基于视觉技术的水质安全在线生物预警系统设计_黄东龙_凌亮_周勤

书基于视觉技术的水质安全在线生物预警系统设计黄东龙，凌亮，周勤(华南理工大学环境科学与工程学院工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东广州510006)摘要:介绍了一套基于计算机视觉技术，可以实时自动监测鱼群游动特性的系统，对获取的动态图片序列进行分析，提取出指示生物的行为参数，如平均游动速率、平均游动高度、平均鱼间距及平均转身次数等。并通过对斑马鱼在模拟突发污染胁迫下行为状态的监测分析，指出了利用鱼类的行为反应与污染物的关系可对水质安全状况进行初步评价，对水体污染做出预警。该系统可应用于关键领域对水体的自动连续监测，达到预防突发性污染事故的目的。关键词:斑马鱼;计算机视觉技术;生物监测;预警;行为反应中图分类号:X835文献标识码:C文章编号:1000－4602(2014)09－0113－05DesignofComputerVision-basedOn-lineBiomonitoringandEarlyWarningSystemforSuddenPollutioninWaterHUANGDong-long，LINGLiang，ZHOUQin(KeyLabofPollutionControlandEcosystemＲestorationinIndustryClusters＜MinistryofEducation＞，CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China)Abstract:Acomputervision-basedsystemwhichcanautomaticallymonitorthebehavioralre-sponseoffishshoalwasintroduced．Behavioralindexessuchasaverageswimmingvelocity，averageswimmingattitude，averagedistancesandaverageturningfrequencywereextractedfromcapturedimagesseries．Theresultofthesuddenpollutionexperimentshowedthatthebehavioralresponseoffishtowaterqualitycouldserveasanearlywarningtowaterpollution．Thesystemcouldbeappliedforrealtimemo-nitoringandearlywarningofaccidentalpollutioninwaterbodiesinsomekeyareas．Keywords:zebrafish;computervision;biomonitoring;earlywarning;behavioralre-sponse基金项目:广东省重大项目(2009A080209002);广东省科技攻关项目(2010B010900032)利用水生生物对毒物的敏感性，可快速判断水质是否受到有毒物质污染，从而达到快速预警的目的［1］。鱼类作为水生生物的高级类群，可客观反映水环境的生物状况。利用鱼类进行水质监测预警已经在水质监测领域得到了广泛认可，尤其是在一些发达国家，这些水质监测方法已经有了广泛的研究和应用［2］。计算机视觉技术的发展为鱼的行为学研究提供了新的手段［3～8］，可以在鱼不受到干扰的情况下对鱼的行为进行观察、量化和记录，行为参数获取目前主要集中于游动速度或活跃程度、集群程度、鱼群水层分布、总游动距离等方面，虽然已经有了大量的研·311·第30卷第9期2014年5月中国给水排水CHINAWATEＲ＆WASTEWATEＲVol．30No．9May2014究工作，但是获取的大部分行为参数较为单一，不能全面涵盖生物行为生态学变化的规律特点，仍然无法全面了解鱼类行为反应与毒性之间的关系，依靠其进行监测预警的可靠性不高。笔者以斑马鱼为指示生物，结合计算机视觉技术，获取斑马鱼的多项行为参数，建立一个既可以利用鱼类对毒物的敏感性，又能利用计算机视觉技术自动连续监测并实现准确自动预警、报警、采样等功能的监测预警系统，实现水质突发性污染的及时预警。1系统设计本文所设计的是一种集生物技术、计算机视觉技术、动态图像分析、网络技术及无线通讯技术等于一体，并以计算机视觉技术为核心的水质污染在线监测预警装置。1.1指示生物选择系统设计之前必须首先根据系统的特点对指示生物种类进行选择，选择原则如下:体积小，可以实现装置小型化;体色较深，摄像机辨识度好;位于生物链上方，可以客观反映水环境的生物状况，有较好代表性;对水温、