基于成像声呐的鱼类长度测量误差与修正模型研究.pdf
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1、DOI:10.12131/20220279文章编号:2095 0780(2023)04 0031 10基于成像声呐的鱼类长度测量误差与修正模型研究彭战飞,沈 蔚,张 进上海海洋大学 海洋科学学院,上海 201306摘要:成像声呐能在扫描波束范围内进行鱼类映像长度的测定,为提高成像声呐测定鱼类长度的精度,文章利用自适应分辨率成像声呐(Adaptive Resolution Imaging Sonar,ARIS)开展鱼类长度测定实验,依据ARIS扫描波束内鱼类的映像长度和实测长度,分析了ARIS测量鱼类长度的误差。结果表明,鱼类与声呐波束的夹角是导致鱼类长度测量误差的主要因素,夹角越大,鱼类映像长
2、度测量误差越小。在4 m视野内ARIS探测距离对鱼类长度的测量误差无显著交互影响。鱼类映像长度与尾叉长误差更小,其误差均值为2.1 cm。鱼类映像长度与全长和尾叉长的线性关系良好,其线性修正模型拟合度R2分别为0.995 1和0.990 5。研究表明,鱼类映像长度使用尾叉长的测量更为有效,同时鱼类与声呐波束的夹角对映像长度的误差分析和声呐映像长度修正模型,可为获取更准确的鱼类长度信息提供参考。关键词:鱼类长度测量;成像声呐;测量误差;修正模型中图分类号:S 923.4文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Study on error and correction model
3、of fish length measurement based onimaging sonarPENG Zhanfei,SHEN Wei,ZHANG JinCollege of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,ChinaAbstract:Imaging sonar can measure the length of fish images within its scanning beam.To improve the accuracy of imagingsonars measurement of fish
4、length,we conducted an experiment to determine the fish length by using Adaptive Resolution Imag-ing Sonar(ARIS).We compared and analyzed the fish length error in acoustic image based on the measured length of a trail fishand the image length at a known position of the ARIS scanning beam.The results
5、 indicate that the main influencing factor offish image length measurement error was the angle between the fish and the sonar beam.As the angle increased,the measure-ment error of fish length decreased.There was no significant interactive effect of detection distance of ARIS on length measure-ment e
6、rror of fish in the 4 M field.The error between the fish image length and the fork length was minimal,with an average er-ror of 2.1 cm.Furthermore,the image length of fish had a good linear relationship with the total length and fork length,and thefitting degree R2 of the linear modified model was 0
7、.995 1 and 0.990 5,respectively.The study shows that fish image length basedon fork measurements is more effective.Additionally,the error analysis of the angle between fish and sonar beam on imagelength and the sonar image length modified model also provide preliminary references for obtaining more
8、accurate fish lengthinformation.Keywords:Measurement of fish length;Imaging sonar;Measurement error;Modified model近年来,实时声学成像技术迅速发展,形成具有各种频率、范围和分辨率的机械扫描或多波束声呐(成像声呐)1。成像声呐的先驱 DIDSON(Dual-frequency Identification Sonar)由华盛顿大学应用物第 19 卷第 4 期南 方 水 产 科 学Vol.19,No.42023 年 8 月South China Fisheries ScienceAug
9、.,2023收稿日期:2022-10-21;修回日期:2023-03-05基金项目:2020 年上海海洋大学科技发展专项基金;上海城投原水有限公司项目(D-8006-19-0088)作者简介:彭战飞(1993),男,助教,硕士,研究方向为鱼类目标声学提取。E-mail:理实验室为美国海军研发2,其基于“声学照相机”的概念3,利用多波束原理生成可视化的点像素阵列。而基于波束形成技术及声学透镜的使用4,DIDSON 可以生成接近光学质量的高分辨率数字图像,可用于识别具有生物学意义的目标。自适应分辨率成像声呐(Adaptive Resolution ImagingSonar,ARIS)是 DIDSO
10、N 的升级版,旨在获取更高分辨率的图像并捕捉更多信息,提供比同类声呐更出色的图像清晰度。成像声呐具备在低能见度水中清晰成像的优势,对调查对象无损害,具有方便快捷的优点5-6,相比原始生物调查(网捕调查和生物标记调查)和传统声学技术(如单波束和分波束技术)更具有生态学的调查意义7-11。成像声呐已广泛用于鱼类通道的活动规律12-14、鱼类计数15-16、鱼类丰度与多样性17-20以及鱼类洄游与逃逸能力21-23等方面的研究,成为研究鱼类的重要工具,然而针对成像声呐测量鱼类长度的研究报道较少。鱼类长度特征对更全面地理解渔业生物学至关重要24-26。鱼类长度是揭示鱼类种群的生长、增长和死亡率的重要信
11、息,同时可为包括渔业生态与管理、种群评估、种群增长和环境恢复在内的调查提供重要的数据支持27。而在现有利用成像声呐开展鱼类长度的研究中,Hightower 等28主要研究了不同鱼类对成像声呐测量鱼类映像长度的影响,推测长度测量误差与鱼类吻部或异尾鳍结构有关。Cook等29在研究成像声呐测量鱼类长度中发现,游泳模式对鱼类映像长度测量精度并无显著交互影响。Daroux 等30提出了一种测量员误差效应,即最小鱼类(长度57 cm)长度被低估。Burwen 等31在利用成像声呐估计大鳞大麻哈鱼(Oncorhynchus tshawytscha)和红大麻哈鱼(O.nerka)长度中未记录估计精度的距离相
12、关性,同时 Cook 等29发现探测距离(鱼类目标与声呐的距离)的增加不会增大鱼类映像长度的测量误差。目前,国内尚未开展针对 ARIS 映像测量鱼类长度误差影响因素及修正的研究工作。本文以 ARIS 鱼类映像为研究对象,依据 AR-IS 单点部署测量实验,阐明 ARIS 映像测量长度与鱼类尺寸、鱼类与扫描波束的夹角、探测距离以及声呐频率之间的关系,对不同影响因素下 ARIS 映像测量长度误差开展科学评估,并提出 ARIS 映像测量鱼类长度修正模型的新方法,以期为成像声呐获取精准鱼类长度提供基础理论支持。1 材料与方法 1.1 实验地点2021 年 7 月在上海海洋大学明湖开展鱼类长度测量实验。
13、声学实验水池如图 1 所示,实验水池(长 4 m宽 3 m高 3 m)四周和底部配置网格(网眼对角线:5 cm)防止非实验鱼的干扰,水池内侧安装踏板(图 1 阴影部分),便于实验人员控制实验变量。实验水池装置对水下声学探测无影响,忽略人为活动干扰。实验期间,水流和水深无明显变化,实验水池水温恒定 31。1.2 成像声呐及技术路线本研究中使用 ARIS1800 在垂直方向 14和水平方向 29生成扇形多波束阵列。ARIS1800 在两个离散频率下工作:高频 1.8 MHz 可以产生高分辨率图像,水平角度分辨率为 0.3,换能器阵列被水平分成 96 个波束单元;1.1 MHz 可以探测远距离目标,
14、图像分辨率会有所降低,此时换能器阵列有48 个单元。本研究 ARIS1800 设置视场窗口长度8 m,设置开始窗 0.7 m,图像采集帧率设为每秒8 帧。ARIS1800 部署在水平面以下 1 m 深度。研究思路如图 2 所示。1.3 实验方法实验选取长度介于 1050 cm 的鳙(Hypophthalmichthys)和鲫(Carassius auratus)。测量前,将实验鱼浸泡在体积分数 45%的乙醇溶液中 3 min 进行活性抑制,限制游动速度,并利用鱼体测量板实测实验鱼吻端到尾鳍端的长度,即全长(Totallength,TL)和吻端到尾叉最深点长度,即尾叉长(Fork length,
15、FL)(表 1)。利用鱼类固定装置和鱼线(0.3 mm)固定实验鱼进行静态测量。3 条鱼线被缝进 8 号实验鱼下颚、尾巴和脊椎,头尾线分别固定于 A 和 B 连接点,脊线附着于 C 连接点(图 3)。3 条鱼线被拉伸,确保实验鱼直立姿态。固定装置部署在水下1.0 m 与 ARIS1800 波束垂直,该部署方式利于波束穿透鱼体,增加 ARIS1800 检测面积。该实验以距离 100 cm 为起点,每隔 50 cm 记录 30 s 声学数据。利用 0.3 mm 鱼线一端固定于实验鱼脊椎上,另一端固定于图 1 的 A 点(与 ARIS1800 距离约为3.5 m)进行系留鱼测量。鱼线长度为 1.5
16、m,确保实验鱼在 ARIS1800 视场自由游动。每条实验鱼采32南 方 水 产 科 学第 19 卷集 5 min 声学数据,以便获取不同姿态下的鱼类声学映像。1.4 数据处理本研究利用 ARIS 控制和显示软件(V2.6.0)手动鱼类测量功能从声学映像中估算鱼类长度。通过使用 ARIS 的动态背景去除算法(Simple MarchingCubes)去除图像中静止结构噪声。该算法依赖于操作员选择参数来确定从显示图像中减去图像噪音3.0 m 1.0 m 0.5 m4.0 m 水面Water surface 踏板 Footboard A鱼线(1.5 m)一端系在鱼脊上,另一端系在图中 A 点,以便
17、控制鱼类目标在声呐视场中运动。One end of the fishing line(1.5 m)was attached to the ridge and the other end was attached to point A to control the movement of the fish target in the sonar field of view.图1 声学实验水池Fig.1 Acoustic experimental pool声学实验Acoustic experiment ARIS 数据ARIS data映像长度提取Image length extraction夹角解
18、析Angle calculation鱼类长度实测Fish length measurement长度线性拟合Length linear fitting测量误差分析Measurement error analysis误差影响因素Error influencing factor误差修正方法Error correction method映像长度判定Image length determination数据处理Data processing对比分析Comparison and analysis鱼类映像长度研究Study on length of fish image 图2 研究思路Fig.2 Resear
19、ch idea第 4 期彭战飞等:基于成像声呐的鱼类长度测量误差与修正模型研究33大小,本研究选择默认值(系数=10 cm2)。设置图像显示阈值(最低值 18 dB,最高值 70 dB)以便优化鱼类图像对比度,有助于选定鱼类完整映像帧并测量鱼类长度(ARIS1800 length)。ARIS1800 length估计仅限于实验鱼在活动期间拍摄的图像,以便动态背景去除算法不会减少目标鱼图像,同时操作员要排除显示串扰的图像(即由相邻光束中的明亮返回形成的电弧)。ARIS1800 length 估计选择几何测量模式,操作员暂停 ARIS1800 映像,放大感兴区域鱼类目标,第一次鼠标点击在与鼻子相关
20、的像素前沿,最后一次点击在与尾巴相关的像素后沿,形成测量矩形框(图 4),软件依据鼠标点击 ARIS1800图像的像素坐标计算矩形框的边长长度。由于操作员测量 ARIS1800 鱼类映像长度时存在主观效应,故本研究将实验鱼完整长度帧数限制为 10 帧,以接近实验鱼测量长度所能达到的合理值,将其10 次测量值的平均值用作 ARIS1800 length 的估计值。ARIS1800 length 估计原则为:实验鱼与扫面波束面平行时,ARIS1800 length 为映像矩形框的高度值(图 4-a);实验鱼与扫面波束面成一定角度时,ARIS1800 length 为映像矩形框的对角线的长度值(图
21、4-b);实验鱼与扫面波束面垂直时,ARIS1800length 为映像矩形框的宽度值(图 4-c)。依据 ARIS1800映像坐标计算选择区域矩形框高度、宽度和对角线长度(ARIS1800 映像测量坐标系见图 5,x 轴表示矩形宽度,y 轴表示矩形高度)。由公式(1)计算扫描垂直波束面夹角:表1 实验鱼长度统计Table 1 Length statistics of trial fish编号No.种类Species全长Total length/cm尾叉长Fork length/cm1鲫47.541.82鲫38.035.53鳙20.517.04鲫26.523.55鲫37.534.06鳙42.0
22、39.07鳙44.039.08鲫37.534.0C A BA、B、C 为鱼线连接点。A,B,and C are the connection 图3 鱼类固定装置Fig.3 Fixed device of fish(a)(b)(c)图4 不同角度实验鱼映像图注:a.为 0时实验鱼映像图;b.为 51时实验鱼映像图;c.为 90时实验鱼映像图。映像两侧数字表示声呐探测视距。Fig.4 Images of trial fish from different anglesNote:a.Trial fish image at 0;b.Trial fish image at 51;c.Trial fish
23、 image at 90.The numbers on both sides of theimage indicate the sonar detection sight range.34南 方 水 产 科 学第 19 卷=arctanWBCHAB(1)WBCHAB式中:为测量坐标系矩形宽度值;为测量坐标系矩形高度值。2 结果 2.1 探测距离和已知长度在利用成像声呐 ARIS1800 测量鱼类目标时,静态测量鱼类 ARIS1800 length 估计值随距离的增大而减小,ARIS1800 length 估计值在距离较近时偏大,距离较远时偏小,ARIS1800 length 估计值误差有逐渐增
24、大的趋势(图 6-a),长度测量精度在200300 cm 内最高并接近鱼类目标实际长度,而后随距离的增加而逐渐下降。但在系留鱼实验中,鱼类 ARIS1800 length 估计值与距离无相关性,测量误差在距离因素分布上表现出随机性(图 6-a)。鱼类目标的大小对 ARIS1800 测量精度产生偏差,鱼类目标测量误差最大值为 10 cm;同时,在系留鱼实验中,鱼类目标测量 ARIS1800 length 往往被低估(图 6-b)。2.2 扫描垂直波束面夹角与频率在系留鱼实验中,当基于鱼类映像 ARIS1800length 和鱼类与阵列垂直波束面夹角 的关系进行对比分析时,可以看出 是造成鱼类映像
25、 ARIS1800length 测量误差的主要因素。理论上当鱼类目标与波束垂直时(为 90),鱼类目标接收更多波束采样点的检测,测量值精度最高,但由于串扰的影响,此时 ARIS1800 length 仍低于全长。鱼类目标与波束平行(为 0)时,ARIS1800 length 显著减小,同时在不同声呐频率的鱼类目标测量上保持一致(图 7)。在 为 4590时,鱼类测量值精度趋于稳定,ARIS1800 length 与鱼类目标全长最接近,而在其他夹角情况下,鱼类 ARIS1800 length 测量逐渐减小,且 越小,ARIS1800 length 就越小。在1.1 MHz 频率下小体型鱼类(FL
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