利用水下攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量魚類體長(zhǎng)的可行性研究

王振宇，張國(guó)勝，包林，邢柱普，莊鑫，殷雷明，王羿寧，邢彬彬，張治平，王喜風(fēng)

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連116023；2.大連海洋大學(xué)教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控與保障中心，遼寧大連116023；3.中國(guó)水產(chǎn)有限公司，北京100160；4.新疆鮭鱒魚工程技術(shù)研究中心，新疆博樂833400)

海洋漁業(yè)農(nóng)牧化是現(xiàn)代海洋漁業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，也是修復(fù)和保護(hù)近海生態(tài)環(huán)境及恢復(fù)漁業(yè)資源的重要措施之一。海洋牧場(chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)主要有聲學(xué)和光學(xué)兩種方式，其中水下環(huán)境監(jiān)測(cè)一般利用水聲，而在人工魚礁修復(fù)生態(tài)環(huán)境過程和內(nèi)在機(jī)理研究方面，一般采用潛水后進(jìn)行普通水下攝像，但該方法觀測(cè)時(shí)間較短，且由于光學(xué)測(cè)量為C模式測(cè)量(空間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫嫘盘?hào))，較難反映出魚礁附近海洋生物的動(dòng)態(tài)變化過程。

伴隨著近代計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)及圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，水下數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)開始被逐漸應(yīng)用于魚類行為、水產(chǎn)養(yǎng)殖和海洋牧場(chǎng)等研究領(lǐng)域中。在以往的魚類行為研究中，為獲取魚的幾何尺寸和體質(zhì)量參數(shù)，常使用的方式是將魚捕撈上來，在現(xiàn)場(chǎng)或帶回實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)量[1]。這種傳統(tǒng)的測(cè)量方式屬于接觸式測(cè)量，或多或少會(huì)影響試驗(yàn)進(jìn)展，甚至減少試驗(yàn)魚數(shù)量。與傳統(tǒng)的測(cè)量方式相比，數(shù)字近景攝影測(cè)量技術(shù)通過對(duì)由數(shù)字?jǐn)z像機(jī) (CCD或CMOS)提取的近距離目標(biāo)的影像進(jìn)行測(cè)量[2]，以測(cè)定目標(biāo)在三維空間的位置、形狀、大小乃至目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，屬于非接觸式測(cè)量，該方式不會(huì)對(duì)魚產(chǎn)生傷害，且具有準(zhǔn)實(shí)時(shí)甚至是實(shí)時(shí)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。

近年來，國(guó)外在魚類相關(guān)的研究中常用到數(shù)字近景攝影測(cè)量方法，如魚類棲息場(chǎng)調(diào)查，魚的幾何信息 (位置、大小和形狀等)和游泳速度的測(cè)量，以及生物量評(píng)估等[3－5]。但在國(guó)內(nèi)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在魚類行為相關(guān)研究中卻未見應(yīng)用。為此，本研究在范亞兵等[6]研究的水下攝影測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上，嘗試開發(fā)了一套能夠適用于人工魚礁的水下立體光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要由兩架水下攝像機(jī)構(gòu)成，攝影圖像儲(chǔ)存至嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)，并能夠在顯示器中實(shí)時(shí)播放[7]。該系統(tǒng)除進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的光學(xué)監(jiān)視之外，還能夠從兩架攝像機(jī)獲取的同一魚體的圖像信息反演出魚的體長(zhǎng)、空間內(nèi)的姿態(tài)傾角、游動(dòng)速度、洄游時(shí)間和晝夜變化等參量，達(dá)到明確人工魚礁附近生態(tài)環(huán)境變化的目的[8]。另外，利用聲學(xué)儀器如科學(xué)魚探儀對(duì)人工魚礁附近進(jìn)行水下監(jiān)測(cè)時(shí)，目標(biāo)強(qiáng)度與魚的物種、體長(zhǎng)和相對(duì)于傳感器的方位等參量相關(guān)，這些參量的反演對(duì)科學(xué)魚探儀進(jìn)行定量聲學(xué)評(píng)估也非常有價(jià)值[9]。

本研究中，介紹了水下攝像機(jī)的標(biāo)定方法及此系統(tǒng)水下攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)論，利用此系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)大瀧六線魚Hexagrammos otakii進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了系統(tǒng)對(duì)魚體幾何長(zhǎng)度 (尾叉長(zhǎng))的測(cè)量精度，旨在研究水下攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)量魚類體長(zhǎng)的可行性。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)定方法

攝影測(cè)量的基本原理是對(duì)由攝像機(jī)提取的圖像(二維)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)定物體在三維空間的位置、形狀、大小乃至物體的運(yùn)動(dòng)[10]?？臻g物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)的幾何和光學(xué)參數(shù)以及攝像機(jī)與空間物體的位置關(guān)系共同決定的[11]。攝像機(jī)標(biāo)定就是確定攝像機(jī)的幾何與光學(xué)參數(shù) (內(nèi)部參數(shù))和/或攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位置與方位(外部參數(shù))的過程[12]。

如圖1所示，假設(shè)空間中某點(diǎn)P(本研究中用粗體表示矢量)在世界坐標(biāo)系 (O－XYZ)中的坐標(biāo)為 [XC，YC，ZC]，按照針孔模型投影原理，P點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系 (o－xyz)的投影點(diǎn)坐標(biāo)為 [xn，yn，0]，描述世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系投影關(guān)系的參數(shù)一般稱為外部參數(shù)。

考慮到攝像機(jī)的鏡頭畸變，經(jīng)鏡頭畸變后的P點(diǎn)投影點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)發(fā)生偏移，將實(shí)際投影點(diǎn)坐標(biāo)記為[xd，yd，0]。由于在圖像坐標(biāo)系中 (圖1中uv坐標(biāo)系)一般以圖像的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，單位為像素，因此，在攝像機(jī)獲取的圖像中，實(shí)際投影點(diǎn)坐標(biāo) [xd，yd，0]在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 [ud，vd]。描述圖像坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系的參數(shù)一般稱為內(nèi)部參數(shù)。

水下攝影測(cè)量系統(tǒng)的三維重建精度在較大程度上取決于攝像機(jī)標(biāo)定的準(zhǔn)確度[13]?？紤]到水下攝像機(jī)由于光線在水、玻璃與空氣間復(fù)雜的折射關(guān)系會(huì)產(chǎn)生較大的畸變，在三維重建過程中，通過水下攝像機(jī)獲取的目標(biāo)圖像特征點(diǎn)需根據(jù)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)[14－15]進(jìn)行調(diào)整，使校正后的目標(biāo)在三維重建[16－17]后達(dá)到更高的精度。因此，本節(jié)主要描述測(cè)量系統(tǒng)中水下攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定過程和結(jié)論，并對(duì)基于非線性攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定的攝影測(cè)量系統(tǒng)的三維重建精度進(jìn)行分析。

本研究中，采用了由Jean－Yves Bougue博士公開發(fā)布的 Matlab攝像機(jī)標(biāo)定工具箱 (http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/index.html)對(duì)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。此工具箱使用以下4個(gè)參量來描述攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù):

(1)焦距。用一個(gè)1行2列的向量表示，即fc＝[fc(1)，fc(2)]，fc(1)和fc(2)分別代表x和y方向的焦距，單位為像素。比值fc(1)/fc(2)也稱之為縱橫比，如果數(shù)字?jǐn)z像機(jī) (CCD)陣列中像素不是正方形，則比值不等于1。

(2)主點(diǎn)位置。用一個(gè)1行2列的向量表示，即cc＝[cc(1)，cc(2)]，cc(1)和cc(2)分別代表圖像中x和y方向的中心位置，單位為像素。

(3)傾斜角。定義成像傳感器 (如CCD)的x方向和y方向之間的夾角，用一個(gè)標(biāo)量表示，alpha＿ c， 單位為 (°)。

(4)鏡頭畸變系數(shù)。用一個(gè)1行5列的向量表示， kc＝[kc(1)， kc(2)， kc(3)， kc(4)， kc(5)]，其中第一、第二和第五項(xiàng)代表鏡頭的徑向畸變系數(shù)，第五項(xiàng)畸變系數(shù)根據(jù)迭代效果，選擇保留還是舍棄，因?yàn)槊總€(gè)畸變系數(shù)都有一個(gè)誤差范圍，如果計(jì)算的畸變系數(shù)誤差范圍比系數(shù)本身要大，說明算法不穩(wěn)定，就舍棄6階的徑向畸變，也就是kc(5)。第三和第四項(xiàng)代表了鏡頭的切向畸變系數(shù)。

1.2 攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)論

本研究中使用的水下攝像機(jī)由攝像機(jī)和密封外殼兩部分組成，其中攝像機(jī)采用的是深圳翔飛SF－205G型攝像機(jī)。攝像機(jī)的鏡頭為6 mm到12 mm的變焦鏡頭，試驗(yàn)中為了盡量增加視野，采用最小焦距，約為6 mm。

攝像機(jī)的標(biāo)定過程需要用到標(biāo)定塊，本研究中使用的標(biāo)定塊外型如圖2所示，標(biāo)定塊為正方體，邊長(zhǎng)為50 cm，其中的一面未密封以便在水槽中使用。由于標(biāo)定工具箱針對(duì)的是棋盤式平面網(wǎng)格的標(biāo)定塊，因此，只需要標(biāo)定塊的一個(gè)面，其表面上每個(gè)小塊的尺寸為5 cm×5 cm。

按照Matlab攝像機(jī)標(biāo)定工具箱的操作流程，本研究中對(duì)3種試驗(yàn)環(huán)境下的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。攝像機(jī)在空氣中的標(biāo)定結(jié)果、攝像機(jī)置于密封殼后在空氣中的標(biāo)定結(jié)果和攝像機(jī)置于密封殼后在實(shí)驗(yàn)室水槽中 (海水)的標(biāo)定結(jié)果，如表1、表2和表3所示。其中，3次試驗(yàn)的綜合畸變 (包括徑向和切向)模型如圖3、圖4和圖5所示。通過3次標(biāo)定的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知:

圖1 考慮鏡頭畸變的小孔成像攝像機(jī)模型Fig.1 Pinhole camera model when the lens distortion is considered

圖2 本研究中所使用的標(biāo)定塊Fig.2 Calibration block used in present study

表1 攝像機(jī)在空氣中的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration of the intrinsic camera parameters

表2 攝像機(jī)置于密封殼后在空氣中的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Tab.2 Calibration of the intrinsic parameters when the camera is placed in a sealed shell under air condition

(1)焦距。在空氣中，兩次標(biāo)定焦距不變；在水槽中，由于光線在水中的折射率約為空氣的1.3倍，同一攝像機(jī)在水下時(shí)的焦距變長(zhǎng) (約為1.35倍)，從而使得視野變小，這也是水下攝像機(jī)一般采用短焦鏡頭的原因。

表3 攝像機(jī)置于密封殼后在水中的內(nèi)部參數(shù)標(biāo)定結(jié)果Tab.3 Calibration of the intrinsic parameters when the camera is placed in a sealed shell under water condition

圖3 攝像機(jī)在空氣中的綜合畸變Fig.3 Complete distortion of the camera in the air

圖4 攝像機(jī)置于密封殼后在空氣中的綜合畸變Fig.4 Complete distortion of the camera which is placed in a sealed shell in the air

(2)主點(diǎn)位置。3次標(biāo)定試驗(yàn)的主點(diǎn)位置 (圖中的圓圈)幾乎一致，均相位于圖片的中心位置(圖中的叉號(hào))發(fā)生了明顯偏移，這主要是由于攝像機(jī)的設(shè)計(jì)不完美引起的，如CCD傳感器的中心位置與鏡頭光軸不重合或鏡頭制造的缺陷。

(3)傾斜角。3次標(biāo)定試驗(yàn)的結(jié)論相同，說明本研究中采用的攝像機(jī)CCD傳感器設(shè)計(jì)較為合理，傳感器陣列水平和垂直方向的夾角接近90°。

圖5 攝像機(jī)置于密封殼后在水槽中的綜合畸變Fig.5 Complete distortion of the camera which isplaced in a sealed shell in a water tank

(4)畸變系數(shù)。在空氣中，攝像機(jī)置于密封殼的前后畸變模型稍有變動(dòng)，但由于主點(diǎn)位置相對(duì)于圖像中心明顯向左偏，使得攝像機(jī)圖像中右側(cè)部分的畸變較大；在水槽中，畸變系數(shù)發(fā)生了明顯的變動(dòng)，這種變動(dòng)主要是由于光線在水、玻璃和空氣3種介質(zhì)中折射系數(shù)的不同而引起的。需要注意的是，圖5中像素的畸變位移與圖3、圖4相比較小(最大值約40像素)，這是由于鏡頭在水槽中焦距變長(zhǎng)導(dǎo)致的，并不代表水中圖像的畸變較小。

(5)重投影像素誤差。重投影像素誤差用于衡量標(biāo)定結(jié)果的精確度。在空氣中，盡管由于密封殼做工不完美造成了一定的主點(diǎn)偏差和畸變系數(shù)變化，但是重投影像素誤差變化不大，僅為0.2個(gè)像素左右；在水槽中，重投影像素誤差明顯增加，約1個(gè)像素，這也是水下攝影測(cè)量的精度要低于在陸地應(yīng)用時(shí)的一個(gè)主要原因。

1.3 水下攝影測(cè)量系統(tǒng)的三維重建精度檢驗(yàn)

三維重建是指通過空間中某點(diǎn)在圖片中的投影坐標(biāo)計(jì)算其在世界坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo) (圖1)。由于圖像為二維平面，故投影點(diǎn)坐標(biāo)為二維向量，由二維向量計(jì)算三維坐標(biāo)的過程實(shí)際上是屬于欠定方程組的求解范疇。因此，一般通過多個(gè)攝像機(jī)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行拍攝，通過同一控制點(diǎn)在多幅同步圖像中的坐標(biāo)求解其世界坐標(biāo)，即將欠定方程組轉(zhuǎn)化為超定方程組。本研究中的水下攝影測(cè)量系統(tǒng)由兩架攝像機(jī)構(gòu)成，通過雙目立體視覺進(jìn)行三維重建。

隨機(jī)在標(biāo)定塊上選取15個(gè)控制點(diǎn)，通過這15個(gè)控制點(diǎn)在兩架攝像機(jī)圖像中的坐標(biāo)計(jì)算其世界坐標(biāo)，結(jié)論如表4所示。需要注意的是，由于世界坐標(biāo)系選取的任意性，控制點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)并無實(shí)際意義，對(duì)于控制點(diǎn)的三維重建主要用于計(jì)算各點(diǎn)之間的距離。

由于本研究所測(cè)量的為近景，為了使系統(tǒng)更加小巧，兩攝像機(jī)的基線長(zhǎng)度較短，且在試驗(yàn)中采用的CCD攝像機(jī)作為價(jià)格低廉的非量測(cè)攝像機(jī)，攝像機(jī)參數(shù)未知或不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致成像過程不穩(wěn)定，數(shù)字化圖像分辨率也較低，存在量化誤差和鏡頭的非線性畸變，從而使系統(tǒng)計(jì)算誤差較大。其中，x方向平均絕對(duì)值偏差為2.0 mm，最大絕對(duì)值偏差為3.9 mm；y方向平均絕對(duì)值偏差為2.2 mm，最大絕對(duì)值偏差為4.3 mm；z方向平均絕對(duì)值偏差為2.2 mm，最大絕對(duì)值偏差為3.5 mm?？傮w而言，平均絕對(duì)值偏差為2.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2 mm，完全可以滿足魚體長(zhǎng)度測(cè)量的精度要求。

表4 15個(gè)控制點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)與三維重建坐標(biāo)對(duì)比Tab.4 Comparison of the real cordinates with the three dimensional reconstructed coordinates at 15 control points cm

2 結(jié)果與分析

在較大范圍內(nèi)，魚群的分布在洄游過程或起水時(shí)的群體形態(tài)各不相同[2]。在透明度高、能見度高的水域里，利用水下攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)魚體體長(zhǎng)、姿態(tài)等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量是可行的，可以用于研究魚群的分布及結(jié)構(gòu)，魚體個(gè)體的體長(zhǎng)及其他體貌特征的細(xì)節(jié)。在淺水海域，可以由潛水員攜帶水下攝影設(shè)備，對(duì)魚群以及魚體個(gè)體進(jìn)行觀察攝影。在深水海域，可采用安裝水下攝影設(shè)備的遙控?fù)u曳或自航式運(yùn)載裝置進(jìn)行連續(xù)觀察攝影。

本研究的主要目的是探討利用水下攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行魚類體長(zhǎng)測(cè)量的可行性。在各類魚體體貌的特征參量中，體長(zhǎng)是最為直觀的一個(gè)物理量，也是魚類重要的生物學(xué)特征，不僅是分類依據(jù)，還是評(píng)價(jià)魚類生長(zhǎng)特性和進(jìn)行遺傳評(píng)估的重要指標(biāo)[18]。因此，本研究中首先在實(shí)驗(yàn)室中利用攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大瀧六線魚的體長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

目前，對(duì)體長(zhǎng)的分類主要有3種方式:① 魚類吻端至測(cè)線鱗的最后一枚鱗片末端；②魚類吻端至脊椎骨末端；③魚類吻端至尾鰭基部。

一般而言，對(duì)于尾叉較為明顯的魚類，尾叉長(zhǎng)可以在圖像中較為直觀的提取出來，但是對(duì)于尾叉不明顯的魚類，則可以提取全長(zhǎng)。

本研究中使用了15尾大瀧六線魚，對(duì)其尾叉長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)量。

2.1 魚體模型控制點(diǎn)的提取

利用幾何形態(tài)測(cè)量法，首先設(shè)定魚類外部控制點(diǎn) (圖6)，每張魚體照片根據(jù)參考魚體輪廓圖片各提取17個(gè)參考點(diǎn) (圖7)。本研究中對(duì)大瀧六線魚長(zhǎng)度的測(cè)量方式是取吻端控制點(diǎn)到尾部3個(gè)控制點(diǎn)距離的平均值，作為體長(zhǎng)的全長(zhǎng)。

圖6 大瀧六線魚的身體輪廓控制點(diǎn)Fig.6 Control points of body contour in fat greenling Hexagrammos otakii

圖7 魚體輪廓近似幾何控制點(diǎn)Fig.7 Approximate control points of body contour infat greenling Hexagrammos otakii

2.2 水下攝影系統(tǒng)測(cè)量魚體體長(zhǎng)的精度分析

根據(jù)各個(gè)控制點(diǎn)在兩架攝像機(jī)同步圖片中的圖像坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行三維重建，獲得各個(gè)控制點(diǎn)的世界坐標(biāo)。然后結(jié)合數(shù)據(jù)圖像的曲度進(jìn)行分析[19－20]，最后計(jì)算得到攝影圖像中每條魚的體長(zhǎng)結(jié)果。

對(duì)15尾試驗(yàn)魚進(jìn)行水下攝影測(cè)量后，將其取出進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)體長(zhǎng)測(cè)量，然后對(duì)兩種測(cè)量方式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。表5為15尾大瀧六線魚水下攝影測(cè)量長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度結(jié)果。攝影測(cè)量計(jì)算得到的體長(zhǎng)平均值為18.11 cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.18 cm；人工測(cè)量得到的體長(zhǎng)平均值為16.83 cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.31 cm。兩者的差異顯著性使用SPSS軟件雙因素檢測(cè)進(jìn)行了檢驗(yàn)，相關(guān)性系數(shù)為0.933(P＝0.003)；15組數(shù)據(jù)中最大相對(duì)誤差為18.1%，最小相對(duì)誤差僅為2.1%。

表5 攝影測(cè)量與人工測(cè)量的魚體體長(zhǎng)對(duì)比Tab.5 Comparison of the photogrammetric body length and manual measurement of body length

本試驗(yàn)結(jié)果表明，攝影測(cè)量獲得的魚體體長(zhǎng)與人工測(cè)量值之間存在約2 cm的系統(tǒng)偏差，這可能是由測(cè)量方式造成的，在本研究中人工測(cè)量的魚體體長(zhǎng)為魚死亡后的長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)偏差兩者均約為4 cm，結(jié)論較為一致。與 “1.3”節(jié)對(duì)于標(biāo)定塊控制點(diǎn)的三維重建結(jié)論相對(duì)比，魚體長(zhǎng)度測(cè)量的相對(duì)誤差明顯增大。

如圖8所示，兩種測(cè)量方式的絕對(duì)值偏差與魚體長(zhǎng)度無關(guān)，這可能與魚體在游泳時(shí)身體的幾何彎曲或魚在攝像機(jī)視野中的位置有關(guān)。

圖8 人工測(cè)量體長(zhǎng)的誤差Fig.8 Errors in manually measured body length

3 討論

3.1 水下攝影測(cè)量準(zhǔn)確性

攝影測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方式，并且攝影測(cè)量系統(tǒng)本身可以對(duì)魚類進(jìn)行水下監(jiān)控，非常適合于魚類行為學(xué)相關(guān)研究[21－22]，研究結(jié)論對(duì)于評(píng)估海洋牧場(chǎng)效果及科學(xué)管理牧場(chǎng)均具有重要作用。

由于專業(yè)的水下攝影測(cè)量設(shè)備非常昂貴，本研究中采用的是目前市場(chǎng)上的普通攝像機(jī)，將兩架攝像機(jī)分別裝置在自制的密封殼中以實(shí)現(xiàn)水下測(cè)量的目的。攝像機(jī)的定標(biāo)結(jié)果表明，攝像機(jī)本身的畸變比較嚴(yán)重，并出現(xiàn)了明顯的光心偏心 (圖3)。攝像機(jī)密封殼外的玻璃罩對(duì)攝像機(jī)成像的影響較小(圖4)，但是在水下環(huán)境中，由于水的折射率較大，使得焦距變長(zhǎng)，畸變系統(tǒng)變大 (圖5)。在水下對(duì)本研究中使用的攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行三維重建精度檢驗(yàn)，標(biāo)定后的攝影測(cè)量系統(tǒng)的三維重建結(jié)論表明，攝影測(cè)量計(jì)算得到的標(biāo)定塊的控制點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的平均絕對(duì)值偏差為2.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2 mm，完全可以滿足魚體長(zhǎng)度測(cè)量的精度要求。

3.2 水下攝影測(cè)量誤差來源

本試驗(yàn)中在水槽中利用攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)15尾大瀧六線魚的體長(zhǎng)進(jìn)行了測(cè)量，并將結(jié)論與人工測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比。在過去的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)目標(biāo)體長(zhǎng)較小的魚類，測(cè)量的結(jié)果誤差會(huì)大一些。引起誤差的原因有兩個(gè)因素:第一是攝影機(jī)在攝影中出現(xiàn)的誤差，主要由電子元件引起，也會(huì)存在其他因素，例如當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件 (如光照不足或過于充足)等引起的偶然誤差，以及人在使用攝影機(jī)時(shí)造成的人為誤差 (拍攝時(shí)由于抖動(dòng)造成的影像模糊等)，這類誤差可以在標(biāo)定過程中進(jìn)行修正，來減小誤差造成的結(jié)果差值過大[23]；第二是在魚類游泳過程中，姿態(tài)的變換，會(huì)引起圖像中對(duì)目標(biāo)魚的距離判讀出現(xiàn)誤差，并且在水中和空氣中對(duì)水中的魚進(jìn)行攝影，差別較大，因?yàn)榭諝庵袛z像要考慮光線的折射修正，較為繁瑣，另外還要額外考慮相機(jī)的位置、角度，魚類的姿態(tài)、角度等多方面因素，產(chǎn)生的誤差較大[24]。攝影測(cè)量與人工測(cè)量的魚體體長(zhǎng)之間存在約2 cm的絕對(duì)值誤差，并且這種誤差與魚體體長(zhǎng)無關(guān) (圖8)。考慮系統(tǒng)偏差產(chǎn)生的原因，一種可能是由于人工測(cè)量的是魚死亡后的長(zhǎng)度造成的，另外也可能由于魚在游泳時(shí)姿態(tài)變化造成的幾何彎曲而造成的。

綜上所述，攝影測(cè)量法是基于幾何形態(tài)測(cè)量學(xué)等方法的綜合應(yīng)用，可作為魚類研究的重要手段，將來在魚類個(gè)體測(cè)量、泳速測(cè)量、魚群研究等方面會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。今后，會(huì)對(duì)攝影設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，減少由電子元件引起的誤差；同時(shí)研究如何加強(qiáng)魚體控制點(diǎn)的提取，減少攝影偏差，使攝影測(cè)量法更好地應(yīng)用于魚類行為的研究中。

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（1）注射劑量不準(zhǔn)。高原牧區(qū)的環(huán)境較為惡劣，因此對(duì)于動(dòng)物的防疫、注射通常是牧民自己動(dòng)手，因?yàn)槿鄙賹I(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于疫苗的劑量掌握不精確，甚至有些養(yǎng)殖戶害怕動(dòng)物因?yàn)橐呙绠a(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，而人為減少注射的劑量，導(dǎo)致免疫效果低下。

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