基于魚群行為分析的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、飲水安全是社會關(guān)心和重視的一個問題，當(dāng)水污染事件發(fā)生時，如何快速地預(yù)警是防止污水進(jìn)入生活飲用水的關(guān)鍵。隨著生物式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)概念地提出，越來越多的學(xué)者開始致力于生物水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的研究。利用水生生物進(jìn)行水質(zhì)預(yù)警，是因為水生生物對水體環(huán)境變化非常敏感。當(dāng)水受到污染時，水生生物的行為、體色或者形態(tài)等特征會產(chǎn)生明顯的變化。通過計算機(jī)視覺技術(shù)來捕獲這種變化，并加以量化分析，最終得到水生生物的行為變化與水質(zhì)污染之間的關(guān)系，從而達(dá)到預(yù)警作用。

2、　　本文以紅鯽魚作為水體環(huán)境的指示生物。通過攝像頭拍攝多條紅鯽魚在魚缸中的游動視頻，結(jié)合計算機(jī)視覺技術(shù)，圖像處理技術(shù)得到目標(biāo)魚的三維空間坐標(biāo)，然后利用卡爾曼濾波算法，對多條魚進(jìn)行跟蹤，提取并量化了魚群的活動量，聚散度和平均游動高度等特征值。通過對這些特征值進(jìn)行組合與魚群行為相關(guān)聯(lián)得到語義模型，最后將該語義模型應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測平臺中。本文的主要研究內(nèi)容包括：
　　1.研究了魚類行為與水質(zhì)之間的關(guān)系。本文通過研究魚類的生理行為、趨性行為

3、和社交行為，了解魚類的基本行為形式。然后通過總結(jié)魚類在金屬化合物水質(zhì)、高溫水質(zhì)、缺氧水質(zhì)、偏酸和偏堿水質(zhì)等多種水質(zhì)下群體行為的變化，提出了魚群行為與水質(zhì)的關(guān)系并提取了相關(guān)的運動特征。
　　2.研究了基于卡爾曼濾波的魚群三維跟蹤算法。從傳統(tǒng)二維平面空間中獲取到的魚群行為特征失去了大量真實和有用的信息。擴(kuò)展到三維空間后，可以得到更多更全面的魚群行為特征，如魚在水中的高度，魚的活動量以及魚群的空間分布。本文首先利用平面鏡輔助單目攝像頭的

4、方式進(jìn)行三維視頻數(shù)據(jù)地采集，然后以水中物體成像原理為基礎(chǔ)，結(jié)合了攝像機(jī)成像原理、平面鏡成像原理以及計算機(jī)視覺技術(shù)，推導(dǎo)出了魚目標(biāo)質(zhì)心三維坐標(biāo)的計算公式。最后使用卡爾曼濾波算法對質(zhì)心三維坐標(biāo)進(jìn)行實時的預(yù)測與跟蹤，并提取和分析了魚群的平均游速、平均活動量、平均游動高度和魚群聚散度等典型群行為參數(shù)在水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中的適用情況。
　　3.提出了基于多參數(shù)的魚群行為語義模型。通過將平均活動量、魚群聚散度和平均游動高度等參數(shù)進(jìn)行閾值化，得到各個