Методы для проведения обследований на основе образа бентических макробеспозвоночных и среды их обитания, подтверждается падение камеры обследования для Атлантический морской гребешок
Summary
Изображения на основе обследований является все более практический, неинвазивный метод для морской среды. Мы представляем протокол обследования падение камеры, что смета изобилие и распределение Атлантический морской гребешок (новозеландский Placopecten). Мы обсудим, как этот протокол может быть обобщена для других бентических макробеспозвоночных приложения.
Abstract
Подводный изображений уже давно используется в области морской экологии, но снижение расходов высокого разрешения камеры и хранения данных сделали подход более практичным, чем в прошлом. Опросы на основе изображений позволяют первоначальные образцы следует пересмотреть и неинвазивные по сравнению с методами традиционной обследования, которые обычно связаны с сетками или экскаваторы. Протоколы для обследований на основе изображений может сильно варьироваться, но должна определяться целевых видов поведения и обзор целей. Чтобы продемонстрировать это, мы описываем наши самые последние методы для Атлантического моря гребешок (Placopecten новозеландский) падение камеры обследования предоставить пример процедурного и представительных результатов. Процедура состоит из трех критических шагов, которые включают обследования, сбора данных и данных продуктов. Влияние поведения гребешок и обследования цели обеспечения независимой оценки США морской гребешок ресурса о процедуре обследования затем обсуждаются в контексте обобщение метода. В целом, широкую применимость и гибкость университета Массачусетса Дартмаут школы для морской науки и технологии (SMAST) падение камеры обзор демонстрирует метод может быть обобщена и применяется к различным сессильных беспозвоночных или Хабитат сосредоточено исследований.
Introduction
Атлантический морской гребешок (новозеландский Placopecten) является морских двустворчатых моллюсков, распределены по всему континентального шельфа северо-западной части Атлантического океана от залива Святого Лаврентия, Канада до мыса Хаттерас, Северная Каролина1. Морской гребешок промысел в Соединенных Штатах наблюдается беспрецедентное увеличение посадок и значением за последние пятнадцать лет и стал одним из страны высоких ценится рыболовства с посадками стоит примерно $440 млн в 2015 году2. Несмотря на это увеличение гребешок промыслового усилия значительно сократилось за последние 20 лет путем осуществления системы ротации области, которая направлена на защите районов с несовершеннолетних гребешки и сосредоточиться рыболовства в районах с более гребешки в высоком плотность1. Этот подход к управлению требует пространственно конкретной информации о морской гребешок плотности и размера, которая предоставляется несколько обследований, включая школу Дартмутского университета штата Массачусетс для морской науки и технологии (SMAST) падение камеры обзора.
Цель обзора камеры падение SMAST – предоставить независимую оценку США морской гребешок ресурса и его связанные обитания рыбных ресурсов менеджеры, мореведы и рыболовецких общин. Опрос был разработан совместно с морским гребешком рыбаков и применяет методы выборки квадрат, основанные на дайвинг исследования3,4. Первоначальные обследования в начале 2000-х, сосредоточена на оценке плотность морские гребешки в рамках закрытой части зоны продуктивного рыболовства, известный как банке Джорджес5, но опрос расширена для охвата большинства ресурсов гребешок в США и Канаде вод (≈100 000 км2),6,7. Информация от обследования включены в оценку запасов гребешок через процесс практикум по оценке запасов и надежно представил Совету управления рыболовства Новой Англии для помощи в ежегодных гребешок урожай распределение8. Кроме того данные обследования SMAST падение камеры внесла в многочисленных способов понимания экологии видов не гребешок7,9,10,11,12 и характеристики бентических Хабитат13,14,15. Этот широкой применимости демонстрирует метод может быть обобщена и применяется к различным сессильных беспозвоночных, потенциально помогают смягчить проблему расширения беспозвоночных рыболовства, опережая научных знаний и политики необходимо успешно управлять ими16. Кроме того, на основе изображений выборки является неинвазивным, по сравнению с традиционным населением методов выборки и все более доступным, из-за сокращения расходов высокого разрешения камеры и данных хранения17,18. Здесь представлены 2017 методы SMAST падение камеры обзора используется для управления гребешок на США часть Жорж банка чтобы проиллюстрировать процедуры. Мы обсуждаем суть этой процедуры для оказания помощи в его обобщение и применение других сессильных беспозвоночных.
Protocol
Representative Results
Discussion
Дизайн протоколы обследования являются гибкими, но очень важно рассмотреть вопрос о целевых видов поведения и обзор целей при обобщении эти протоколы. Обзор литературы и предварительных или первоначального исследования может использоваться для включения в обследования целевых видов поведения. К примеру меньше, чем один гребешок в 12,5 м2 (0.08 гребешки/м2) находится ниже устойчивого коммерческого рыболовства плотность23. Таким образом путем отбора проб четыре quadrats на станции, области образец станции связано с обнаружения гребешки в коммерческих плотности. Кроме того морских гребешков обычно объединяются, а не случайным образом распределены на морском дне, влияющих как станция интервалов влияет точность плотности оценкам24. Ряд исследований с использованием среднее и дисперсия данных из первоначальных исследований рассмотрены точность и определить, что 5,6 км было максимальное расстояние станции должен быть помещен отдельно5,25,26. Дизайн системной выборки обследования находился под влиянием цели обследования. Границы зон Самс изменения часто и часто после обследования были проведены21,27. Системные выборки позволяет избежать серьезной проблемой после стратификации границы для пространственной оценки, что воздействия случайно стратифицированной или оптимально выделенных обследование конструкций20. Равномерное распределение станций также облегчает обнаружение нового набора гребешок и картирования морского дна отложения и macroinvertebrate распределений28. Один шаг, где это не возможно рассматривать целевых видов поведения и обзор целей является идентификация судна, именно поэтому протокол начинается с этим шагом. Судно имеет важное значение для отбора проб на море и диктует последующие шаги Дизайн опроса. Для наших протоколов жизненно важно заниматься коммерческой рыбной промышленности содействовать транспарентности в методах обследования и уверенность в результатах опроса. Использование коммерческих рыболовных судов был впечатляющие способ включить промышленности в наши методы и размера и возможностей судов допускается для больших, тяжелых камеры аппарата и для обследования станций для выборки в необходимые сроки. Кроме того владельцы судов несут ответственность за все расходы, связанные с использованием судна и были компенсированы через распределение гребешок фунтов награжден национального управления океанических и атмосферных через программу резервирования исследования Атлантического гребешок 29. Хотя это не обязательно для участия промышленности в обследованиях, размер, возможности, и стоимость имеющихся судов должны рассматриваться до разработки других аспектов обследования.
Аспекты сбора и обработки данных протоколов представить самое главное преимущество, но и ограничение этого метода. Использование специализированного программного обеспечения и баз данных для количественного определения данных в пределах изображения происходит в значительных расходов. Однако использование этих продуктов SMAST падение камеры обследование представляет собой эволюцию программы началась в 1999 году и не является необходимым. Например когда программа впервые начала, гребешок графов были сделаны с ручкой и бумагой и свободного программного обеспечения теперь доступна для измерения в пределах изображения. Аналогично текущей цифровой фотокамерой был выбран как он был способен обнаруживать все классы размера гребешки и позволило примерно 200% увеличение без потери качества изображения (рис. 3), но более низкое разрешение, менее дорогие камеры используемые ранее в обследования смогли полностью обнаружить гребешки коммерческих размер30. Как с протоколами обследования дизайн, тип камеры должно увязываться с резолюции, необходимые для выявления целевых видов и достижения целей обследования. Захват изображений и записи видео на каждой станции обеспечивает значительное преимущество над традиционными обследования методы, обеспечивая непрерывное возможность пересмотреть проб и расширить анализ таксонов или характеристик Хабитат, изначально не считано или перечисление. Например, изображения с ежей и другие иглокожие первоначально отметил как представления или отсутствует в базе данных SMAST были пересмотрены количественно оценить их численность и биомасса через время12. В противоположность этому образцы от более традиционных методов обследования например экскаваторы или сеток брошенные в море и не могут быть пересмотрены. Однако достижения, которые позволяют для огромного количества изображений для получения и хранения может привести к миллионы изображений, собранных с лишь незначительная используются. Это во многом из-за ограничения времени и затрат, как люди нужны для извлечения данных и привести к большое количество неиспользованных информации31. Достижения в автоматизированного обнаружения животных и характеристик Хабитат может помочь решить эту головоломку.
Изображения на основе методов обследования может предоставить необходимые данные для мониторинга мелководьях и связанные Хабитат, но дополняющего протоколы, описанные здесь с другими методами, которые собирают биологических образцов является идеальным. Без отношений вес оболочки высота мяса гребешок, создаваемые на базе экскаватора выборки оценки биомассы не удастся. Кроме того отношения вес оболочки высота мяса гребешок варьируется в зависимости от времени и места на банке Джорджес, указывающее, что последовательно обновление уравнения, используемые для описания этой взаимосвязи является полезным32. Сочетание изображения и физические методы, основанные на образец также помогает в изучении предубеждения и предположения каждого метода. Измерение высот оболочки гребешки в падение камеры изображения с суппортами количественно уклоном измерения, связанные с кривизной объектив камеры и расстояние от изображения центр33. И наоборот парных сравнений между изображениями и буксирах земснаряд помогли определить, какая доля гребешки на морском дне на самом деле собирается и как доля изменяется с морским гребешком размер6.
Подводного изображения были использованы в области морской экологии для десятилетий17,34. Однако снижение расходов высокого разрешения камеры и хранения данных сделали подход более практичным, чем в прошлом. Методы, описанные в этом документе может быть обобщена и имеют широкую применимость, помогая содействовать разработке более обследований на основе образа. Говоря более конкретно процедуры показывают, как результаты могут быть использованы для получения данных, чтобы помочь управлять сессильных беспозвоночных (таблицы 1-2) и способствовать более широкому пониманию морской среды7,9,10 ,11,12,13,14,15.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Спасибо для студентов, сотрудников, капитанов и экипажей, которые приплыли на этих исследовательских поездок и владельцев, которые представили их судов. Благодаря Jaffarian т. для разработки программы сбора данных лаборатории, Electromechanica, Inc. для разработки в области программного обеспечения и оборудования, а также CVision консалтинг для разработки программы аннотатором изображения. Финансирование было предоставлено NOAA награды, NA17NMF4540043, NA17NMF4540034 и NA17NMF4540028. Мнения, высказанные здесь являются мнениями авторов и не обязательно отражают взгляды НОАА.
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).
