Desenvolvimento de novos métodos para quantificar a densidade de peixes usando ferramentas de estéreo-vídeo subaquáticas

Resumo

Nós descrevemos um método novo para contagem de peixes e estimar a abundância relativa (MaxN) e a densidade de peixes usando sistemas de câmera de vídeo estéreo de giro. Também demonstramos como usar distância da câmera (distância Z) para estimar a detectabilidade espécie-específicas.

Resumo

A utilização de sistemas de câmera de vídeo em estudos ecológicos de peixe continua a ganhar força como um método de medição de comprimentos de peixe e abundância de peixes estimando viável, não-extrativistas. Nós desenvolveu e implementou uma ferramenta rotativa de stereo video câmera que cobre 360 graus de amostragem, que maximiza o esforço amostral em comparação com ferramentas de câmera fixa. Uma variedade de estudos detalharam a capacidade dos sistemas estáticos, câmera estéreo para obter medições de alta precisa e precisas de peixe; o foco aqui foi sobre o desenvolvimento de abordagens metodológicas para quantificar a densidade de peixes usando sistemas de câmera rotativas. A primeira abordagem foi desenvolver uma modificação da métrica MaxN, que normalmente é uma conservador contagem do número mínimo de peixes observado na pesquisa determinada câmera. Nós redefinimos MaxN para ser o número máximo de peixe observada em qualquer determinada rotação do sistema de câmera. Quando são tomadas precauções para evitar a dupla contagem, este método para MaxN pode refletir mais precisamente verdadeira abundância do que o obtido a partir de uma câmera fixa. Em segundo lugar, porque estéreo-vídeo permite que o peixe deve ser mapeada no espaço tridimensional, estimativas precisas da distância-de-câmara podem ser obtidas para cada peixe. Usando o percentil de 95% da distância observada da câmera para estabelecer áreas específicas pesquisadas, explicar as diferenças na capacidade de detecção entre espécies, evitando a diluição estimativas de densidade, usando a distância máxima que uma espécie foi observada. Contabilidade para esta gama de detectabilidade é fundamental para estimar com precisão as abundâncias de peixe. Esta metodologia facilitará a integração dos instrumentos stereo-video em ciência aplicada e contextos de gestão rotativos.

Introdução

Ao longo da costa do Pacífico dos Estados Unidos, muitas das espécies importantes para a pesca comercial e recreativa capturas (por exemplo, o complexo de bodião (Sebastes spp.) e Lingcod (Ophiodon elongatus)) estão fortemente associadas com habitats de alto-relevo, parte inferior dura^1,2,3,4,5. Câmeras estéreo-video gota são uma ferramenta não-extrativistas atraente para usar em habitats rochosos devido à relativa facilidade e simplicidade de operação. Uma variedade de sistemas de câmaras de vídeo estéreo foram desenvolvidos e implantados no hemisfério sul, águas rasas ecossistemas^6,7,8,9,10, e recentemente, gota-câmeras de vídeo ganharam tração como uma ferramenta de gerenciamento para ambientes de rochoso-corais de águas profundas ao longo da costa do Pacífico^11,12,13. Nós procuramos modificar estes projetos existentes de câmera estéreo usando um sistema de câmera de vídeo estéreo (doravante referido como "Lander") para caracterizar mais eficientemente as populações de peixes em alto-relevo seafloors ao longo da costa do Pacífico central (ver tabela de de Materiais). O módulo usado foi diferente do que os sistemas de vídeo existentes porque câmeras foram montadas para uma barra central rotativa, que permitiram uma completa 360° de cobertura do fundo do mar a gota local¹⁴. O Lander completou uma rotação completa por minuto, o que nos permitiu rapidamente caracterizam a abundância e a composição da comunidade de uma área e alcançar o mesmo nível de poder estatístico com menos implantações de Lander. (Ver Starr (2016)¹⁴ para maiores detalhes sobre os detalhes da configuração do módulo de pouso). Testes preliminares no sistema de estudo sugeriram que oito rotações das câmeras em nossas pesquisas foram suficientes para caracterizar a riqueza e abundância de espécies. Essa determinação foi feita por uma observação de retornos decrescentes na abundância de espécies e densidade de peixe por mais gotas. Recomendamos que um estudo piloto, incluindo tempos de imersão mais ser realizado em qualquer novo sistema para determinar o tempo de imersão ideal para uma espécie de determinado ecossistema/estudo.

Usando câmeras estéreo emparelhadas, ambos pesquisa área total e densidade absoluta de peixe pode ser calculada para cada vídeo pesquisa; no entanto, o uso de câmeras de giro exigiu a modificação de peixe tradicional contagem de métricas. Sistemas de vídeo fixos mais frequentemente usarem "MaxN" como um conservador Conde de peixes em uma implantação de^6,10. MaxN tradicional descreve o número máximo de peixe de uma dada espécie observada juntos em um único quadro de vídeo, para evitar a dupla contagem um peixe que deixou e voltou para o quadro. MaxN foi, portanto, uma estimativa do número mínimo de peixes conhecidos para estar presente e pode subestimar o verdadeiro peixe abundância^6,10. A métrica MaxN foi redefinida para representar o maior número de peixes que vi em cada rotação completa das câmeras.

A segunda modificação para métodos anteriores de vídeo estéreo foi a conta para o fato de que espécies de vários tamanhos, cores, e formas têm diferentes distâncias máximos de identificação fiável. Por exemplo, grandes espécies como o. elongatus tem uma distinta forma alongada e confiável podem ser identificados a distâncias muito maiores em comparação com espécies pequenas e enigmáticas como a Squarespot Rockfish (Sebastes hopkinsi). Estes diferentes intervalos máximos de detectabilidade alterar a área eficaz pelo módulo para cada espécie. Porque as câmeras estéreo permitem-nos colocar todos os peixes no espaço tridimensional com um alto grau de precisão, um pode determinar a distância entre as câmeras que cada peixe foi medido (ou seja, a distância de"Z", nomeado para o "z", que é perpendicular à linha reta traçada entre as câmeras). Para cada espécie, a distância em que 95% de todos os indivíduos foram observados (doravante, "distância 95% Z") era considerada o raio da área de pesquisa e foi usada para calcular a área total de pesquisados. Além de características específicas, identificabilidade será afetada por condições ambientais, tais como a turbidez da água. Porque esses fatores podem variar no tempo e no espaço, é importante usar a estatística de 95% Z apenas no agregado. Enquanto será altamente preciso para amostras grandes, qualquer um inquérito individual pode variar em área pesquisada.

O protocolo detalhado abaixo fornece orientação sobre como criar e usar essas métricas. Embora o foco era caracterizar águas profundas habitat rochoso ao longo da costa do Pacífico, a metodologia descrita por modificados MaxN contagem é prontamente aplicável a qualquer sistema de gota-câmera rotativa. O número de rotações de câmera necessários para caracterizar as populações de peixes dependerá a dinâmica do ecossistema local, mas a conceituação do MaxN modificado permanecerá o mesmo. Da mesma forma, Considerando que costumávamos software fotogramétrico 3D para analisar vídeo estéreo, as técnicas descritas neste documento facilmente são aplicadas através de plataformas de software, como a localização precisa de peixe no espaço tridimensional é possível. Além disso, a abordagem da aplicação de um valor de distância 95% Z pode ser considerada no futuro estudos com estéreo-câmeras para contabilizar gamas específicas de detectabilidade e calcular com mais precisão a abundância de peixe.

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Protocolo

Nota: Imagens dos passos software estão incluídas como Arquivos suplementares. Por favor, note que os passos de software descritos abaixo são específicos para o software escolhido (consulte a Tabela de materiais). A abordagem global pode ser estendida para qualquer plataforma de software estéreo.

1. prepare estéreo-câmera filmagem para análise

Nota: Recomenda-se calibração usando um cubo de calibração. Um cubo de calibração é um frame de alumínio tridimensional com precisamente posicionados pontos reflexivos na superfície. Quando usado em conjunto com software de calibração, um cubo de calibração leva a maior precisão e exatidão que quadriculado abordagens⁹.

1. Calibre as câmeras Lander com software de calibração de aparelhagem (Figura 1 e Figura 2; ver Tabela de materiais para uma recomendação de software).
   Nota: A calibração pode ser verificada antes de usar no campo medindo alvos de tamanhos conhecidos em distâncias diferentes (ver vídeo complementar 1). Erro de medição média para uma meta de 50 cm a uma distância de 3 m (ou menos) deve ser dentro de 2% do comprimento do alvo conhecido. Observe também que uma determinada calibração só será válida se não mudar de posições da câmera em relação um ao outro. É fundamental para cuidar e evitar empurrões não intencionais das câmeras, até que toda a amostragem foi realizada.
2. Colete dados de campo usando o Lander calibrado (Figura 1, complementar vídeo 2).
3. Após o campo de estudo é completo, crie uma nova pasta de projeto que contém os arquivos de vídeo e calibração.
   Nota: Em cada projeto pasta lá precisa mínimo de cinco arquivos: a esquerda e direita ". Arquivos de calibração de Cam", os esquerda e direita vídeo arquivos (. MP4 ou. Formato AVI apenas) e a lista de espécies (formato. txt).
4. O software de medição estéreo, iniciar um novo projeto de medição e carregue arquivos de vídeo e calibração apropriados.
   Nota: Screenshots de todos os passos de software estão disponíveis entre os Arquivos complementares.
   1. Navegue até 'Medida' > 'Novo arquivo de medição'.
   2. Definir o diretório de imagens navegando para 'Imagem' > 'diretório de imagens Set' e escolha a pasta que contém todos os arquivos de projeto.
   3. Carregar a câmera esquerda ". Cam"arquivo navegando para 'Estéreo' > 'Câmeras' > 'Esquerda' > 'Arquivo de câmara de carga' e selecionar o arquivo apropriado.
   4. Repita a etapa 1.4.3 para carregar a câmera certa ". Arquivo de Cam"
      Nota: Esses arquivos contêm as medições de calibração para cada câmera (por exemplo, tamanho do pixel, relação de aspecto, distorção radial, decentring distorção, etc.) e serão usados para medir o peixe e calcular a distância da câmera (ou seja, Z distância).
   5. Definir a sequência de filme para o arquivo de vídeo à esquerda, navegando para a 'Imagens' > 'definir a sequência do filme' e selecionar o arquivo de vídeo de câmera de esquerda.
   6. Carregar o arquivo de vídeo à esquerda em software de medição, selecionando 'Quadro' > 'imagens de carga'.
      Nota: Certifique-se de que a caixa 'Bloquear' está desmarcada antes de carregar arquivos de vídeo. Isso permite que ambos os vídeos sejam carregados simultaneamente.
   7. Definir o filme sequência e carregar arquivo de vídeo para o vídeo certo usando os menus 'Estéreo' > 'imagens' > 'definir a sequência do filme' e 'Estéreo' > 'quadro' > 'imagens de carga'.
   8. Carregar a lista de espécies navegando para 'Medida' > 'Atributos' > ' Editar/carregar arquivo de espécie'.
   9. Insira as informações de ID de pesquisa sob 'Campos de informações' > 'Editar o valor do campo' e salve o arquivo para criar um. Projeto de EMObs.
5. Sincronize os vídeos usando o flash de luz, aplauso, carimbo de tempo Universal Coordenado (UTC) ou qualquer evento específico de tempo que ocorre em ambos os vídeos.
   1. Se usando o carimbo de hora UTC, quadro-passo em frente no vídeo à esquerda até o carimbo de hora começa um novo segundo. Ocorre outra armação para a frente até que piscam ou aplauso.
   2. Quadro-passo o vídeo certo para a frente até o carimbo de hora exatamente corresponde o vídeo à esquerda. Quadro mais um passo à frente até o exato momento a luz do flash ou aplauso corresponde o vídeo à esquerda.
      Nota: É importante que os vídeos ser sincronizada para o mesmo quadro. Sincronização de vídeo deve ser verificada periodicamente usando o carimbo de tempo de vídeo para evitar a deriva de quadro câmera durante a análise. Umas palmas de mão filmado também podem ser usada no início e no final do vídeo para testar esse direito e esquerdos vídeos foram sincronizados para o mesmo quadro.
6. Clique no botão "Bloquear" para garantir vídeos jogam juntos e mantêm a sincronização.

2. gerar a contagem de pontos e calcular MaxN

Nota: Cada peixe inicialmente é marcado com um ponto 2D para o mais baixo possível resolução taxonômica. Peixe com identificação incerta deve ser marcado para revisão posterior.

1. Espere para começar a contar o peixe até o final de uma rotação completa da câmera para garantir que o 360 graus é usado. Também esperar até sedimentos se dissipou (geralmente < 1-2 min após o contato com a parte inferior).
   1. Assim como a Lander começa sua primeira rotação, botão direito do mouse para definir um novo período de amostragem: 'Definições de período' > 'Adicionar novo início período'. Digite o nome do primeiro período como "01" e clique em "Okey".
2. Enquanto a Lander gira, começa a marcar cada peixe que entra em quadro, com um ponto 2D usando a câmera esquerda somente.
   1. Para adicionar um ponto 2D, botão direito, selecione 'Adicionar ponto' e escolha o nome da espécie correta. Etiqueta para o nível mais baixo possível taxonômico, selecionando 'spp.' para espécies desconhecidas e clique em "Okey".
   2. Continue a marcar cada peixe novo segundo passo 2.2.1 até a conclusão da rotação.
3. Repita o protocolo procedimentos 2.1-2.2 para cada rotação adicional de Lander - garantindo que um novo período é definido no início de cada rotação de câmera.
   Nota: As curvas de acumulação de espécies foram usadas para determinar que oito rotações eram, em média, suficientes para caracterizar a abundância de peixes no presente estudo. Pesquisadores devem considerar a realização de testes preliminares com rotações de câmera adicional, por tempos mais longos de molho, para caracterizar o número ideal de rotações de câmera dentro de um determinado ecossistema.
4. Calcule acusações específicas de indivíduos observados por rotação de câmera.
   1. Depois de tem sido enumeradas todas as rotações, exportar pontos 2D navegando para 'Medida' > 'Resumos de medição' > 'Apontar medidas' e salvar pontos 2D como arquivo a. txt.
   2. Abra o arquivo de ponto de 2D.txt salvo como uma planilha e crie uma tabela dinâmica de espécies vs número de rotação para resumir contagens (tabela 1) navegando para 'Inserir' > 'Tabela dinâmica'. Selecione "Gênero e espécie" para 'Rótulo de linha' e "Período" para 'Rótulo da coluna'.
5. Escolha o MaxN para cada espécie, selecionando a rotação da câmera que tem o maior número de indivíduos dessa espécie (tabela 1).
6. Para peixes, identificados apenas como gênero, selecione um nível de género MaxN baseado na rotação que teve o maior número de indivíduos identificados para a espécie no género específico.
   Nota: Este passo ajuda a evitar a dupla contagem individual peixe que só eram identificáveis de grupos taxonômicos superiores (por exemplo, apenas ao género ou família). Por exemplo, na tabela 1, ' rotação 1' contidos não identificado 10 Sebastes spp e 33 membros do gênero Sebastes identificada a espécie, Considerando que ' rotação 3' continha apenas dois não identificados Sebastes spp e 43 membros da o género Sebastes identificada a espécie. Por conseguinte, ' rotação 3' seria usada para contagem de MaxN de desconhecido Sebastes spp.. Desta forma, a conservadora suposição é feita que 8 do Sebastes spp. não identificado em ' rotação 1' foram identificados em ' rotação 8'.
7. Se múltiplas rotações têm a mesma contagem de MaxN para uma dada espécie, escolha a primeira rotação com MaxN para medições ponto 3D.
8. Para cada espécie, tirar medidas 3D de peixe na rotação que MaxN ocorreu.
   1. Use os pontos 2D salvos, coletados em passos 2.1-2.3 para navegar para o exato mesmo peixe para medição 3D.
   2. Zoom em pelo menos 4 X para identificar melhor a ponta do focinho de peixe e as bordas das barbatanas caudais (Figura 3).
      Nota: Pode ser necessário para a etapa de quadro para a frente ou para trás para encontrar a melhor orientação dos peixes para a medição 3D. A 'melhor' orientação é um onde o focinho e extremidades das barbatanas caudais são visíveis em ambas as câmaras.
   3. Manualmente, clique na ponta do focinho, então a ponta da cauda na câmara esquerda, em seguida, repita a seleção na mesma ordem no vídeo direito.
   4. Selecione a identificação correta da espécie de menus dropdown como foi feito na 2.2.1.
   5. Se uma medida de comprimento 3D não é possível, para instância se a cabeça e a cauda do peixe não são visíveis em ambas as câmaras, então marca um ponto 3D em vez disso deixou clicando a mesma posição do peixe em ambos os vídeos, esquerdas e direita. Preencha os campos de informações como antes e deixar o comentário "Excluir da medida do comprimento".
      Nota: MaxN pode ocorrer em diferentes rotações das câmeras para diferentes espécies; no entanto, para qualquer determinada espécie, medições devem ocorrer em um turno só (tabela 1).
9. Depois de concluir as medições 3D para todos os peixes, exporte arquivo de as.txt de dados para posterior análise.
   1. Navegue até 'Medida' > 'Resumos de medição' > 'medições de ponto e comprimento 3D' e save.txt arquivo de exportação.

3. procedimento de distância 95% Z para áreas específicas de pesquisa

Nota: A distância de 95%, Z é uma estimativa da distância média que uma espécie confiável pode ser identificada em um determinado estudo excluindo casos de condições excepcionais de água clareza ou iluminação. Este cálculo leva em conta as condições oceanográficas médias para um determinado estudo e terá de ser re-calculado para cada novo estudo.

1. Use uma inicialização simples para determinar se o tamanho da amostra é grande o suficiente para caracterizar a distância de detecção confiável para cada espécie.
   1. Para cada classe de tamanho de amostra (por exemplo, caixas de tamanho de amostra de 5 peixes), 1.000 aleatório retira a população de amostra do tamanho da amostra seleccionada com substituição calcular a média de 95% Quantil de distâncias desses 1.000 desenha e plotar o resultante curva assintótica. Consulte o código fornecido no Supplemental arquivos 1 & 2.
   2. Verificar que as amostras adequadas foram obtidas, comparando o tamanho de amostra real com a assíntota 95% Z distância com o aumento do tamanho da amostra.
2. Calcule o valor da distância de 95% Z como o Quantil de 95% da distância da câmera medida para uma espécie através de todas as pesquisas.
3. Calcule a área eficaz pesquisada para cada espécie usando o valor de 95%, Z.
   Nota: No caso de uma sonda rotativa, o valor de 95% Z representa o raio exterior de uma faixa pesquisado, com o raio interno determinado pela instalação física da ferramenta e como fechar para a base das câmeras é capaz de observar. Como o módulo gira, uma área de pesquisa 'donut' em forma de é formada (Figura 4).
   1. Calcule área pesquisada como:
      
      Nota: por exemplo, uma espécie relativamente grande como Yelloweye Rockfish (Sebastes ruberrimus) tinha uma distância de 95% Z de 3,3 m e uma área de pesquisa eficaz de 30,9 m² por implantação Lander: 34,3 m² (círculo externo) - 3,4 m² (interior círculo) = 30,9 m² (área total de pesquisa).
4. Usando a área calculada pesquisados contagens de espécies individuais (etapa 3.3.1), converter (MaxN) em estimativas de densidade para cada levantamento visual usando a equação:
   
   Nota: Um procedimento similar pode ser usado para calcular uma densidade volumétrica, ao invés de uma densidade; no entanto, esse processo não é descrito aqui.

Tabela 1: tabela de Resumo de exemplo MaxN. A seleção de MaxN para cada espécie é demonstrada com texto em negrito e vermelho. Observe que um conservador MaxN para não identificada Sebastes spp foi determinada pela rotação com a maioria dos Sebastes identificada a espécie (rotação 3). Também, enquanto este estudo utilizou oito rotações de câmera, apenas quatro rotações são exibidas na tabela 1 para a simplicidade. O processo para selecionar MaxN é idêntico independentemente do número de rotações.

Figura 1: Lander vídeo estéreo. Chave hardware é numerada (1) umbilical, 300 m (2) dois gravadores de vídeo digital (DVR) com removível cartões de armazenamento de 32 GB para dentro do frasco impermeável, dois LED (3) luzes saídos 3.000 lúmens a uma temperatura de cor de 5.000 K e (4). duas câmeras com resolução 620 de TV da linha (TVL). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: cubo de calibração (500 x 500 x 300 mm). Exemplo de uma calibração com um 'cubo de calibração' mostrado em duas orientações diferentes: (A) do lado direito do cubo é empurrado para fora para as câmeras, e (B) a face do cubo é paralela à face das câmeras. Pontos vermelhos indicam os pontos de referência utilizados neste método de calibração específica e devem ser sempre identificados na ordem numerada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: medição 3D colocados no Sebastes miniatus. A ponta do focinho e ponta da cauda foram identificados em cada quadro da câmara para permitir a medição estéreo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: área pesquisada pela ferramenta de Lander. Área eficaz pesquisada pela ferramenta Lander foi delimitada pelo mínimo distância Z e a distância de 95%, Z para cada espécie. Observe que esta área criado um volume de pesquisa 'donut' dado forma em torno da Lander. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Resultados

Entre 2013 e 2014, realizamos 816 inquéritos com o módulo estéreo-video rotativo (Figura 1) ao longo da costa central da Califórnia e MaxN e 95% Z distância (Figura 4) dados coletados em mais de 20 espécies. Havia claros padrões na faixa detectável eficaz das espécies observadas, provavelmente devido a interação de espécies tamanho, forma e coloração (Figura 5). Por exemplo, o sinalizad...

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Discussão

A métrica MaxN tradicional baseia-se na ideia de contar com um número mínimo garantido de indivíduos presentes durante o estudo. Se um determinado número de peixes é visível simultaneamente em um único quadro de vídeo, não pode haver qualquer menos presente, mas porque os peixes são móveis e forma heterogénea distribuído, a probabilidade de ver todos os indivíduos simultaneamente durante um único quadro do vídeo é baixa . Portanto, é provável que MaxN tradicional subestima a abundância de peixe verda...

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
calibration cube	SeaGIS	http://www.seagis.com.au/hardware.html	1000x1000x500 mm is the preferred dimensions. Other methods of calibration are available.
CAL calibration software	SeaGIS	http://www.seagis.com.au/bundle.html
EventMeasure stereo measurement software	SeaGIS	http://www.seagis.com.au/event.html
Statistical software	R Core Team 2017 (v. 3.4.0)		Bootstrapping code can be found: https://github.com/rfields2017/JoVE-Bootstrap-Function
Spreadsheet Software	Microsoft Excel
2  waterproof cameras	Deep Sea Power and Light		HD quality preferred
2 depth rated, waterproof lights	Deep Sea Power and Light : 3000 lumen LED with 5000k color temperature
DVR recorder	Stack LTD DVR
standard PC			Windows 10 preferred OS
rotating Lander platform	Marine Applied Research and Engineering (MARE)