馬然,曹煊,王小紅,張?zhí)禊i,張麗
(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室,山東 青島 266100)
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【海洋科技與裝備】
基于雙目視覺技術(shù)的海水生物毒性監(jiān)測方法研究
馬然,曹煊,王小紅,張?zhí)禊i,張麗
(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室,山東 青島 266100)
針對現(xiàn)有海水生物毒性監(jiān)測方法單一,不能反映全部毒性污染狀況的問題,采用雙目立體視覺技術(shù),選擇貽貝作為海水生物毒性傳感器,利用雙攝像機(jī)不間斷拍攝形成三維動態(tài)信息,實時分析貽貝的開合角度及頻率,最終實現(xiàn)海水生物毒性監(jiān)測。實驗結(jié)果表明,本文提出的監(jiān)測方法可靠性、靈敏度高,能夠為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。
雙目視覺技術(shù);貽貝;海水生物毒性
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,大量有毒有害物質(zhì)被直接排放到水中流入大海,對海洋環(huán)境及其生態(tài)系統(tǒng)造成很大的危害。而海洋環(huán)境中污染成分復(fù)雜,多種分子和離子之間同時參與各種作用(如協(xié)同、拮抗和相加作用等),同時污染物的毒性還受到環(huán)境因素如鹽度、酸堿度和水溫等影響,使生態(tài)毒性效應(yīng)產(chǎn)生許多超出常規(guī)的反應(yīng)[1-2]。這些化學(xué)品進(jìn)入環(huán)境后會經(jīng)歷降解、轉(zhuǎn)化與結(jié)合等一系列化學(xué)反應(yīng)過程,產(chǎn)生一大批新的化合物。因此,單純的化學(xué)檢測并不能保證水質(zhì)安全。
判斷海洋環(huán)境的毒性,最有效的方法就是使用海洋生物本身來進(jìn)行驗證,這就是海水生物毒性監(jiān)測[3]。生物毒性監(jiān)測方法具有較高的靈敏度,一些低濃度甚至痕量的污染物進(jìn)入環(huán)境后,在能夠直接檢測或人類感受到之前,生物即可做出迅速的反應(yīng)并顯示出癥狀,可以在早期發(fā)現(xiàn)污染,及時預(yù)報預(yù)警,提升環(huán)境監(jiān)管水平,增強環(huán)境安全保障能力[4]。目前,我國海洋環(huán)境指標(biāo)中普遍缺乏中長期的海水生物毒性監(jiān)測項目。部分污染物,尤其是持久性有機(jī)污染物在水中溶解度較小,但這些污染物具有致癌、致畸等毒害性,低劑量長期攝入會對人類健康具有潛在的威脅,因此對海洋環(huán)境進(jìn)行生物毒性監(jiān)測迫在眉睫[5-6]。本文采用雙目立體視覺技術(shù),選擇貽貝作為海水生物毒性傳感器,實現(xiàn)海水生物毒性監(jiān)測。
1.1 研究現(xiàn)狀與存在問題
利用生物毒性監(jiān)測方法進(jìn)行海水生物毒性的監(jiān)測和評價,是環(huán)境監(jiān)測未來發(fā)展的趨勢和監(jiān)測研究的重點方向,也是管理和保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)的必要前提。在利用生物監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行的海水生物毒性監(jiān)測方法中,目前比較常用的監(jiān)測對象包括藻類、發(fā)光細(xì)菌、魚類和貝類等。其中應(yīng)用較為普及的是發(fā)光細(xì)菌檢測法,利用發(fā)光細(xì)菌的相對發(fā)光強度進(jìn)行檢測,發(fā)光細(xì)菌在正常的生理條件下能發(fā)出藍(lán)綠色可見光,在一定的實驗條件下光強是恒定的。與有毒物質(zhì)接觸后,由于毒物具有抑制發(fā)光的作用,發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強度即有所改變,變化的程度與毒物的濃度在一定范圍內(nèi)具有相關(guān)性,同時與該物質(zhì)的毒性大小也有關(guān)[7]。近年來,國際上針對貝類生物的研究越來越多。貝類生物種類豐富、活動性極小,針對環(huán)境的適應(yīng)性較強,對多種污染物具有富集特征,而且檢測成本較發(fā)光細(xì)菌檢測法低[8-9]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),正常情況下貝類都處于半張殼狀態(tài), 通過濾水來吸取氧和養(yǎng)料;當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時, 如污染物的存在, 其外殼就會閉合以抵御外來物質(zhì)。污染物濃度越高,擴(kuò)散速度越快,蚌殼的閉合速度也越快。因此, 可通過貝類蚌殼的開合變化來監(jiān)測環(huán)境狀況[10-11]。貝類生物監(jiān)測已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于評價重金屬污染及其通過食物網(wǎng)對生物地球化學(xué)循環(huán)造成的影響。歐洲萊茵河上的“萊茵預(yù)警模型”中就設(shè)置了6個國際預(yù)警中心,其中就有以貝類生物作為監(jiān)測對象而建立的水體生物毒性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。荷蘭的預(yù)警水質(zhì)狀況的綜合生物毒性在線監(jiān)測設(shè)備Mosselemonitor儀器也是利用貽貝蚌殼張合頻率隨著水體污染狀況變化而變化的原理制備,可以對水體污染進(jìn)行實時、在線的連續(xù)監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警,已成功應(yīng)用于河流及近海環(huán)境的污染監(jiān)測中[12]。烏克蘭國家科學(xué)院海洋水文物理研究所基于黑海中貽貝類生物的行為反應(yīng)連續(xù)監(jiān)測7年,應(yīng)用相應(yīng)的算法和軟件技術(shù),研制出自動化生物監(jiān)測儀。該生物監(jiān)測儀所采用的是根據(jù)霍爾效應(yīng)的磁敏元件監(jiān)測方法,即將貽貝通過自身生長的足絲固定在附著基的襯底上,貝殼雙面用硅橡膠粘合劑粘上磁感應(yīng)線圈。隨著兩個線圈之間距離的變化,磁場的大小會發(fā)生變化,所產(chǎn)生的電勢隨著蚌殼的張合也將發(fā)生變化[13]。
我國海水生物毒性監(jiān)測方法的相關(guān)研究起步較晚,缺少相應(yīng)的預(yù)警技術(shù)與產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代,國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心曾應(yīng)用磁敏元件監(jiān)測貽貝活性的方法進(jìn)行過水質(zhì)污染檢測的相關(guān)研究,但并沒有形成體系化的生物毒性監(jiān)測方法。目前,國內(nèi)大多數(shù)海水生物毒性監(jiān)測使用的是成本較高的發(fā)光菌生物綜合毒性在線監(jiān)測儀,發(fā)光菌的保存和活化條件非??量蹋诰€監(jiān)測的運行成本較高[14],且不能反應(yīng)某些神經(jīng)性毒性污染物,不利于大范圍推廣使用。2009年初,珠海啟動國家“863計劃”重大項目“分散型水源地突發(fā)污染控制與飲用水安全保障技術(shù)開發(fā)及示范”,研究過程中引入荷蘭Mosselemonitor,以珠海流域常見的雙殼貝類黃沙蜆為監(jiān)測生物,建立生物毒性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng),應(yīng)用于珠海飲用水安全監(jiān)測中。該設(shè)備領(lǐng)先于全國其他生物綜合毒性在線監(jiān)測儀,且監(jiān)測成本較低。
監(jiān)測貽貝蚌殼的開合距離以及開合速度,需要通過快速、精確的測量才能得出,因此測量方法的精準(zhǔn)性、可靠性非常重要。本課題組前期研究采用磁敏元件監(jiān)測方法測量一組貽貝的行為反應(yīng)規(guī)律,通過初步的實驗分析發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)方法存在兩種弊端:
(1)傳感元件對生物本體的影響。貝殼表面的粘合膠以及霍爾傳感器的磁感應(yīng)線圈會對貽貝的生物活性有一定影響,一定程度上破壞了貽貝本身的生活狀態(tài),無法準(zhǔn)確反映水質(zhì)毒性,穩(wěn)定性較差。
(2)傳感元件的監(jiān)測精度差。因固定位置的不確定以及霍爾元件易受磁場干擾精度不高,導(dǎo)致實際測量精度≥±0.5 mm,而一般個體貽貝蚌殼最大張開距離不超過8 mm,誤差率高達(dá)±6.25%,這種誤差級別無法實現(xiàn)精細(xì)化測量水體不同濃度、不同種類的毒性,易發(fā)生誤報、漏報等現(xiàn)象,系統(tǒng)靈敏度較低。
1.2 基于雙目立體視覺技術(shù)的海水生物毒性監(jiān)測方法
針對現(xiàn)有海水生物毒性監(jiān)測方法存在的問題,本課題組提出一種新的研究思路——研究更為精準(zhǔn)有效的雙目立體視覺監(jiān)測方法監(jiān)測貽貝的活動規(guī)律,以此提高海水生物毒性監(jiān)測方法的測量靈敏度,實現(xiàn)對水體毒性的精確測量[15-16]。雙目立體視覺技術(shù)是建立在對人類視覺系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,通過雙攝像機(jī)采集的兩張不同角度的圖像,獲取場景目標(biāo)的三維信息,其結(jié)果表現(xiàn)為深度圖,再經(jīng)過進(jìn)一步處理得到三維空間中的特征點,實現(xiàn)二維圖像到三維空間的重構(gòu)[17-19]。雙目立體視覺監(jiān)測方法獲取深度信息的方法比其他觀測方法更為直接,由于雙目立體視覺監(jiān)測方式是被動方式的,因而較主動方式(如程距法)適用面寬,這是它的突出特點,適合針對大批量對象的觀測[20-22]。鑒于此,需要研究一種專門監(jiān)測貽貝蚌殼開合規(guī)律的水下雙目立體視覺監(jiān)測方法,解決現(xiàn)有監(jiān)測體系可靠性差、精度低等問題。本項目擬選取20只健康貽貝活體作為一組監(jiān)測對象,通過其自身生長的足絲附著固定在水下觀測槽中,利用兩臺高清攝像機(jī)經(jīng)過水密改造進(jìn)行連續(xù)拍攝,觀測貽貝蚌殼的運動規(guī)律,進(jìn)而構(gòu)建一套水下雙目立體視覺監(jiān)測平臺。而水下視覺觀測的難點在于如何在海流擾動和濁度噪聲中實現(xiàn)準(zhǔn)確、實時地測量貽貝蚌殼的運動規(guī)律。
針對復(fù)雜的水下圖像噪聲問題有很多濾波解決方案,但大部分濾波算法在處理原始信號和干擾信號的混雜信號時對原始信號會造成圖像邊緣損失[23]。根據(jù)統(tǒng)計理論研究表明,由于噪聲和干擾等綜合因素產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)無法避免,即使是高質(zhì)量的原始采樣數(shù)據(jù)也存在5%~10%的數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)[24]。現(xiàn)有基于統(tǒng)計方法和濾波技術(shù)等的異常數(shù)據(jù)檢測方法無法完全過濾掉測量信號中的異常數(shù)據(jù),而且有些濾波算法在處理異常數(shù)據(jù)的同時也會令信號產(chǎn)生畸變。因此對采樣圖像中異常值進(jìn)行有效的識別與剔除,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,是值得深入研究的問題。
針對雙目視覺測量的實時性問題,采樣圖像的立體匹配速度是雙目立體視覺技術(shù)中最關(guān)鍵、最困難的問題,一直是該領(lǐng)域研究的焦點。立體匹配算法的目的就是找出兩幅圖像對應(yīng)的匹配點,進(jìn)而獲得距離信息。目前,還沒有一種方法能夠快速、完美地解決圖像對應(yīng)點匹配問題。因此,如何實現(xiàn)圖像間快速、準(zhǔn)確的匹配,對海水生物毒性監(jiān)測方法的研究具有重要意義。
2.1 基于雙目立體視覺技術(shù)的海水生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計
本文使用雙目立體視覺監(jiān)測、實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等研究方法,對針對貽貝行為反應(yīng)的海水生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行硬件與軟件相結(jié)合的深入研究,總體研究方法框架如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計包含2個水下攝像頭+視覺信號處理電路組成的雙目視覺監(jiān)測平臺以及一個多層的貽貝活性觀測槽,可根據(jù)檢測毒性種類的變化以及檢測濃度范圍的變化調(diào)整觀測槽的數(shù)量和視覺檢測區(qū)的間距。監(jiān)測系統(tǒng)的算法研究包含雙目視覺圖像處理方法(水下折射補償算法、三維立體匹配算法、小波變換處理算法等)和多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。
2.2 雙目立體視覺監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究
2.2.1 雙目立體視覺監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架
本課題中的監(jiān)測系統(tǒng)采用雙目視覺監(jiān)測平臺,包含以下3部分:雙目攝像機(jī)組、貽貝活性觀測體系和視覺信號處理運算電路,結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。其中,雙目攝像機(jī)組由兩臺水下高清攝像機(jī)以固定角度組裝而成,貽貝活性觀測體系由貽貝觀測槽以及做好標(biāo)記點的貽貝活體組成,兩個部分的直線間距在200 mm~500 mm范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。將一組(20只)貽貝依靠其自身生長的足絲固定在有機(jī)玻璃制作的觀測槽襯底上, 在貝殼上下表面各做一個標(biāo)記點,通過固定的雙目視覺監(jiān)測平臺觀察標(biāo)記點的相對位移,并將3D圖像數(shù)據(jù)記錄在上位機(jī)電腦中。該監(jiān)測平臺將可以同時對20只以內(nèi)的貽貝進(jìn)行張合狀況監(jiān)測,每50 ms可以傳回一張圖像特征,通過前后圖像的特征點變化對比分析,得出貽貝蚌殼的運動規(guī)律,將進(jìn)行實驗的每組貽貝張合頻率在計算機(jī)端統(tǒng)計分析轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字信號。
圖1 總體研究方法Fig.1 Overall research method
圖2 雙目立體視覺監(jiān)測平臺結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 Framework of binocular stereo visual monitoring platform
2.2.2 監(jiān)測對象的培養(yǎng)與篩選
處于不同成長期的貽貝對于水體污染的響應(yīng)程度不同,為減小個體差異,選擇最為靈敏的貽貝個體作為監(jiān)測對象,首先要對監(jiān)測對象進(jìn)行選擇。本次實驗所用貽貝均由膠州灣養(yǎng)殖區(qū)提供,按照個體大小分為大、中、小3組,每組10個樣品。大、中、小個體組評價殼長分別12±0.5 cm、9±0.3 cm、7.5±0.2 cm。將3組貽貝同時放入相同的水體環(huán)境中,向水體添加從低濃度到高濃度的污染物(石油類污染物、重金屬污染和有機(jī)磷農(nóng)藥),記錄3組貽貝的行為反應(yīng),選擇反應(yīng)最為靈敏一組貽貝作為監(jiān)測對象,以下實驗過程中所選的監(jiān)測對象均參照本次實驗結(jié)果選擇,每次實驗選擇個體相似的貽貝活體20只作為監(jiān)測對象。
2.2.3 水下雙目視覺監(jiān)測的算法研究
雙目視覺測量方法的核心是利用標(biāo)記點在左右兩幅視圖上成像的橫向坐標(biāo)直接存在的差異(視差)與目標(biāo)點到成像平面的距離關(guān)系,測算得出空間點的位置。研究的主要內(nèi)容包括三維標(biāo)定方法、水下折射補償算法、圖像特征提取算法、目標(biāo)立體匹配算法和三維重建算法等,雙目立體視覺監(jiān)測方法如圖3所示。
圖3 雙目立體視覺監(jiān)測方法示意圖Fig.3 Illustration of binocular stereo vision monitoring method
目前國內(nèi)尚無海水水質(zhì)毒性的評價標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合近年來海水和污染源監(jiān)測情況以及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),將水質(zhì)毒性劃分為4 個等級標(biāo)準(zhǔn)(無毒、低毒、中毒、嚴(yán)重污染)用于水質(zhì)毒性評價,水質(zhì)毒性分級標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國內(nèi)外發(fā)光細(xì)菌急性毒性實驗作為對照。
使用準(zhǔn)備階段培養(yǎng)篩選得到的貽貝活體,在實驗室模擬海洋環(huán)境的流水條件下進(jìn)行統(tǒng)計實驗,將貽貝分為監(jiān)測組和對比組兩組,其中每組實驗選擇20 只貽貝活體作為監(jiān)測對象。首先,將監(jiān)測組放入最接近海水普遍情況的模擬海水環(huán)境的實驗槽中,定義為正常狀態(tài)下貽貝響應(yīng),進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測和統(tǒng)計分析。其次進(jìn)行對比組實驗,將監(jiān)測組貽貝放置于正常狀態(tài)下,而另一組作為對比組,向其所處水體環(huán)境中加入不同濃度的單一或混合污染物,污染物主要選擇常見的油類污染、重金屬(Cd2+、Pd2+、Hg2+、Zn2+)類污染及有機(jī)磷化合物污染。水體環(huán)境的毒性標(biāo)準(zhǔn)通過發(fā)光細(xì)菌急性毒性實驗定義,同時記錄不同毒性狀態(tài)下貽貝蚌殼張合的距離和時間變化,進(jìn)行統(tǒng)計和分析(圖4)。
根據(jù)實驗過程中污染物的類別和含量,將所模擬的海水狀況根據(jù)綜合毒性分級(水質(zhì)下降等級、惡化程度),分析統(tǒng)計對應(yīng)貽貝的張合狀況,研究一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立貽貝行為反應(yīng)的監(jiān)測模型(圖5):輸入信號(蚌殼運動情況、溫度、鹽度和濁度等)通過中間節(jié)點(貽貝個體)作用于輸出節(jié)點,經(jīng)過非線性變換,產(chǎn)生輸出信號Y,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的每個樣本包括輸入向量X和期望輸出量t、網(wǎng)絡(luò)輸出值Y與期望輸出值t之間的偏差,通過調(diào)整輸入節(jié)點與隱層節(jié)點的聯(lián)接強度取值和隱層節(jié)點與輸出節(jié)點之間的聯(lián)接強度以及閾值,使誤差沿梯度方向下降,經(jīng)過反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練,確定與最小誤差相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(權(quán)值和閾值),得出訓(xùn)練結(jié)果。實驗過程中,每組貽貝連續(xù)監(jiān)測的時間將逐漸遞增,最終實現(xiàn)可以2~3 個月連續(xù)、在線的實時監(jiān)測。每組貽貝實驗完成后,還將結(jié)合理化檢測測定貽貝體內(nèi)的各類污染物含量,作為該模型的補充。后期及應(yīng)用過程中監(jiān)測的貽貝活體每2~3 個月更換一次。
圖4 海水生物毒性評價模型的技術(shù)路線Fig.4 Technical route of seawater biotoxicity evaluation model
圖5 利用遺傳算法構(gòu)建的海水生物毒性評價模型Fig.5 Genetic algorithm constructed seawater biotoxicity evaluation model
該監(jiān)測系統(tǒng)放置于岸邊實驗水箱中進(jìn)行實驗,將待測貽貝置于不同濃度各種污染物的海水環(huán)境中,進(jìn)行優(yōu)化實驗,統(tǒng)計和分析貽貝張合頻率,并通過上述模型對海水綜合毒性進(jìn)行評價,實驗結(jié)果將與岸邊實驗室的生態(tài)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,挑選其中部分重金屬濃度梯度的實驗數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過實驗分析,可以發(fā)現(xiàn)隨著污染物濃度的遞增,貽貝的活度會有相應(yīng)程度的較為靈敏的變化,進(jìn)而驗證了該方法的可行性——通過觀測貽貝的活度,反演海水環(huán)境的污染程度。
在后期的實驗中,定時提取海水污染物進(jìn)行理化檢測(以重金屬和持久性有機(jī)污染物的含量為主),驗證海水環(huán)境的污染程度,對該設(shè)備模型進(jìn)行驗證和優(yōu)化。該系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測,每2~3 個月對貽貝進(jìn)行更換,對更換下的貽貝再次進(jìn)行理化檢測,為模型提供技術(shù)支持。
表1 海水生物毒性監(jiān)測系統(tǒng)針對部分重金屬污染的實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of partial heavy metal pollution from seawater biotoxicity monitoring system
本文提出一種新的海洋環(huán)境監(jiān)測方法,能反映海洋多種污染物對海洋生物的綜合影響,彌補了現(xiàn)有磁敏監(jiān)測方法測量貽貝行為規(guī)律的不足,符合中國海域?qū)嶋H的生態(tài)狀況,有助于更加全面、客觀、及時地掌握海洋環(huán)境的動態(tài)變化特征。采用雙目立體視覺技術(shù)的海水生物毒性監(jiān)測方法是一種高可靠性、高靈敏度、通用的檢測方案,尤其適用于開發(fā)小型的現(xiàn)場或原位監(jiān)測儀器或傳感器,可以對海洋環(huán)境進(jìn)行連續(xù)原位監(jiān)測以及對近岸海洋環(huán)境污染預(yù)警,為海洋的保護(hù)、管理以及污染防治提供全面、可靠的依據(jù)。本文方法的實現(xiàn)具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益,應(yīng)用前景廣闊,能夠為保證海洋生態(tài)環(huán)境健康提供技術(shù)支撐。
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Binocular vision technology based monitoring technology of seawater biotoxicity
MA Ran, CAO Xuan,WANG Xiao-hong, ZHANG Tian-peng, ZHANG Li
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environmental Monitoring Technology, Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266001, China)
∶For the issue that existing seawater biotoxicity monitoring methods are simple and cannot reflect total toxic pollution situations,we employ binocular stereo vision technology and mussels as seawater biotoxicity sensors.We further use two cameras to continuously shoot and form three-dimensional dynamic information,analyze real-time mussel open-close angle and frequency,and eventually implement seawater biotoxicity monitoring.Experimental results show that the monitoring approach has higher reliability and sensitivity,and can provide technical support for marine eco-environmental protection
∶ binocular vision technology; mussel; biotoxicity of seawater
10.3976/j.issn.1002-4026.2016.05.002
2016-04-29
山東省自然科學(xué)基金(ZR2014YL006)
馬然(1982—),男,助理研究員,研究方向為海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)。Email:mr47@sohu.com
TP391.8
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