CC BY
125
Новые технологии
Вестник ДВО РАН. 2015. № 1
УДК 621.397+57.084.2
А.И. МАРКЕВИЧ, А.Е. СУБОТЭ, П С. ЗИМИН, В.К. ФИЩЕНКО
Первый опыт использования системы долговременного подводного видеонаблюдения для биологического мониторинга в заливе Петра Великого (Японское море)
Система долговременного подводного видеонаблюдения (СДПВ), разработанная в ТОИ ДВО РАН для решения широкого круга биологических и океанологических задач, испытана при проведении биологического мониторинга в зал. Петра Великого. СДПВ состоит из видеокамеры в герметичном корпусе и двух герметизированных светильников. Изображение передается по кабелю на сервер и доступно в сети Интернет. С помощью СДПВ проведен мониторинг ихтиофауны в бухте Алексеева (о-в Попова) в течение 2013 г., в результате которого зарегистрировано 22 вида рыб. Впервые зарегистрированы виды, ранее не отмеченные в бухте, — бородатая лисичка Pallasina barbata и колючий пинагор Eumicrotremus pacificus. Обсуждаются преимущества и недостатки предложенного метода для ведения долгосрочного биологического мониторинга.
Ключевые слова: стационарная подводная видеосистема, веб-камера, мониторинг рыб, зал. Петра Великого.
The first experience of long-time underwater video observation system using for biological monitoring in the Peter the Great Bay (the Sea of Japan). A.I. MARKEVICH (Far Eastern Marine Biosphere Reserve, FEB RAS, Vladivostok), A.E. SUBOTE, P.S. ZIMIN, V.K. FISHCHENKO (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
The long-time underwater video observation system (LTUVOS) developed in the Pacific Oceanological Institute FEB RAS for a wide range of biological and oceanographic tasks tested during biological monitoring in Peter the Great Bay. LTUVOS consists of the watertight housing video camera and the pair of lights with sealing insulation. The image is transmitted over a cable to a server and is accessible in the Internet network. LTUVOS is used for fish fauna monitoring during 2013 in the Alekseev Bay (Popov Island), as a result of which 22 fish species are registered. The fishes which have not been noted in the Bay earlier—Pallasina barbata and Eumicrotremus pacificus are registered. Advantages and lacks of the offered method for conducting long-term biological monitoring are discussed.
Key words: underwater fixed camera system, web camera, fish monitoring, Peter the Great Bay.
Долговременный мониторинг морской биоты является актуальнейшей задачей нашего времени в связи с постоянно усиливающимся антропогенным прессом и оскудением биоресурсов. Наиболее просто регистрировать изменения биоты в небольших мелководных бухтах с заметным антропогенным влиянием. Одной из таких бухт в зал. Петра Великого Японского моря является бухта Алексеева о-ва Попова. В 1979-1985 гг. здесь
*МАРКЕВИЧ Александр Игоревич - кандидат биологических наук, научный сотрудник (Дальневосточный морской биосферный заповедник ДВО РАН, Владивосток), СУБОТЭ Алексей Евгеньевич - научный сотрудник, ЗИМИН Петр Степанович - кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, ФИЩЕНКО Виталий Константинович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: [email protected]
Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований ДВО РАН «Дальний Восток» на 2015-2017 годы (проект 15-1-4-062).
был проведен мониторинг ихтиофауны [7], который выявил изменения в видовом составе рыб по сравнению с 1968-1971 гг. [5].
При проведении мониторинга биоты в настоящее время отдается предпочтение неин-вазивным, дистанционным способам исследований. При этом информация, полученная визуальными методами, остается одной из важнейших. Основными способами сбора визуальной информации являются наблюдения, как прямые подводные (зачастую с использованием фото и видеоаппаратуры [1, 4, 6, 7, 12]), так и с помощью телеуправляемых или автономных подводных аппаратов [1, 2, 8]. Водолазные работы имеют большие ограничения из-за враждебности подводной среды для человека и требуют применения качественного водолазного снаряжения, квалифицированной подготовки наблюдателя и хорошей организации. Применение подводных аппаратов ограничено временем их автономности и необходимостью присутствия на борту судна-носителя команды квалифицированных операторов и инженеров. Оба метода весьма дорогостоящи, особенно второй, что немаловажно для многих научных коллективов с ограниченным бюджетом.
В последние годы в разных странах мира для решения задач по мониторингу начали широко применяться удаленные системы долговременного подводного видеонаблюдения (СДПВ) [14, 15, 17-19]. Они обеспечивают систематическое накопление видеоинформации для ее последующего анализа, а также зачастую подключаются к сети Интернет и транслируют видео в реальном времени. Такие системы составляют бюджетную альтернативу традиционным методам видеонаблюдения подводных акваторий, реализуемым с помощью водолазов, автономных или обитаемых подводных аппаратов. В России СДПВ ранее не разрабатывались и не использовались.
Цели настоящей работы состояли: 1) в разработке системы долговременного подводного видеонаблюдения, пригодной для решения широкого круга океанологических и гидробиологических задач; 2) в изучении возможностей использования созданной СДПВ для мониторинга биоты, в частности ихтиофауны, на примере бухты Алексеева о-ва Попова (зал. Петра Великого Японского моря).
Опытный образец СДПВ был разработан в отделе информационных технологий Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН и с конца 2012 г. используется в режиме тестовых испытаний [10]. Схема монтажа СДПВ практически идентична зарубежным аналогам [14, 15]: она состоит из подводного модуля, кабеля электропитания и связи, берегового пункта обеспечения, накопления и передачи информации. Подводный модуль представляет собой цилиндрический корпус с видеокамерой и закрепленными на нем фонарями освещения. В прототипе системы использована сетевая камера IP-531mw со съемным объективом и SD-картой. Оптическое разрешение камеры -1280 х 720 пикселов (при частоте съемки 30 кадров/с), практическая дальность обзора в воде - до 5 м. Размеры корпуса 200 х 200 х 600 мм, масса вместе с видеокамерой -10 кг. Осветители выполнены из двух серийных светодиодных прожекторов мощностью по 10 Вт каждый и углом освещения 60°. Оператор имеет возможность включать и выключать прожекторы дистанционно, одновременно с просмотром изображения с камеры. Максимальная глубина постановки составляет 30 м с удалением от берега до 400 м. Береговой пункт обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии к системе видеонаблюдения и прием / передачу сигналов сети Интернет. Связь внутри комплекса осуществляется по технологии Ethernet, а канал связи с берегом - по технологии PowerLine на устройствах D-link DHP-306av.
Система видеонаблюдения была установлена 20 декабря 2012 г. в бухте Алексеева, в акватории морской экспериментальной станции ТОИ (42°58'50,38" с.ш., 131°43'45,17" в.д). Бокс с осветителями расположен на алюминиевой опоре на высоте 0,7 м от песчаного дна на глубине 3,5 м (рис. 1). Расстояние от берега - 100 м, длина кабеля питания и связи -120 м.
Режим работы СДПВ непрерывный, круглосуточный. Видеоинформация (моментальные снимки и короткие видеозаписи) по заданному временному расписанию передается в
Рис. 1. Внешний вид комплекса стационарного дистанционного подводного видеонаблюдения в бухте Алексеева о-ва Попова (зал. Петра Великого Японского моря)
береговую инфраструктуру хранения данных. Кроме того, при наличии соответствующих прав доступа к системе возможно вести наблюдение подводных сцен в реальном времени с любого рабочего места, подключенного к сети Интернет.
СДПВ входит составной частью в систему комплексного оперативного мониторинга зал. Петра Великого, разворачиваемую специалистами ТОИ и ИАПУ ДВО РАН с 2008 г. [3]. Для предоставления научным специалистам данных подводного видеонаблюдения, как и любых других данных общей системы мониторинга залива, используется океанологическая информационно-аналитическая система (ОИАС) ДВО РАН [13]. На рис. 2 дан пример интерфейса пользователя ОИАС при работе с архивом фотоснимков. Пользователь уточняет интересующий его временной интервал, дискретность следования снимков во времени и получает отображение пиктограмм, соответствующих запросу снимков. Щелкнув клавишей «мыши» на любую пиктограмму, пользователь получает отображение снимка в полном разрешении или доступ к видеозаписи. Для того чтобы обеспечить более широкий доступ пользователей к архиву изображений, разработан специализированный веб-сайт «Подводное видео ТОИ ДВО РАН» (www.poi.dvo.ru/ucam).
Возможности СДПВ для мониторинга морской биоты изучались в тестовом режиме в течение 2013 г. Наблюдения включали в себя годовой мониторинг видового состава и поведения рыб вблизи комплекса, идентификацию беспозвоночных животных. С этой целью проанализировано свыше 300 пятиминутных фрагментов он-лайн видеотрансляции и более 130 фотоснимков. Основные результаты этой работы представлены ниже.
В период наблюдений было зарегистрировано 22 вида рыб. Наиболее массовым в течение января-июня и ноября-декабря 2013 г. была дальневосточная навага Eleginus gracilis. В дневное время в поле зрения камеры, у дна и над зарослями зостеры Zostera marina, на площади 4-12 м2 практически постоянно находились группы наваги от 2-4 до 12-30 особей (рис. 3А, см. вклейку). Ночью до 8-10 рыб концентрировалось непосредственно у камеры благодаря потенциальному корму - планктонным организмам, привлекаемым светом (рис. 3Б). Плотность наваги была заметно выше зимой, когда море покрыто льдом, и резко снижалась в отсутствие льда.
В марте начали эпизодически появляться корюшки Hypomesus japonicus и Osmerus dentex, в апреле массово - краснопёрки Tribolodon hakonensis и T. brandtii (рис. 3В). Днем эти рыбы встречались редко, а ночью краснопёрки явно привлекались к камере скапливающимся планктоном, особенно в сентябре и первой половине октября, когда наблюдали до 10 и более рыб непосредственно у камеры. В конце октября краснопёрки перестали регистрироваться.
В апреле непосредственно у СДПВ отмечались одиночные особи опистоцентров (Opis-thocentrus zonope, O. tenuis, O. ocellatus), которых привлекали обрастания на установке
Рис. 2. Просмотр архива изображений подводных сцен в интерфейсе океанологической информационно-аналитической системы (ОИАС) ДВО РАН
(рис. 3Г). Опистоцентры регистрировались в течение лета и осени, вплоть до октября. С июля до конца сентября чаще всего встречались кефали - пиленгас Liza haematocheila и лобан Mugil cephalus, группы которых из нескольких особей часто подходили вплотную к установке ночью (рис. 3В). В сентябре-октябре эпизодически регистрировались японский анчоус Engraulis japonicus, короткопёрая песчанка Hypoptychus dybowskii, начали проходить крупные стаи южного однопёрого терпуга Pleurogrammus azonus (рис. 3Д).
Проведенные с помощью СДПВ наблюдения по мониторингу рыб и других морских животных показали его преимущества и недостатки. За один год регулярных наблюдений зарегистрировано 22 вида рыб, выяснены некоторые особенности их поведения и влияние на него самого комплекса. Число видов рыб немного больше числа (20), указанного в работе Г.Н. Воловой, Т.И. Жакиной и Л.В. Микулич [5], материал для которой был собран в течение 4 лет традиционными ихтиологическими орудиями лова (невод, ловушка, удочка). Следует отметить, что в этой работе есть неточные определения (например, Melletes papilio, который в фауне видов рыб зал. Петра Великого отсутствует [10]). Таким образом, СДПВ по эффективности близка к этим орудиям лова, но часто и превосходит их, как показывает зарубежный опыт [19]. Однако она значительно проигрывает в эффективности визуальному водолазному методу, при использовании которого в сочетании с сетными орудиями лова в течение одного сезона 1985 г., в бухте Алексеева было учтено 48 видов рыб [7]. Объяснение этому простое: из-за достаточно высокого расположения бокса видеокамеры над дном и невысокой прозрачности воды плохо регистрируются рыбы, ведущие донный и придонный образ жизни. Это большинство видов камбал сем. Pleuronectidae (отмечена эпизодично лишь полосатая камбала Liopsetta pinnifasciata), б0льшая часть керчаков сем. Cottidae (у нас зарегистрированы единично два вида - Myoxocephalus polyacanthocephalus и M. brandtii), стихеевых сем. Stichaeidae и бычковых сем. Gobiidae, составляющих подавляющую часть фауны бухты. Изредка удавалось наблюдать только таких донных и придонных рыб, которые поднимались достаточно высоко (до 1 м) в толщу воды: это тихоокеанская волосатка Hemitripterus villosus, бычок-бабочка Blepsias cirrhosus (рис. 3Е), морские окуни восточный Sebastes taczanowskii и темный S. schlegelii.
Визуальные водолазные учеты рыб у СДПВ, проведенные в августе 2013 г., показали, что вокруг самого комплекса постоянно держатся свыше 20 особей разных видов опистоцен-тров и несколько бурых терпугов Hexagrammos octogrammus, которые не попали в поле зрения камеры. В то же время возможность круглогодичного наблюдения дала возможность зарегистрировать таких рыб, как бородатая лисичка Pallasina barbata и колючий пинагор Eumicrotremus pacificus, ранее не отмеченных в списке рыб бухты, насчитывавшем суммарно 52 вида [5, 7]. Тем не менее выяснено, что основа видового состава рыб не изменилась и ихтиофауна бухты Алексеева находится в относительно стабильном состоянии.
Анализ поведения рыб вблизи СДПВ показал, что комплекс не отпугивал рыб, большая их часть относилась к нему безразлично, а многих он и привлекал. В дневное время поведение рыб было практически идентично обычному, за исключением того, что плотность рыб (опистоцентров) была в несколько раз выше, чем в неизмененном биотопе зарослей зостеры [9], - здесь явно сказался эффект «искусственного рифа», роль которого выполняет СДПВ, обеспечивающий рыб визуальными ориентирами, простейшими убежищами и пищей в виде балянусов и микроводорослей, обрастающих установку (рис. 1). Ночью этот эффект был значительно сильнее. Концентрирующийся у светильников планктон является хорошим пищевым ресурсом для многих видов рыб, которые активны и ночью, что объясняло их скопления здесь.
Накопленные с использованием СДПВ сведения позволяют сделать предварительное заключение о возможности его использования и для мониторинга беспозвоночных и других морских животных. Здесь ограничений значительно больше, чем при мониторинге рыб. Основные проблемы заключаются в точной видовой идентификации организмов малых размеров. Если большую часть видов рыб можно точно определить по изображению (при этом существуют некоторые сложности для экземпляров длиной менее 10 см и близкородственных видов), то среди беспозвоночных доля уверенно идентифицируемых видов довольно мала. Точно определяются только такие характерные виды, как, например, идотея охотская Idotea ochotensis (Crustacea: Malacostraca: Isopoda) (рис. 3Ж) или крылоногий моллюск Clione limacina (Mollusca: Gastropoda: Gymnosomata: Clionidae) (рис. 33). Поэтому использование СДПВ для мониторинга беспозвоночных требует перенастройки видеокамеры в режим макросъемки и анализа изображений высококвалифицированными специалистами. Нам представляется очень актуальной разработка программного обеспечения, с помощью которого осуществляется точная автоматическая идентификация морских животных по изображениям, как это сделано для ряда видов рыб теплых морей [14, 15].
В заключение следует отметить, что использование комплекса стационарного подводного видеонаблюдения следует продолжать и развивать. Указанные недостатки стационарности по сравнению с мобильными системами были прогнозируемы по аналогии с разными видами визуальных водолазных методов [16]. Настоящий этап эксплуатации СДПВ следует рассматривать как опытно-экспериментальный. Его задача - тестирование в реальных условиях элементов конструкции видеосистемы, отладка технологий доставки данных в базы данных общей системы мониторинга зал. Петра Великого, разработка технологий предоставления видеоданных пользователям ОИАС, накопление видеоматериалов, исследование возможных направлений использования видеосистемы. Представляется, что область применения СДПВ весьма широка. Например, видеозаписи СВДП используются нами для количественной оценки параметров подводных течений на основе слежения за обусловленными ими движениями специальных маркеров, устанавливаемых в поле зрения камеры [11]. Как оказалось, временная динамика течений в бухте очень своеобразна, в частности в них присутствуют несколько устойчивых колебательных компонент с периодами от нескольких секунд до нескольких часов, наиболее мощной является колебательная компонента с периодом 10 мин. Очевидно, эти течения оказывают существенное влияние на жизнедеятельность биологических видов в бухте, поэтому их параметры целесообразно фиксировать при осуществлении биологического мониторинга.
При дальнейшем развитии комплекса и дополнении его различными устройствами (например, лазерным указателем, датчиком температуры воды и др.), применении дополнительной подкормки для привлечения рыб [6, 18], установке СДПВ в морских акваториях с более высокой прозрачностью вод возможно получить значительно более полные сведения для целей мониторинга ихтиофауны, аналогичные зарубежным [15, 17-19]. Несомненно, подобная СДПВ может быть очень полезна в учебном процессе многих образовательных учреждений и в организациях, ведущих экологическое просвещение.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адрианов А.В., Тарасов В.Г. Методология мониторинга морского биоразнообразия (региональный и локальный уровни) // Научные основы сохранения биоразнообразия Дальнего Востока России: комплексный регион. проект ДВО РАН по программе Президиума РАН «Научные основы сохранения биоразнообразия России» / ред. А.В. Адрианов. Владивосток: Дальнаука, 2006. С. 10-29.
2. Адрианов А.В., Тарасов В.Г., Щербатюк А.Ф. Применение и перспективы сезонного видеомониторинга на особо охраняемых морских акваториях залива Петра Великого // Вестн. ДВО РАН. 2005. № 1. С. 19-26.
3. Антушев С.Г., Голик А.В., Суботэ А.Е., Олейников И.С., Фищенко В.К. О развертывании системы оперативного мониторинга природных процессов на побережье и акваториях залива Петра Великого // Современные информационные технологии для научных исследований: материалы конф. Магадан, 2008. С. 146-148.
4. Атлас подводных ландшафтов Японского моря. М.: Наука, 1990. 224 с.
5. Волова Г.Н., Жакина Т.И., Микулич Л.В. Бентос бухты Алексеева (залив Петра Великого) // Прибрежный планктон и бентос северной части Японского моря. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1980. С. 32-56.
6. Гомелюк В.Е. Исследования сообществ рыб в мелководных биотопах моря Арафура с помощью подводной дистанционной видеосистемы с приманкой // Изв. ТИНРО. 2008. Т. 153. С. 181-200.
7. Гомелюк В.Е., Кондрашев С.Л., Левин А.В. Ихтиофауна бухты Алексеева острова Попова (залив Петра Великого, Японское море) и влияние на нее культивирования приморского гребешка // Биология шельфовых и проходных рыб. Владивосток: ИБМ ДВО РАН, 1990. С. 5-8.
8. Комплексные исследования подводных ландшафтов в Белом море с применением дистанционных методов / ред. В.О. Мокиевский, А.Б. Цетлин, Е.Д. Краснова. М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2012. 173 с., 22 цв. вкл. (Тр. Беломор. биостанции МГУ; т. 11).
9. Маркевич А.И. Распределение рыб в прибрежных биотопах бухты Западной острова Фуругельма: изменения с 1991 по 1996 год // Экологическое состояние и биота юго-западной части залива Петра Великого и устья реки Туманной. Владивосток: Дальнаука, 2002. Т. 3. С. 137-148.
10. Соколовский А.С., Соколовская Т.Г., Яковлев Ю.М. Рыбы залива Петра Великого. 2-е изд. Владивосток: Дальнаука, 2011. 431 с.
11. Суботэ А.Е., Зимин П.С., Фищенко В.К. Тестовые испытания системы подводного видеонаблюдения прибрежных акваторий // Физика геосфер: материалы докл. Восьмого Всерос. симпоз. Владивосток, 2013. С. 211-215.
12. Ткаченко К.С. Использование видео- и фотометодов в гидробиологических исследованиях // Биология моря. 2005. Т. 31, № 2. С. 142-147.
13. Фищенко В.К., Голик А.В., Антушев С.Г. О проекте корпоративной океанологической информационно-аналитической системы ДВО РАН и задаче развертывании глобальной GRID-инфраструктуры Отделения // Открытое образование. 2008. № 4. С. 47-64.
14. Boom B.J., Jiyin He J., Palazzo S., Huang P.X., Beyan C., Chou H.-M., Lin F.-P., Spampinatto C., Fisher R.B. A research tool for long-term and continuous analysis of fish assemblage in coral-reefs using underwater camera footage // Ecol. Informatics. 2014. Vol. 23, Sept. P. 83-97.
15. Jan R.-Q., Shao Y.-T., Lin F.-P., Fan T.-Y., Tu Y.-Y., Tsai H.-S., Shao K.-T. An underwater camera system for real-time coral reef fish monitoring // The Raffles Bull. Zool. 2007. Suppl. N 14. P. 273-279.
16. Sanderson S.L., Solonsky A.C. Comparison of a rapid visual and a strip transect technique for censusing reef fish assemblages // Bull. Mar. Sci. 1986. Vol. 39, N 1. P. 119-129.
17. Santana-Garcon J., Newman S.J., Harvey E.S. Development and validation of a mid-water baited stereo-video technique for investigating pelagic fish assemblages // J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 2014. Vol. 452. P. 82-90.
18. Somerton D.A., Glendhill C.T. (eds). Report of the National Marine Fisheries Service Workshop on underwater video analysis. U.S. Dep. Commerce. NOAA Tech. Memo. NMFS - F/SPO-68. 2005. 69 p.
19. Wakefield C.B., Lewis P.D., Coutts T.B., Fairclough D.V., Langlois T.J. Fish assemblages associated with natural and anthropogenically-modified habitats in a marine embayment: comparison of baited videos and opera-house traps // PLOS ONE. 2013. Vol. 8, N 3. e59959. 10 p.
К статье А.И. Маркевича и др. «Первый опыт использования системы долговременного подводного видеонаблюдения ...»
Рис. 3. Некоторые виды рыб и морских беспозвоночных животных, зарегистрированные в поле зрения СДПВ в бухте Алексеева о-ва Попова в 2013 г. : А - дальневосточная навага Eleginus gracilis днем, Б - дальневосточная навага Eleginus gracilis ночью, В - крупночешуйная краснопёрка Tribolodon hakonensis и лобан Mugil cephalus, Г - белоносый опистоцентр Opisthocentrus tenuis, Д - южный однопёрый терпуг Pleurogrammus azonus, Е - бычок-бабочка Blepsias cirrhosus, Ж - идотея охотская Idotea ochotensis, З - крылоногий моллюск Clione limacine
