Metodi per sondaggi basati su immagine di macroinvertebrati bentonici e loro Habitat esemplificato dall'indagine fotocamera goccia per la cappasanta atlantica
Summary
Rilievo di immagine in base è un metodo sempre più pratico, non-invasivo per assaggiare l’ambiente marino. Vi presentiamo il protocollo di un sondaggio di fotocamera di discesa che consente di stimare l’abbondanza e la distribuzione della cappasanta atlantica (Placopecten magellanicus). Discutiamo di come questo protocollo può essere generalizzato per applicazione ad altri macroinvertebrati bentonici.
Abstract
Formazione immagine subacquea è stato a lungo utilizzata nel campo dell’ecologia marina, ma diminuendo i costi di archiviazione dati e telecamere ad alta risoluzione hanno reso l’approccio più pratico che in passato. Sondaggi basati su immagine consentono i primi campioni essere rivisitato e sono non-invasiva rispetto ai metodi di indagine tradizionali che in genere coinvolgono reti o draghe. Protocolli per sondaggi basati su immagine possono variare notevolmente, ma devono essere guidate da obiettivi di indagine e di comportamento specie target. Per dimostrare questo, descriviamo i nostri più recenti metodi per un’indagine di macchina fotografica mare Atlantico goccia capesante (Placopecten magellanicus) fornire un esempio procedurale e risultati rappresentativi. La procedura è divisa in tre fasi critiche che includono il disegno di indagine, raccolta dei dati e dei dati prodotti. L’influenza del comportamento di capesante e l’obiettivo del sondaggio di fornire una valutazione indipendente della risorsa US mare capesante sulla procedura di indagine sono poi discussi nel contesto di generalizzare il metodo. Nel complesso, l’ampia applicabilità e flessibilità dell’Università del Massachusetts Dartmouth scuola per Marine Science and Technology (SMASTI) goccia sondaggio fotocamera viene illustrato il metodo potrebbe essere generalizzato e applicato ad una varietà di invertebrati sessili o habitat concentrato la ricerca.
Introduction
La cappasanta atlantica (Placopecten magellanicus) è un mollusco bivalve marino distribuito in tutta la piattaforma continentale dell’oceano Atlantico nord-occidentale del Golfo della St. Lawrence, Canada a Capo Hatteras, North Carolina1. Industria della pesca di mare capesante negli Stati Uniti ha sperimentato aumenti gli sbarchi e valore senza precedenti negli ultimi quindici anni ed è diventato uno della pesca di valore più alta del paese con gli atterraggi vale circa $ 440 milioni nel 20152. Nonostante questo aumento, dello sforzo di pesca del pettine è stato sostanzialmente ridotto negli ultimi 20 anni attraverso l’implementazione di un sistema di rotazione di zona che mira a proteggere le aree con capesante giovanile e concentrarsi di pesca in zone con più grandi capesante in alta densità1. Questo approccio di gestione richiede informazioni specifiche spazialmente il pettine densità e dimensione, che viene fornito da diverse indagini tra cui l’Università del Massachusetts Dartmouth School for Marine Science e Technology (SMASTI) goccia fotocamera survey.
L’obiettivo dell’indagine SMASTI goccia fotocamera è quello di fornire una valutazione indipendente della US mare capesante risorsa e il suo habitat associati gestori delle risorse della pesca, gli scienziati marini e le comunità di pescatori. L’indagine è stata sviluppata in collaborazione con i pescatori di capesante e applica le tecniche di campionamento quadrat basate su immersioni studi3,4. Le indagini iniziali nel 2000s iniziale focalizzato sulla stima della densità di scaloppine di mare all’interno di porzioni chiuse di un’area produttiva dell’industria della pesca conosciuto come Georges Bank5, ma l’indagine ampliata per coprire la maggior parte della risorsa capesante in Stati Uniti e Canada acque (≈ 100, 000 km2)6,7. Informazioni dall’indagine sono stati incorporati nella valutazione dello stock di capesante attraverso il processo di Stock Assessment Workshop e in modo affidabile forniti al Consiglio di gestione della pesca di New England per aiutare nella annuale capesante raccolto allocazione8. Inoltre, i dati del sondaggio di fotocamera goccia SMASTI ha contribuito in numerosi modi per comprendere l’ecologia delle specie non-capesante7,9,10,11,12 e la caratterizzazione di habitat bentonici13,14,15. Questa ampia applicabilità viene illustrato il metodo potrebbe essere generalizzato e applicato ad una varietà di invertebrati sessili, potenzialmente contribuendo ad per alleviare il problema dell’espansione di invertebrati marini pesca superando la conoscenza scientifica e politica necessari per gestire con successo li16. Basata su immagine, ulteriore campionamento è invasivo rispetto a metodi di campionamento popolazione tradizionale e sempre più conveniente dovuta alla diminuzione dei costi di alta risoluzione telecamere e dati archiviazione17,18. Qui sono presentati i metodi 2017 dell’indagine SMASTI goccia fotocamera utilizzato per la gestione di capesante sulla parte US di Georges Bank per esemplificare la procedura. Discutiamo la logica dietro questa procedura per aiutare nella sua generalizzazione e l’applicazione di altri invertebrati sessili.
Protocol
Representative Results
Discussion
I protocolli di disegno di indagine sono flessibili, ma è fondamentale considerare la specie bersaglio obiettivi di indagine e comportamento quando generalizzando questi protocolli. Rassegna di letteratura e gli studi preliminari o iniziali possono essere utilizzati per comprendere il comportamento di specie bersaglio nel disegno di indagine. Ad esempio, meno di un pettine, 12,5 m2 (0,08 capesante/m2) è inferiore a pesca commerciale sostenibile densità23. Così, per quattro quadrats per ogni stazione di campionamento, l’area campione di stazione è collegato al rilevamento di capesante alle densità commerciale. Inoltre, mare capesante sono solitamente aggregati piuttosto che distribuiti casualmente sul fondo del mare, che influenzano come spaziatura stazione impatti la precisione di densità stima24. Parecchi studi utilizzando i dati di media e varianza di studi iniziali esaminato precisione e determinano che 5,6 km era che le stazioni di distanza massima devono essere posizionate apart5,25,26. Il disegno di campionamento sistematico dell’indagine è stato influenzato dagli obiettivi di indagine. I confini delle zone SAMS cambiare frequentemente e spesso dopo che indagini sono state condotte21,27. Campionamento sistematico evita il grave problema del post-stratificazione dei confini spaziali stime che impatti in modo casuale stratificato o indagine ottimamente allocato progetta20. Ripartizione uniforme delle stazioni inoltre facilita il rilevamento di nuovi reclutamenti di capesante e sedimenti del fondale marino di mappatura e macroinvertebrati distribuzioni28. Un passo dove è non possibile considerare specie bersaglio obiettivi di indagine e di comportamento è l’identificazione di una nave di indagine, motivo per cui il protocollo inizia con questo passaggio. Una nave è essenziale per campionamento in mare e detta i passaggi successivi di progetto dell’indagine. Per i nostri protocolli, era fondamentale per coinvolgere l’industria della pesca commerciale per promuovere la trasparenza nei metodi di indagine e fiducia nei risultati dell’indagine. Utilizzando le navi da pesca commerciale era un modo incisivo per includere industria con i nostri metodi e le dimensioni e la funzionalità dei vasi ha permessi per un apparato di fotocamera grande, pesante e per le stazioni di sondaggio da campionare all’interno della timeline necessaria. Ulteriormente, gli armatori sono stati responsabili per tutti i costi connessi con l’uso di nave e sono stati compensati attraverso un’allocazione di capesante sterline premiato dalla National Oceanic and Atmospheric Administration attraverso il programma di ritiro dalla produzione di ricerca capesante Atlantic 29. anche se non è necessario impegnarsi industria in sondaggi, dimensioni, capacità e costi delle navi disponibili devono essere considerati prima di sviluppare altri aspetti del progetto dell’indagine.
Gli aspetti di raccolta ed elaborazione di dati dei protocolli di presentano il più grande vantaggio, ma anche una limitazione di questo metodo. L’uso di software personalizzato e database per quantificare i dati all’interno di immagini ha un costo notevole. Tuttavia, l’uso di questi prodotti dal sondaggio fotocamera SMASTI goccia rappresenta un’evoluzione di un programma avviato nel 1999 e non è essenziale. Ad esempio, al primo avvio il programma, capesante conteggi sono stati realizzati con carta e penna e software libero è ora disponibile per misurare all’interno delle immagini. Allo stesso modo, la fotocamera digitale attuale è stato scelto come è stato in grado di rilevare tutte le classi di dimensione di capesante e consentito per circa 200% ingrandimento senza perdita di qualità dell’immagine (Figura 3), ma una risoluzione inferiore, fotocamere meno costose utilizzato in precedenza il sondaggio sono stati in grado di riconoscere completamente capesante di taglia commerciale30. Come con i protocolli di disegno di indagine, il tipo di macchina fotografica dovrebbe essere collegato alla risoluzione necessaria per rilevare le specie bersaglio e raggiungere obiettivi di indagine. Acquisizione di immagini e la registrazione video ad ogni stazione fornisce un vantaggio significativo rispetto ai metodi di indagine tradizionali fornendo la capacità continua di rivisitare i campioni ed espandere l’analisi di taxa o caratteristiche di habitat inizialmente non rilevate o enumerati. Ad esempio, immagini con dollari di sabbia e altri echinodermi originariamente indicati come presenti o assenti nel database SMASTI sono stati rivisitati per quantificare la loro abbondanza e biomassa attraverso tempo12. Al contrario, campioni di metodi di indagine più tradizionali come draghe o reti sono scartati in mare e non possono essere rivisitati. Tuttavia, i progressi che consentono di massicce quantità di immagini per essere acquisita e memorizzata possono provocare milioni di immagini vengono raccolte con solo una piccola frazione viene utilizzata. Questo è in gran parte a causa di restrizioni di tempo e di costo, come gli esseri umani sono necessari per l’estrazione dati e causare grandi quantità di informazioni inutilizzata31. Progressi nel rilevamento automatico di animali e habitat caratteristiche possono aiutare a risolvere questo enigma.
Metodi di indagine basata su immagini in grado di fornire i dati necessari per monitorare macroinvertebrati e habitat associati, ma completando i protocolli descritti qui con altri metodi che raccolgono campioni biologici è ideale. Senza un rapporto di peso scallop shell-altezza carne, creato da campionamento basato su Draga, stime di biomassa non sarebbe possibile. Ulteriormente, il rapporto di peso scallop shell-altezza carne varia con il tempo e la posizione sulla riva di Georges indicando che costantemente aggiornando l’equazione utilizzata per descrivere questa relazione è utile32. Combinazione di immagine e tecniche basate su campione fisici aiuta anche a esplorare i pregiudizi e le ipotesi di ciascun metodo. Misurare le altezze di shell di capesante in discesa immagini da una fotocamera con pinze quantificato un bias di misurazione associato con la curvatura della lente della fotocamera e distanza dall’immagine centro33. Al contrario, accoppiati i confronti tra immagini e Draga rimorchia hanno contribuito a definire quale proporzione di capesante sul fondo del mare sono effettivamente raccolti e come la proporzione cambia con capesante dimensione6.
Formazione immagine subacquea è stata utilizzata nel campo dell’ecologia marina per decenni17,34. Tuttavia, diminuendo i costi di archiviazione dati e telecamere ad alta risoluzione hanno reso l’approccio più pratico che in passato. I metodi descritti in questa carta possono essere generalizzati e hanno ampia applicabilità, contribuendo a facilitare lo sviluppo di ulteriori sondaggi basati su immagine. Più in particolare, le procedure mostrano come i risultati possono essere utilizzati per produrre dati per aiutare a gestire gli invertebrati sessili (tabelle 1-2) e contribuire a una più ampia comprensione di ambiente marino7,9,10 ,11,12,13,14,15.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Grazie a studenti, personale, capitani e gli equipaggi che hanno navigato su questi viaggi di ricerca e proprietari che ha fornito loro navi. Grazie a T. Jaffarian per sviluppare il programma di raccolta di dati di laboratorio, MOV, Inc per lo sviluppo del campo software e attrezzature e a CVision Consulting per lo sviluppo del programma di annotazione di immagine. Finanziamento è stato assicurato dai premi di NOAA NA17NMF4540043, NA17NMF4540034 e NA17NMF4540028. Le opinioni qui espresse sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni di NOAA.
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
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