Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме



Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме
Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме

 


Владельцы патента RU 2495451:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU)

Изобретение относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использовано для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов. Сущность: проводят подводную видеосъемку с узкой фронтальной лазерной подсветкой организмов. Подсчитывают организмы, наблюдаемые в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально. При этом непрерывно регистрируют все организмы в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а также вертикальное распределение организмов каждой размерной группы. Технический результат: повышение точности определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры. 2 ил.

 

Изобретение относится к области экологии, рыбного хозяйства и может быть использовано для оценки функционирования биотических сообществ водных экосистем, с целью сбора сведений о численности, биомассе и пространственном распределении ключевых видов гидробионтов.

Классические исследования включают отбор проб зоопланктона и их последующий анализ под микроскопом. Существуют различные способы отбора проб зоопланктона: лов сеткой [Шаповалова И.М., Вологдин М.П. О количественном учете озерного бокоплава // Гидробиол. журн. 1973. IX. №5. С.85-89], батометром [Жадин В.И. Методы гидробиологического исследования. М.: Высш. шк. 1960. 189 с.] или шланговым насосом [Trevorrow M.V., Tanaka Y. Acoustic and in situ measurements of freshwater amphipods (Jesogammarus annandalei) in Lake Biwa, Japan // Limnol. Oceanogr. 1997. V.42. №1. P.121-132]. Анализ проб под микроскопом позволяет получить такие важные характеристики популяции как: размерный состав и распределение возрастных стадий, половую структуру, плодовитость.

Однако применение этих способов требует больших временных затрат как для отбора, так и обработки проб. Как следствие, нельзя получить мгновенную картину распределения животных в пространстве. Также известно, что животные способны избегать орудия лова, что приводит к недооценке их количества и большой статистической погрешности.

Наряду с классическими способами отбора зоопланктона применяются и автоматизированные подходы, например акустическое зондирование и подводные видеосъемки [Handbook of scaling methods in aquatic ecology: measurement, analysis, simulation / Edited by Seuront L, Strutton P.G. CRC Press. 2004. 600 p.; Zooplankton methodology manual / Edited by Harris R.P. et al. Elsevier. 2000. 684 p.].

Акустический мониторинг позволяет получать практически мгновенную картину распределения организмов в пространстве. Анализируется достаточно большая площадь водной толщи. Непрерывность регистрации эхосигналов в процессе зондирования также дает возможность оценить вертикальные миграции гидробионтов.

Однако этот метод имеет существенные ограничения при работе с низкой плотностью организмов. Также крайне затруднительно получить таксономический состав и морфометрию планктона.

Наиболее перспективным способом исследований являются способы подводного видеонаблюдения, активно развивающиеся в последние годы [Теесе M.A. An inexpensive remotely operated vehicle for underwater studies // Limnol. Oceanogr.: Methods. 7. 2009. P.206-215]. Подводные камеры позволяют получать качественное изображение организмов в широком размерном диапазоне, включая организмы зоопланктона [Schuiz J., Barz K., Ayon P. Imaging of plankton specimens with the lightframe on-sight keyspecies investigation (LOKI) system // Journal of the European optical society-rapid publications. 5. 2010. P.10017].

Более совершенной системой, подробно описанной в литературе, является UVP5 [Picheral M., Guidi L., Stemmann L., Karl D.M., Iddaoud G., Gorsky G. The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton // Limnol. Oceanogr.: Methods. 8. 2010. P.462-473]. Она использует в качестве подсветки объектов узколинейный стробоскопический источник света (длина волны 625 нм), образующий перед камерой световую область с помощью двух установленных друг против друга световых модулей. Типичный размер светового луча каждого модуля составляет 3×20 см.

Наиболее близким техническим решением является способ определения плотности концентрации рыб [п.2167434 РФ, МПК G01S 17/00, опубл. 20.03.1998 г. (прототип)], включающий съемку с помощью лазерной подводной телевизионной системы со стробированием по дальности и подсчетом визуально или с помощью компьютера числа рыб, наблюдаемых в кадре.

Основной недостаток данного способа, применительно к изучению вертикального распределения и размерной структуры организмов зоопланктона заключаются в следующем: он не позволяет установить точное индивидуальное вертикальное положение исследуемых объектов, поскольку все объекты на видеокадре фиксируются в достаточно широкой области пространства, имеющей форму сферического конуса. По этой же причине невозможно точное определение размера организмов.

Техническим результатом изобретения является разработка более точного способа определения вертикального распределения планктонных организмов и их размерной структуры.

Технический результат достигается тем, что в способе определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона, включающем подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов наблюдаемых в кадре с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, новым является то, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы

xi,j=ni,j(h·l·z), где

xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;

ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-1)≤d<z·i;

h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется графическими материалами:

На фиг.1 представлена схема устройства, осуществляющего видеодетекцию планктонных организмов описываемым способом.

На фиг.2 дан пример вертикального распределение численности организмов зоопланктона (экз./л) размером менее 2 мм, зарегистрированных с помощью системы видеодетекции с лазерной подсветкой в озере Шира (Россия, Хакасия) (09.10.2011).

Для решения данной проблемы предлагается использовать способ подводной видеодетекции, использующий узкую фронтальную лазерную подсветку организмов.

Устройство (фиг.1) состоит из погружаемого блока, включающего: цифровую цветную видеокамеру (1), лазерный модуль (2), гидростатический датчик глубины (3), и регистрирующего компьютера (4). Элементы погружаемого блока закреплены на треножном штативе (5). В верхней части штатива располагается направленная вниз видеокамера, помещенная в водонепроницаемый бокс (6) с обзорным окном (7). Опоры штатива служат для крепления гидростатического датчика глубины и лазерного модуля, которые располагаются на одном уровне. Видеокамера и датчик глубины соединены с регистрирующим компьютером комбинированным кабелем (8). По кабелю осуществляется передача видеоданных и управление видеокамерой, передача сигнала с датчика глубины, а также питание видеокамеры и лазерного модуля. Лазерный модуль крепится на штативе таким образом, чтобы генерируемая лазерная плоскость (9) была перпендикулярна главной оптической оси объектива видеокамеры, а зона видимости камеры (10) находилась внутри границ лазерной плоскости. Расстояние от объектива камеры до лазерной плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы исследуемые объекты, находящиеся на этом расстоянии, были достаточно хорошо различимы на видеокадрах с целью последующего определения их размера.

Предлагаемый способ подсчета организмов в водной толще осуществляется следующим образом. Погружаемый блок устройства опускают в водоем от поверхности до дна равномерно с заданной скоростью. При опускании ведется непрерывная запись изображения с камеры и значений датчика глубины с помощью регистрирующего компьютера. В результате сканирования водной толщи лазерной плоскостью все встреченные организмы подсвечиваются и их изображения записываются в видеофайл. Максимальная скорость опускания устройства определяется скоростью захвата изображений видеокамерой, т.е. камера должна сделать не менее одного кадра за то время, пока объект остается подсвеченным.

Определение размерного состава и вертикального распределения планктонных организмов выполняется на основе компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально (в случае малых численностей или низких требований к точности). В кадре подсвеченные организмы имеют более высокую яркость и оттенок, соответствующий цвету лазера (фиг.1, позиция 77), что позволяет их легко отличать от фона и организмов, находящихся вне лазерной плоскости (фиг.1, позиция 72). Точное вертикальное положение каждого подсвеченного организма определяется на основе показаний датчика глубины, установленного на одном уровне с лазерной плоскостью. В видеофайле отмечается время, когда организм попадает в свет лазера и для этого же времени находится значение в файле данных датчика глубины. Найденное значение глубины присваивается наблюдаемому организму. В итоге, после обработки всего видеофайла, устанавливается вертикальное положение всех организмов в сканированном столбе воды. Поскольку расстояние от объектива камеры до подсвеченного объекта всегда постоянно, то размеры организмов находят путем прямого измерения их изображений в кадре в пикселях и последующего перевода в метрические единицы. Для перевода используют коэффициент k, определяющий, сколько метрических единиц зоны лазерной плоскости отображает один пиксель. Коэффициент k может быть найден как

k = l l f r ,

где

l - длина (или ширина) зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости в метрических единицах; lfr - соответствующая длина (или ширина) кадра в пикселях.

Например, если длина изображения подсвеченного объекта в кадре limg=10 пикселей, ширина кадра lf=640 пикселей, а ширина зоны видимости камеры на уровне лазерной плоскости l=50 мм, то реальный размер объекта lobj в мм будет

l o b j = k l i m g = 5 0 6 4 0 1 0 = 0 . 7 8 1

В гидробиологических исследованиях часто необходимо получить данные о вертикальном распределении численности и биомассы планктонных организмов, а также найти их интегральные величины в столбе воды под метром квадратным. Предлагаемый способ позволяет легко рассчитать эти значения по результатам видеодетекции. Если вся вертикаль водной толщи разбита на N слоев высотой z, то концентрация численности организмов зоопланктона xi,j каждой размерной группы j в слое i будет определяться как

xi,j=ni,j(h·l·z),

где

ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-1)≤d<z·i,

h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.

Биомасса организмов зоопланктона bε, в слое i будет определяться как

b i = j x i , j a j , где

a j - соответствующий размерно-весовой коэффициент.

Интегральная численность Х и биомасса B в выделенном столбе воды под метром квадратным будет определяться согласно формулам

X = i = 1 N x i h l и B = i = 1 N b i h l

Пример вертикального распределения концентрации организмов зоопланктона представлен на фиг.2.

Заявляемый способ определения размерной структуры и вертикального распределения планктонных организмов за счет использования узкой фронтальной лазерной подсветки организмов позволяет определить точное местоположение объекта (до нескольких миллиметров) в пространстве, его размерные характеристики, а также получить более контрастное изображение относительно фона, что значительно облегчает автоматический подсчет количества встреченных объектов.

Способ определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона в водоеме, включающий подводную видеосъемку с лазерной подсветкой и подсчет организмов, наблюдаемых в кадре, с помощью компьютерного анализа изображений в видеофайле или визуально, отличающийся тем, что используют узкую фронтальную лазерную подсветку организмов, при этом производят непрерывную регистрацию всех организмов в сканируемом столбе воды и определяют индивидуальную глубину нахождения и размер каждого организма, а вертикальное распределение организмов каждой размерной группы определяют по формуле
xi,j=ni,j(h·l·z),
где xi,j - концентрация организмов зоопланктона размерной группы j в слое i высотой z;
ni,j - количество организмов размерной группы j с зафиксированным вертикальным положением d в диапазоне z·(i-l)≤d<z·i;
h - высота и l - ширина зоны видимости видеокамеры на уровне лазерной плоскости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерным локационным системам (ЛЛС), используемым, в частности, в процессе стыковки космических аппаратов (КА). Способ включает сканирование пространства путем разворота активного КА с жестко установленной на нем ЛЛС по каналу тангажа или курса до обнаружения пассивного КА.

Изобретение относится к области лазерной техники и используется для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов через узости или своды мостов, дистанционном управлении робототехническими устройствами в опасных для человека зонах и т.п.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к области лазерных локационных систем (ЛЛС), используемых для обеспечения сближения космических аппаратов (КА).

Изобретение относится к оптико-электронной технике и может быть использовано в летательных аппаратах, предназначенных для съемки земной поверхности с целью картографирования.

Изобретение относится к системам с использованием отражения электромагнитных волн, иных чем радиоволны, например оптического излучения, а именно к системам лазерных локаторов для предотвращения столкновений и наездов автомобилей и других транспортных средств.

Изобретение относится к лазерной дальнометрии и может быть использовано для измерения расстояний до различных объектов на транспорте, в строительстве, машиностроении и других областях.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для защиты подводных объектов от активных лазерных систем поиска. .

Изобретение относится к области телевизионной техники и может быть использовано в навигационных системах и в системах предупреждения столкновений судов и движущихся наземных объектов.

Изобретение относится к области вооружений, в частности к неконтактным взрывателям реактивных боеприпасов. Устройство содержит два и более приемоизлучающих канала, размещенные вокруг продольной оси устройства, каждый из которых содержит электронный блок, импульсный источник оптического излучения и фотоприемник, соединенные с электронным блоком. Источник оптического излучения и фотоприемник, образующие приемоизлучающий канал, расположены преимущественно вплотную друг к другу. Оптические оси импульсного источника оптического излучения и фотоприемника расположены параллельно и направлены под углом < 90° к продольной оси, совпадающей с вектором скорости движения объекта, на котором установлено устройство. Необходимое количество излучателей определено из соотношения: n ≥ 2π/(α+b/R), где: n - количество излучателей; α - угол расхождения пучка излучения; b - минимальный габаритный размер встречного объекта; R - заданное измеряемое расстояние между объектами. Технический результат - повышение точности определения момента достижения заданного расстояния между объектами при их сближении, повышение помехозащищенности, уменьшение габаритно-весовых характеристик и энергопотребления. 1 ил.

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для ориентации на местности. Устройство акустического представления пространственной информации содержит генератор сигналов, усилитель тракта излучения и передатчик, правый и левый ультразвуковые преобразователи, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, первый и второй блоки памяти, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, первый и второй усилители, правый и левый головные телефоны. Также устройство содержит генератор синхронизирующих импульсов, первый и второй делители частоты и блок задержки, первый и второй коммутаторы, счетчик, первый и второй наборы масштабно-временных фильтров, а также первый и второй сумматоры. Причем выходы первого и второго блоков памяти подключены соответственно к информационным входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, а выходы первого и второго сумматоров соединены с первыми входами соответственно первого и второго ЦАП. В устройство введены последовательно соединенные блок анализа слухового анализатора пользователя (БАСАП), третий блок памяти и мультиплексор, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго наборов масштабно-временных фильтров, второй выход БАСАП соединен со вторым входом мультиплексора, а вход БАСАП подключен к выходу генератора синхронизирующих импульсов. Технический результат - улучшение распознавания объектов. 5 ил.

Изобретение относится к технике экологического контроля, в частности, к автоматизированным средствам измерения показателей качества водных объектов, преимущественно подверженных риску нефтегенных загрязнений, и может использоваться в составе систем экологического мониторинга природных сред. Техническим результатом изобретения является обеспечение автоматизированного получения и обработки широкого набора данных о параметрах поверхностных вод с последующим прогнозом изменения их состояния, с высокой надежностью распознавание и идентификация различных загрязнений, оповещение персонала контролируемых водных объектов о превышении допустимых уровней загрязнений и выдача информации, необходимой для принятия эффективных управленческих решений, направленных на минимизацию экологических рисков. Указанный результат достигается тем, что погружной комплекс мониторинга водных объектов содержит находящийся в погружном, в частности в подледном положении, измерительный буй с набором контактирующих с водой датчиков, измеряющих физико-химические и гидрологические параметры воды, размещенные внутри герметичного буя компактный флуоресцентный лидар, программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, генерируемых контактирующими с водой датчиками и лидаром, на удаленные интерфейсы информационной системы, при этом буй имеет прозрачное для зондирующего и обратного излучения оптическое окно, снабженное чистящей щеткой и экраном, сводящим к минимуму внешнюю засветку. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автоматизированным системам обнаружения и мониторинга нефтегенных загрязнений морского нефтегазового промысла. Система включает в себя сеть флуоресцентных лидаров, установленных на нефтегазодобывающей платформе, танкерах, осуществляющих транспортировку нефти, и судах, обслуживающих промысел; сеть установленных на удалении от нефтегазодобывающей платформы автоматических плавучих комплексов мониторинга (КМ), каждый из которых содержит контактирующие с водой датчики регистрации нефтегенных углеводородов, физико-химических и гидрологических параметров воды, и находящийся в погружном, в частности, в подледном положении герметичный буй, в котором размещены программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, генерируемых датчиками КМ; а также единую автоматизированную информационную систему (ИС) с функциями сбора, обработки и хранения данных, генерируемых лидарами и плавучими КМ. В предпочтительных вариантах КМ включает в себя флуоресцентный лидар, размещенный в погружном буе, имеющем в верхней части окно, прозрачное для зондирующего и обратного излучения. Техническим результатом изобретения является создание надежной системы раннего обнаружения и мониторинга аварийного разлива нефти на объектах морского нефтегазового промысла, в том числе, в сложных условиях Арктики. 21 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной лазерной техники. Способ электронного сканирования пространства для получения трехмерной модели портрета сцены заключается в проецировании структурированной лазерной подсветки, формируемой с помощью нескольких лазерных генераторов линий, расположенных под фиксированными углами относительно друг друга, регистрации ее с помощью матричного фоторегистрирующего устройства, последовательно снимающего кадры с подсветкой и без подсветки для последующего дифференцирования фона, передаче изображения линий подсветки на вычислительное устройство и определении вычислительным устройством объемного изображения сцены триангуляционным методом. При этом сканирование осуществляется последовательным поочередным включением одной или нескольких линий структурированной лазерной подсветки. 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптикоэлектронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами. Способ формирования лазерного растра основан на последовательной дифракции лазерного пучка на двух последовательно установленных и развернутых на 90 градусов по отношению друг к другу акустооптических дефлекторах, на входы управления которых поданы высокочастотные сигналы управления f1(t) и f2(t), законы изменения которых задают в виде линейного изменения частот управления, а число N строк или (и) столбцов выбирают как целочисленное значение из условия N=k·Tс/τ, где k=1,0-2,5, Tс - время формирования строки, τ - постоянная времени дефлектора, вычисляемая из соотношения τ=d0/ν, d0 - световая апертура дефлекторов, ν - скорость акустических волн. Технический результат заключается в повышении равномерности интенсивности лазерного растра, повышении информативности лазерной системы и обеспечении возможности поворота лазерного растра относительно его центра. 6 ил.

Настоящее изобретение относится к области оптической связи. Согласно способу используют лазерный луч, который состоит из импульсов длительностью не менее 1 нс, которые формируют из множества волн путем фазовой синхронизации и интерференции. Импульсы лазерного излучения длительностью 1 нс и менее формируются за счет синхронизации модовых составляющих и их когерентного взаимодействия на трассе распространения. Из множества непрерывных модовых составляющих формируют импульсно-периодические оптические импульсы, период следования которых определяется спектральным составом лазерного излучения. Последовательность импульсов воспринимается фотоприемником как наличие (или отсутствие) в заданные моменты времени импульса излучения за счет чирпирования частоты спектра лазерного излучения. Для передачи информации формируют двоичный код. Технический результат - увеличение дальности оптической связи за счет лучшего прохождения сигналов через ослабляющие участки трассы. 4 ил.

Система предназначена для измерения и контроля геометрических параметров железобетонных шпал, влияющих на прочность и надежность работы рельсового пути. На каркасе установлена линейная направляющая, с перемещаемой кареткой. На каретке закреплены лазерные профилометры с возможностью их перемещения для смены позиции конвейером. В качестве лазерных профилометров используют закрепленные на кронштейне лазерные сканеры с одним лазерным излучателем и двумя приемниками отраженного сигнала, которые установлены в лазерных сканерах. Приемники считывают отраженный сигнал одновременно одного и того же поперечного сечения железобетонной шпалы. На каретке закреплены как минимум два лазерных сканера для одновременного измерения двух и более железобетонных шпал. Достигается упрощение системы и процесса измерения и повышение производительности и эффективности работы системы за счет обеспечения возможности измерения параметров двух и более шпал одновременно. 2 ил.

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы. По изменениям угла наклона на разных участках переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют асимметрию усеченного, распределения возвышений морской поверхности. При этом дополнительно осуществляют прямые волнографические измерения возвышений морской поверхности и по данным этих измерений строят зависимость асимметрии распределения возвышений морской поверхности, полученной при волнографиче-ских измерениях, от асимметрии указаного усеченного распределения. Полученную зависимость учитывают при расчете асимметрии полного распределения возвышений морской поверхности. 1 н. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения характеристик морской поверхности за счет разделения воздействия на отражённый от морской поверхности радиосигнал двух факторов, доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности и вертикально зондируют ими морскую поверхность, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по их форме определяют характеристики морской поверхности, при этом дополнительно формируют более длинные радиоимпульсы и вертикально зондируют ими морскую поверхность, причем длительность дополнительно сформированных радиоимпульсов обеспечивает одновременное отражение от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, определяют амплитуду отраженных импульсов большей длительности, по ней определяют скорость ветра, и определяют характеристики морской поверхности с учетом скорости ветра. 1 ил.
Наверх