魚類行為監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

黃月群，李文菁，黃壽琨，董堃

（1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004）

研究魚類行為的試驗方法主要有水槽模擬試驗、現(xiàn)場實測和漁獲試驗[1]，其中水槽模擬試驗是研究魚類行為最常用的方法，主要用于水動力條件變化和水質(zhì)變化對魚類行為的影響研究。魚類行為反應(yīng)直觀、快速，研究魚類的應(yīng)激反應(yīng)、洄游以及棲息等行為，為保護漁業(yè)資源、魚類棲息地評估以及提高魚類捕撈效率具有重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)的魚類行為監(jiān)測手段主要以視頻形式進行記錄，從拍攝的視頻、圖片中提取魚類的運動軌跡、運動方向和游泳速度等數(shù)據(jù)，但魚類三維運動軌跡坐標(biāo)的運算及提取過程比較繁雜，費時且精度低。因此，快速、高效地獲取魚類三維運動軌跡數(shù)據(jù)成為研究魚類運動行為的熱點。本文通過對比分析魚類運動軌跡常用監(jiān)測方法，旨在提出一種快速、實時、準確獲取魚類運動軌跡的監(jiān)測方法。

1 魚類行為監(jiān)測技術(shù)研究進展

1.1 基于計算機視覺的魚類行為監(jiān)測技術(shù)

計算機視覺技術(shù)利用攝像設(shè)備拍攝魚類的行為，該技術(shù)能在魚類不受干擾情況下觀察、記錄和分析魚類的行為，廣泛應(yīng)用于漁業(yè)養(yǎng)殖和水質(zhì)監(jiān)測、預(yù)警領(lǐng)域，取得了一定的研究成果。如采用視覺監(jiān)測技術(shù)研究漁業(yè)養(yǎng)殖中魚類的性別和質(zhì)量檢測[2]、魚類狀態(tài)監(jiān)測[3]、魚類行為識別[4]和體色生理變化[5]等。在水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警領(lǐng)域，通過建立計算機視覺的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)[6-10]，研究魚類的行為變化[11-13]，實現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測和預(yù)警[14，15]。

通過視覺監(jiān)測技術(shù)研究魚類的運動行為軌跡[16,17]，根據(jù)魚類運動行為軌跡的變化來對水質(zhì)進行評價和預(yù)警[18]。將視頻圖像轉(zhuǎn)換成三維運動軌跡數(shù)據(jù)的常用方法有雙像合成法、結(jié)構(gòu)光掃描法、調(diào)相法、層析法、探頭跟蹤法和激光掃描法等，其中最常用的是雙像合成法。根據(jù)雙目成像原理把拍攝的圖像通過圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到世界坐標(biāo)系并生成三維圖像。該方法雖然檢測速度快、精度高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣[20]。

1.2 基于聲學(xué)信號的魚類行為監(jiān)測技術(shù)

隨著生物監(jiān)測技術(shù)及手段的不斷發(fā)展，聲學(xué)信號監(jiān)測技術(shù)也逐漸應(yīng)用于魚類資源豐度、分布密度和生理行為等研究。聲學(xué)信號監(jiān)測技術(shù)是通過接收聲波信號來監(jiān)測魚類行為的一種方法，主要有被動聲學(xué)法和主動聲學(xué)法[21]。被動聲學(xué)法是通過對魚類發(fā)出的聲波信號進行探測和識別。該方法對研究對象沒有損傷，可長期監(jiān)測[22]，但受水域環(huán)境以及噪聲的影響較大，很難準確地識別到魚類發(fā)出的聲波信號，具有一定的局限性。主動聲學(xué)法是通過對聲波設(shè)備發(fā)射的聲波信號進行探測和識別。該方法受水域環(huán)境影響小、應(yīng)用范圍廣，是當(dāng)今國內(nèi)外研究和應(yīng)用最廣泛的一種監(jiān)測方法[23]。

目前，基于聲學(xué)信號的魚類行為監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于魚類種群識別、魚類資源豐度、結(jié)構(gòu)組成、分布密度、遷徙行為以及棲息地變化等調(diào)查與評估。常見的監(jiān)測設(shè)備主要有魚探儀，其通過換能器發(fā)射一定頻率的聲波信號，當(dāng)聲波遇到不同于水的介質(zhì)如魚群或水域障礙物時部分信號會返射回來，記錄、分析和處理返射的聲波信號后可確定魚群位置以及大小等信息。魚探儀在魚類資源豐度調(diào)查[24-29]、時空分布情況[30-34]和活動規(guī)律[35-37]等研究中取得了較多的成果，但該技術(shù)僅限于對魚群的種類、大小和距離的探測，無法準確獲得魚類的位置和運動軌跡[38]。

聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)是聲學(xué)信號監(jiān)測技術(shù)的一種主動聲學(xué)法。采用該技術(shù)可研究魚類生活習(xí)性、魚類資源豐度評估、魚類遷徙及洄游行為、環(huán)境變化對魚類生活習(xí)性的改變、物種保護和棲息地恢復(fù)等。國外對聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的應(yīng)用研究成果主要有魚類游泳模式[39]、魚類棲息地變化特征[40-42]、魚類產(chǎn)卵場所[43]、魚類生存[44]以及魚類行為差異[45]等。還對魚類運動軌跡監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)量統(tǒng)計和分析[46]，為魚類運動行為模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)依據(jù)。該技術(shù)在中國的應(yīng)用研究成果較少，主要有魚類在不同生境的運動行為變化[47,48]、棲息地變遷[49]以及水利工程建設(shè)對魚類洄游能力[50]和魚類游泳軌跡[51]等的研究。

1.3 兩種監(jiān)測技術(shù)的對比分析

基于計算機視覺的魚類行為監(jiān)測技術(shù)是通過視頻拍攝、圖片觀察以及手工記錄為主，觀察和描述魚類的生理和行為特征。目前，以魚類為監(jiān)測對象的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，大都通過攝像機觀察分析魚類運動行為的變化來實現(xiàn)對水質(zhì)的監(jiān)測及預(yù)警，但通過處理視頻、圖像來提取魚類的三維運動軌跡數(shù)據(jù)難度較大、誤差大且數(shù)據(jù)連續(xù)性差，導(dǎo)致魚類水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在較大偏差。因此，基于計算機視覺的魚類行為監(jiān)測技術(shù)基本處于“定性”分析階段，很難得到魚類運動行為的量化指標(biāo)。

聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)通過監(jiān)測標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號，可實時、快速且準確獲得魚類的三維運動軌跡，實現(xiàn)對魚類運動行為特征的定性與量化。利用該系統(tǒng)可24 h 實時監(jiān)控魚類在水域內(nèi)的運動軌跡，與傳統(tǒng)的計算機視頻監(jiān)測技術(shù)相比，具有原位觀察、定位準確、數(shù)據(jù)處理簡單和數(shù)據(jù)連續(xù)性好等優(yōu)勢，可直接獲得魚類的二、三維運動軌跡等量化指標(biāo)，為大水域魚類行為的監(jiān)測與研究提供準確數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工作原理

聲學(xué)標(biāo)簽監(jiān)測系統(tǒng)由聲學(xué)標(biāo)簽（Acoustic Tag，也叫聲學(xué)信號發(fā)射器）、水聽器（Hydrophone，簡寫為H1、H2、H3、H4，用于監(jiān)測聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號）、信號接收器、數(shù)據(jù)采集及處理軟件和電腦組成。其工作原理是將水聽器固定在兩個不同水平面上，并設(shè)置水聽器放置點的三維坐標(biāo)以及相關(guān)參數(shù)。通過水聽器接收移植或捆綁于試驗魚身上的聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號（圖1），并將聲波信號傳輸至信號接收器，經(jīng)過計算機終端去噪處理后即可得到魚類由某一點游至另一點的運動軌跡。4 個水聽器監(jiān)測的水域范圍約為0.5 km，如監(jiān)測范圍為河流等線狀水域可線狀布設(shè)多個水聽器（圖2），如監(jiān)測范圍為大水域，可根據(jù)水域情況布設(shè)多個水聽器。也可將水聽器固定于測船上，但測船更換位置則需要重新設(shè)置水聽器坐標(biāo)[38]。

圖1 聲學(xué)標(biāo)簽監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Acoustic Tag System

不同規(guī)格的聲學(xué)標(biāo)簽大小、重量和使用時長也不同（圖1），個體越大，使用時間越長。聲學(xué)標(biāo)簽的聲波信號發(fā)射頻率范圍可設(shè)置為1 000～6 000 HZ，即1～6 s 發(fā)射一個聲波信號，每發(fā)射一個聲波信號即可獲得一個軌跡點。聲學(xué)標(biāo)簽設(shè)置的發(fā)射頻率均為唯一性，以此識別不同的試驗魚，可根據(jù)魚類個體大小和研究周期來選擇合適的聲學(xué)標(biāo)簽類型以及參數(shù)[52]。

魚類從軌跡點No.1 到另一個軌跡點No.2 的運動軌跡（d）為：

根據(jù)魚類的兩個連續(xù)軌跡點可確定魚類的游泳速度：

其中，v 為魚類的游泳速度（m/s）；d 為兩個連續(xù)軌跡點之間的距離（m）；t 為魚類從一個軌跡點到另一個軌跡點所需要的時間（s）。根據(jù)聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射頻率，兩個連續(xù)信號之間的發(fā)射時間間隔為1～6 s[38]。

2.2 基于聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的魚類運動軌跡應(yīng)用

根據(jù)水域情況及監(jiān)測范圍布設(shè)水聽器H1、H2、H3、H4，通過水聽器接收魚類身上聲學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的聲波信號來獲取魚類的運動軌跡。根據(jù)魚類運動軌跡實時監(jiān)測結(jié)果（圖2），分析魚類運動軌跡的變化以及軌跡點的密集程度，可以快速獲得魚類活動范圍、棲息地以及產(chǎn)卵場所等信息，為研究江河湖庫以及海洋等水域魚類的遷徙、洄游行為、魚類生活習(xí)性、魚類資源豐度評估、物種保護和棲息地恢復(fù)等提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 甘棠江與漓江匯合處魚類運動軌跡監(jiān)測Fig.2 Monitored fish trajectories at the intersection between Gantang River and Lijiang River

3 聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析

3.1 在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用

目前，魚類行為研究在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用成果相對較少，魚類在不同水環(huán)境中的各種行為響應(yīng)可為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供重要的指導(dǎo)信息[53,54]。聲學(xué)標(biāo)簽監(jiān)測技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的應(yīng)用前景主要有以下兩個方面：（1）魚類運動行為的變化與水流速、水環(huán)境因子密切相關(guān)，可通過監(jiān)測魚類的運動軌跡變化規(guī)律來掌握魚類的棲息場所，為人工繁殖和幼魚培育環(huán)境提供參考依據(jù)，達到提高幼魚成活率和質(zhì)量的目的；（2）魚飼料投喂和污染物的排入會導(dǎo)致水質(zhì)變化，而水中污染物濃度的變化直接影響魚類的運動行為。根據(jù)魚類的趨清性特點，當(dāng)魚類表現(xiàn)出逃避行為且大多數(shù)都集聚于潔凈水域時，則表明水質(zhì)遭受到污染。

因此，通過連續(xù)測定魚類的運動軌跡，比較魚類當(dāng)前運動軌跡與歷史運動軌跡的變化，實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境的實時在線監(jiān)測和預(yù)警，為提高漁業(yè)養(yǎng)殖的產(chǎn)量和質(zhì)量提供實時可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[38]。

3.2 在水利工程對魚類影響評價中的應(yīng)用

水利工程建設(shè)將天然河道分隔成上下兩個水環(huán)境單元，阻斷了魚類的洄游通道，影響下游魚類等生物的洄游能力、產(chǎn)卵場所、棲息地以及河道生物的多樣性。因此，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)在水利工程建設(shè)對魚類的影響、魚道過魚等課題的研究具有較好的應(yīng)用前景，為水利工程建設(shè)對魚類等生物的影響評價提供參考依據(jù)。

3.3 在水污染突發(fā)事故預(yù)警中的應(yīng)用

在很多水污染事件中，最早發(fā)現(xiàn)水體受污染的不是當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保部門，而是生活在水域附近的漁民。因為魚類是水域污染情況的活“監(jiān)測器”。當(dāng)水體遭受污染時，首先出現(xiàn)響應(yīng)的是長期生存于水中的魚類。在監(jiān)測條件和水平有限情況下，魚類比環(huán)境監(jiān)測更能實時有效和真實地反映水體的污染狀況。因此，監(jiān)測魚類對水污染突發(fā)事故的早期預(yù)警具有其他檢測方法不可替代的優(yōu)點。通過監(jiān)測魚類在水體污染過程的行為軌跡以及游泳速度變化，對水污染突發(fā)事故進行預(yù)警以及水質(zhì)污染風(fēng)險進行評估。

3.4 在水生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果評價中的應(yīng)用

目前，水生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究已取得了很多的成果，還開展了相關(guān)的水生態(tài)修復(fù)效果評價研究。通常，評價所選取指標(biāo)反映的是研究期間的實際情況，很難持續(xù)反映水生態(tài)環(huán)境的真實狀況。水生態(tài)環(huán)境修復(fù)是一個漫長的動態(tài)過程，能實時反映水生態(tài)環(huán)境健康狀況及修復(fù)效果的理論技術(shù)和方法研究成為水生態(tài)環(huán)境健康評價的發(fā)展方向。魚類長期生存于水環(huán)境中，隨著氣候、水溫、水質(zhì)的改變而發(fā)生相應(yīng)的行為響應(yīng)。與通過物理化學(xué)的評價手段相比，通過魚類對水質(zhì)變化的行為響應(yīng)更能真實、實時和快速地反映水生態(tài)環(huán)境的健康狀況。根據(jù)魚類對水質(zhì)變化的行為響應(yīng)規(guī)律，確定魚類運動行為響應(yīng)指標(biāo)和影響魚類運動行為的敏感性水質(zhì)指標(biāo)，評價兩者相關(guān)性，并對水生態(tài)環(huán)境健康狀況做出合理性評價，為水生態(tài)修復(fù)效果評價提供參考依據(jù)。

4 結(jié)語

隨著聲學(xué)信號監(jiān)測技術(shù)越來越成熟，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)逐步成為研究魚類行為的主要監(jiān)測方法。近幾年，聲學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)逐漸引起廣泛關(guān)注并應(yīng)用于魚類行為研究，但僅限于室內(nèi)模擬研究以及野外水域試探性試驗。該技術(shù)具有監(jiān)測水域范圍大、魚類運動軌跡監(jiān)測準確、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)勢，對獲得的魚類二、三維運動軌跡進行數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用，是一種較為先進的魚類行為監(jiān)測手段及方法，對魚類行為相關(guān)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。