Udvikling af nye metoder til kvantificering af fisk tæthed ved hjælp af undersøiske Stereo-video værktøjer
Summary
Vi beskriver en ny metode til optælling fisk, og estimering af relativ overflod (MaxN) og fisk tæthed ved hjælp af roterende stereo-video kamerasystemer. Vi viser også hvordan afstand fra kameraet (Z afstand) til at estimere artsspecifikke sporbarhed.
Abstract
Brug af video kamerasystemer i økologiske undersøgelser af fisk fortsætter med at få trækkraft som en levedygtig, ikke-udvindings metode til at måle fisk længder og vurdering fisk overflod. Vi udviklet og implementeret en roterende stereo-video kameraværktøj, der dækker en fuld 360 grader af stikprøver, som maksimerer prøveudtagning indsats i forhold til stationære kameraværktøjer. En række undersøgelser har detaljerede statisk, stereo-kamera systemer evne til at få meget nøjagtige og præcise målinger af fisk; fokus her var på udvikling af metodiske tilgange til at kvantificere fisk tæthed ved hjælp af roterende kamerasystemer. Den første fremgangsmåde var at udvikle en ændring af metrisk MaxN, der typisk er en konservativ optælling af det mindste antal fisk observeret på en given kamera undersøgelse. Vi omdefinere MaxN for at være det maksimale antal fisk observeret i enhver given rotation af kameraet. Når forholdsregler er truffet for at undgå dobbelttælling, kan denne metode for MaxN mere præcist afspejler sand overflod end der opnås fra et fast kamera. For det andet fordi stereo-video tillader fisk at blive kortlagt i tre-dimensionelle rum, kan præcise skøn af afstand fra kameraet opnås for hver fisk. Ved hjælp af 95% fraktil af observerede afstanden fra kameraet til at etablere artsspecifikke områder adspurgte, højde vi for forskelle i målbarhed blandt arter samtidig undgå fortynding tæthed skøn ved hjælp af den maksimale afstand en art var observeret. Regnskab for denne vifte af sporbarhed er kritisk at præcist skøn fisk mængder. Denne metode vil lette integrationen af roterende stereo-video værktøjer i både anvendt videnskab og forvaltning sammenhænge.
Introduction
Langs den amerikanske Pacific Coast er mange af de arter, der er vigtigt at kommercielle og rekreative bundfisk fiskeri (fxrockfish komplekse (Sebastes spp.) og Lingcod (Ophiodon elongatus)) stærkt forbundet med høj-relief, hård bund levesteder1,2,3,4,5. Stereo-video drop kameraer er en attraktiv ikke-udvindings værktøj til brug på klippefyldte vækststeder på grund af den relative lethed og enkelhed af drift. En bred vifte af stereo-video kamerasystemer er blevet udviklet og implementeret i det sydlige halvkugle, lavt vand økosystemer6,7,8,9,10, og for nylig, video drop-kameraer har fået trækkraft som et ledelsesværktøj til dybt vand rocky-reef miljøer langs Pacific Coast11,12,13. Vi forsøgte at ændre disse eksisterende stereo-kamera design ved hjælp af et stereo-kamerasystem (i det følgende benævnt “Lander”) til mere effektivt karakterisere fiskebestande i høj-relief seafloors langs central Pacific Coast (Se tabel af Materialer). Lander anvendes var anderledes end eksisterende videosystemer, fordi kameraer var monteret til en central roterende bar, hvilket gav mulighed for en fuld 360° dækning af havbunden ved drop placering14. Landeren afsluttet en fuld omdrejning pr. minut, der tillod os at hurtigt karakterisere overflod og Fællesskabets sammensætning af et område og opnå samme grad af statistisk power med færre Lander installationer. (Se Starr (2016)14 for nærmere på detaljerne i Lander konfigurationen). Indledende tests i ordningen undersøgelse antydede, at otte rotationer af kameraer i vores undersøgelser var tilstrækkelig til at karakterisere arter overflod og rigdom. Denne bestemmelse blev foretaget af en observation af aftagende afkast i arter overflod og fisk tæthed over længere dråber. Vi anbefaler, at en pilot-undersøgelse herunder længere sættetid gange udføres i enhver ny ordning til at bestemme den optimale sættetiden for et givet økosystem/undersøgelse arter.
Ved hjælp af parrede stereo kameraer, begge samlet undersøgelse areal og absolut fisk tæthed kan beregnes for hver video undersøgelse; men brug af roterende kameraer nødvendiggjorde ændring af traditionelle fisk antal målinger. Stationære videosystemer bruger oftest “MaxN” som en konservativ antal fisk på en installation6,10. Traditionelle MaxN beskriver det maksimale antal fisk af en given art observeret sammen i et enkelt videobillede, for at undgå dobbelttælling en fisk, der har forlod og vendte tilbage til ramme. MaxN har derfor været et skøn over det mindste antal fisk kendt for at være til stede og kan undervurdere sand fisk overflod6,10. MaxN metriske blev omdefineret til at repræsentere det største antal fisk i hver fuld rotation af kameraer.
Den anden ændring til tidligere stereo video metoder var at tage højde for faktum, at arter af forskellige størrelser, farver, og figurerne har forskellige maksimale afstande af pålidelig identifikation. For eksempel, store arter såsom O. elongatus har en særskilt aflange form og pålideligt kan identificeres på meget større afstande sammenlignet med kryptiske og små arter såsom Squarespot Dragehovedfisk (Sebastes hopkinsi). Disse forskellige maksimale intervaller af målbarhed ændre området effektiv samplet af Lander for hver art. Fordi de stereo kameraer gør det muligt at placere hver fisk i tre-dimensionelle rum med en høj grad af nøjagtighed, man kan bestemme afstanden fra de kameraer, der hver fisk blev målt (dvs.“Z afstanden”, opkaldt efter den “z-aksen” som er vinkelret på den lige linje mellem kameraer). For hver art, den afstand, hvor 95% af alle personer blev observeret (herefter “95% Z afstand”) blev anset for at være radiussen af området undersøgelse, og blev brugt til at beregne det samlede areal adspurgte. Ud over artsspecifikke karakteristika, vil identificerbarhed blive påvirket af miljøforhold såsom vand turbiditet. Fordi disse faktorer kan variere i tid og rum, er det vigtigt at bruge 95% Z statistikken kun i samlet. Selv om det vil være meget præcise for store prøver, kan enhver én enkelt undersøgelse variere i området adspurgte.
Protokollen nedenfor giver vejledning om, hvordan du opretter og bruger disse måleenheder. Selvom fokus var at karakterisere dybt vand klippefyldte vækststeder langs Pacific Coast, er den metode der beskrives for modificerede MaxN tælle umiddelbart gældende for enhver roterende drop-kamera system. Antallet af kamera rotationer skulle karakterisere fiskebestandene vil afhænge af lokale økosystem dynamics, men konceptualisering af den modificerede MaxN vil forblive den samme. På samme måde, mens vi brugte 3D Fotogrammetrisk software til at analysere stereo video, teknikker beskrevet heri er nemt anvendes på tværs af platforme, så længe den præcise placering af fisk i tre-dimensionelle rum er muligt. Derudover bør tilgang for at anvende en 95% Z afstand værdi overvejes i fremtiden undersøgelser med stereo-kameraer for at tage højde for artsspecifikke intervaller af sporbarhed og til mere præcist at beregne fisk overflod.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den traditionelle MaxN metrikværdi er baseret på ideen om at tælle et garanteret minimum antal personer til stede under en undersøgelse. Hvis et vist antal fisk kan samtidig ses i et enkelt videobillede, der ikke kan være noget færre gave, men fordi fisk er mobile og uensartet fordelt, sandsynligheden for at se alle individer samtidig under en enkelt videobillede er lav . Det er derfor sandsynligt, at traditionelle MaxN undervurderer sand fisk overflod16,17…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev finansieret af The Nature Conservancy og private donorer, ressourcer arv fonden Foundation, Gordon og Betty Moore Foundation, Environmental Defense Fund, Californien Sea Grant Program, NMFS nationale Cooperative Research Program og en NOAA Saltonstall-Kennedy Grant #13-Stålwirer-008. Marine anvendt forskning og efterforskning (Dirk Rosen, Rick Botman, Andy Lauerman og David Jefferies) udviklet, konstrueret og vedligeholdt værktøjet video Lander. Vi takke Jim Seager og SeaGIS™ software til teknisk support. Kaptajn og kommercielle fiskeren Tim Maricich og besætning ombord F/V Donna Kathleen givet støtte i implementering af Lander fra 2012-2015. Tak til alle, der deltog i video indsamling eller analyse (Anne Tagini, Donna Kline, løjtnant Amber Payne, Bryon Downey, Marisa Ponte, Rebecca Miller, Matt Merrifield, Walter Heady, Steve Rienecke, EJ Dick og John Field).
Materials
| 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) |
References
- Love, M. S., Yoklavich, M. M., Thorsteinson, L. K. . The Rockfishes of the Northeast Pacific. , (2002).
- Laidig, T. E., Watters, D. L., Yoklavich, M. M. Demersal fish and habitat associations from visual surveys on the central California shelf. Estuar. Coast. Shelf Sci. 83 (4), 629-637 (2009).
- Anderson, T. J., Yoklavich, M. M. Multiscale habitat associations of deepwater demersal fishes off central California. Fish. Bull. 105 (2), 168-179 (2007).
- Yoklavich, M. M., Cailliet, G. M., Sullivan, D. E., Lea, R. N., Love, M. S. Habitat associations deep-water rockfishes a submarine canyon an example of a natural refuge. Fish. Bull. 98 (3), 625-641 (2000).
- . . Status of the Pacific Coast Groundfish Fishery, Stock Assessment and Fishery Evaluation. , (2016).
- Cappo, M., Harvey, E., Malcolm, H., Speare, P., Beumer, J. P., Grant, A., Smith, D. C. Potential of video techniques to monitor diversity, abundance and size of fish in studies of marine protected areas. Aquatic protected areas- What works best and how do we know. , 455-464 (2003).
- McLean, D. L., Green, M., Harvey, E. S., Williams, A., Daley, R., Graham, K. J. Comparison of baited longlines and baited underwater cameras for assessing the composition of continental slope deepwater fish assemblages off southeast Australia. Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 98, 10-20 (2015).
- Parker, D., Winker, H., et al. Insights from baited video sampling of temperate reef fishes: How biased are angling surveys. Fish. Res. 179, 191-201 (2016).
- Boutros, N., Shortis, M. R., Harvey, E. S. A comparison of calibration methods and system configurations of underwater stereo-video systems for applications in marine ecology. Limnol. Oceanogr. Methodss. 13 (5), 224-236 (2015).
- Harvey, E. S., Cappo, M., Butler, J. J., Hall, N., Kendrick, G. A. Bait attraction affects the performance of remote underwater video stations in assessment of demersal fish community structure. Mar. Ecol. Prog. Ser. 350, 245-254 (2007).
- Watson, J. L., Huntington, B. E. Assessing the performance of a cost-effective video lander for estimating relative abundance and diversity of nearshore fish assemblages. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 483, 104-111 (2016).
- Easton, R. R., Heppell, S. S., Hannah, R. W. Quantification of Habitat and Community Relationships among Nearshore Temperate Fishes Through Analysis of Drop Camera Video. Mar. Coast. Fish. 7 (1), 87-102 (2015).
- Hannah, R. W., Blume, M. T. O. Tests of an experimental unbaited video lander as a marine fish survey tool for high-relief deepwater rocky reefs. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 430, 1-9 (2012).
- Starr, R. M., Gleason, M. G., et al. Targeting Abundant Fish Stocks while Avoiding Overfished Species: Video and Fishing Surveys to Inform Management after Long-Term Fishery Closures. Plos One. 11 (12), 0168645 (2016).
- Love, M. S. . Certainly more than you want to know about the fishes of the Pacific Coast: a postmodern experience. , (2011).
- Campbell, M. D., Pollack, A. G., Gledhill, C. T., Switzer, T. S., DeVries, D. A. Comparison of relative abundance indices calculated from two methods of generating video count data. Fish. Res. 170, 125-133 (2015).
- Cappo, M., Speare, P., De’ath, G. Comparison of baited remote underwater video stations (BRUVS) and prawn (shrimp) trawls for assessments of fish biodiversity in inter-reefal areas of the Great Barrier Reef Marine Park. J. Exp. Mar. Bio. Ecol. 302 (2), 123-152 (2004).
- Schobernd, Z. H., Bacheler, N. M., Conn, P. B., Trenkel, V. Examining the utility of alternative video monitoring metrics for indexing reef fish abundance. Can. Jour. Fish. Aquat. Sci. 71 (3), 464-471 (2014).
- Hansen, M. J., Schorfhaar, R. G., Selgeby, J. H. Gill-Net Saturation by Lake Trout in Michigan Waters of Lake Superior. North Am. J. Fish. Manag. 18 (4), 847-853 (1998).
- Dauk, P. C., Schwarz, C. J. Catch estimation in the presence of declining catch rate due to gear saturation. Biometrics. 57 (1), 287-293 (2001).
- Hilborn, R., Walters, C. J. . Quantitative Fisheries Stock Assessment Choice, Dynamics and uncertainty. , (1992).
- Erisman, B. E., Allen, L. G., Claisse, J. T., Pondella, D. J., Miller, E. F., Murray, J. H. The illusion of plenty: hyperstability masks collapses in two recreational fisheries that target fish spawning aggregations. Can. Jour. Fish. Aquat. Sci. 68, 1705-1716 (2011).
- Buckland, S. T., Anderson, D. R., Burnham, K. P., Laake, J. L. . Distance Sampling: Estimating abundance of biological populations. , (1993).
- Ronconi, R. A., Burger, A. E. Estimating seabird densities from vessel transects: Distance sampling and implications for strip transects. Aquat. Bio. 4 (3), 297-309 (2008).
- Caselle, J. E., Rassweiler, A., Hamilton, S. L., Warner, R. R. Recovery trajectories of kelp forest animals are rapid yet spatially variable across a network of temperate marine protected areas Recovery trajectories of kelp forest animals are rapid yet spatially variable across a network of temperate marine protected. Nat. Publ. Gr. , 1-14 (2015).
- Starr, R. M., Wendt, D. E., et al. Variation in Responses of Fishes across Multiple Reserves within a Network of Marine Protected Areas in Temperate Waters. Plos One. 10 (3), 0118502 (2015).
- Lester, S., Halpern, B., et al. Biological effects within no-take marine reserves: a global synthesis. Mar. Ecol. Prog. Ser. 384, 33-46 (2009).
