécies pequenas e enigmáticas como a Squarespot Rockfish (Sebastes hopkinsi). Estes diferentes intervalos máximos de detectabilidade alterar a área eficaz pelo módulo para cada espécie. Porque as câmeras estéreo permitem-nos colocar todos os peixes no espaço tridimensional com um alto grau de precisão, um pode determinar a distância entre as câmeras que cada peixe foi medido (ou seja, a distância de”Z”, nomeado para o “z”, que é perpendicular à linha reta traçada entre as câmeras). Para cada espécie, a distância em que 95% de todos os indivíduos foram observados (doravante, “distância 95% Z”) era considerada o raio da área de pesquisa e foi usada para calcular a área total de pesquisados. Além de características específicas, identificabilidade será afetada por condições ambientais, tais como a turbidez da água. Porque esses fatores podem variar no tempo e no espaço, é importante usar a estatística de 95% Z apenas no agregado. Enquanto será altamente preciso para amostras grandes, qualquer um inquérito individual pode variar em área pesquisada.
O protocolo detalhado abaixo fornece orientação sobre como criar e usar essas métricas. Embora o foco era caracterizar águas profundas habitat rochoso ao longo da costa do Pacífico, a metodologia descrita por modificados MaxN contagem é prontamente aplicável a qualquer sistema de gota-câmera rotativa. O número de rotações de câmera necessários para caracterizar as populações de peixes dependerá a dinâmica do ecossistema local, mas a conceituação do MaxN modificado permanecerá o mesmo. Da mesma forma, Considerando que costumávamos software fotogramétrico 3D para analisar vídeo estéreo, as técnicas descritas neste documento facilmente são aplicadas através de plataformas de software, como a localização precisa de peixe no espaço tridimensional é possível. Além disso, a abordagem da aplicação de um valor de distância 95% Z pode ser considerada no futuro estudos com estéreo-câmeras para contabilizar gamas específicas de detectabilidade e calcular com mais precisão a abundância de peixe.
Protocol
Representative Results
Discussion
A métrica MaxN tradicional baseia-se na ideia de contar com um número mínimo garantido de indivíduos presentes durante o estudo. Se um determinado número de peixes é visível simultaneamente em um único quadro de vídeo, não pode haver qualquer menos presente, mas porque os peixes são móveis e forma heterogénea distribuído, a probabilidade de ver todos os indivíduos simultaneamente durante um único quadro do vídeo é baixa . Portanto, é provável que MaxN tradicional subestima a abundância de peixe verda…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi financiado pela The Nature Conservancy e doadores privados, recursos legado fundo Foundation, Gordon e Betty Moore Foundation, fundo de defesa ambiental, programa de concessão do mar de Califórnia, programa nacional de pesquisa cooperativa de NMFS e um NOAA Saltonstall-Kennedy Grant #13-cabos de aço-008. Marinhas de exploração e pesquisa aplicada (Dirk Rosen, Rick Botman, Andy Lauerman e David Jefferies) desenvolvido, construído e mantido a ferramenta vídeo de Lander. Agradecemos a Jim Seager e SeaGIS™ software para obter suporte técnico. Capitão e pescador comercial Tim Maricich e tripulação a bordo, o F/V Donna Kathleen fornecida apoio na implantação do módulo de pouso de 2012-2015. Obrigado a todos que participaram da coleta de dados de vídeo ou análise (Anne Tagini, Donna Kline, o Tenente Amber Payne, Bryon Downey, Marisa Ponte, Rebecca Miller, Matt Merrifield, Walter Heady, Steve Rienecke, EJ Dick e 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
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