本發明涉及水產養殖設施，尤其是一種能夠有效監測底棲水下爬行動物活動的裝置，具體的說是一種監測水下底棲動物的裝置。
本發明還包括使用所述監測水下底棲動物的裝置進行監測的方法。
背景技術：
在河蟹或龍蝦等水下底棲動物的養殖過程中，養殖場為了節約飼料，需要觀測一定攝食范圍內的水下動物進食、活動及餌料殘留情況。尤其是為了能較準確的確定餌料撒布量和區域、動物生長大小和快慢、環境對動物活動的影響情況，需要估算動物大小及數量目前市場上已有的水下攝像探魚器、聲波水下探魚器等產品基本都是定性觀測設備，難以滿足養殖過程的需要。
技術實現要素：
本發明的目的是目前在河蟹或龍蝦等水產養殖過程中遇到的問題，提供一種監測水下底棲動物的裝置及方法，能夠通過遠程控制攝像頭和光源的方法，結合圖像識別，計算水下動物數量、密度、生長速率等，為養殖戶精確投料、防治疫病、選擇上市時機等提供技術依據，增加養殖經濟效益。
本發明的技術方案是：
一種監測水下底棲動物的裝置，包括支撐架、橫桿和探測裝置；所述支撐架為直桿狀，其上端安裝控制盒，下端能夠插入并穩固在水體底部；所述橫桿的末端與設于所述控制盒內的第一電機相連，能夠在該第一電機的驅動下圍繞所述支撐架作圓周運動；所述探測裝置通過升降繩繞過所述橫桿的前端后連接到設有所述控制盒內的第二電機，使其能夠在所述第二電機的驅動下上下移動；所述探測裝置包括半球形透明罩殼，內部設置攝像頭和輔助光源；所述第一電機、第二電機、攝像頭和輔助光源均與設于所述控制盒內的控制主板相連，并受其控制。
進一步的，所述橫桿為可伸縮式，前端設有滑輪，并使所述升降繩跨繞在該滑輪上，便于其移動。
進一步的，所述攝像頭為高分辨率廣角攝像頭，觀測范圍為30°～120°；該攝像頭四周用密封圈或密封膠進行密封防水。
進一步的，所述輔助光源包括多個發光燈；該發光燈沿所述罩殼均勻布置，且圍繞所述攝像頭；該發光燈為白色燈或紅外補光燈；每個發光燈分別通過開關連接到所述控制主板，使每個發光燈能夠單獨受控。
進一步的，所述探測裝置中還設有第一水深探測儀，能夠感測所述探測裝置攝像頭所處的深度。
進一步的，還包括懸吊在所述控制盒上，并與所述控制主板相連的第二水深探測儀，能夠放置于水體底部而感測水體的總深度。
進一步的，所述控制主板還連接路由器，能夠通過Internet連接到服務器，便于遠程操控。
一種使用上述裝置監測水下底棲動物的方法，包括以下步驟：
1)將橫桿調節至適宜長度，確定觀察點；
2)操控探測裝置上下移動至適宜高度，獲取清晰圖像；
3)獲取鏡頭內所監測生物的數量，以及水深和攝像頭所處深度；
4)改變觀測點，重復上述步驟2)和3)，并對各類數據取平均值；
5)使用步驟4)中的平均值，按以下公式計算：
觀測視野面積S視＝π×H2×TAN2(θ/2/180)；
觀測視野動物密度ρ＝m/S視；
水下動物平均密度
水下動物總數量M＝ρS塘；
水下動物平均規格，即平均長度
其中：S視為觀測視野面積，H為攝像頭到底泥距離，θ為廣角攝像頭視角，mi為所選的有代表性的視野內的目標底棲動物的數量，S塘為池塘面積，M為池塘目標底棲動物的總數量，L為水下動物平均規格，li為所選的有代表性的水下動物的影像長度，Lr、Lp為與觀測同等距離的水下標尺標稱長度和視頻長度，η＝Lr/Lp；n為監測點位數。
進一步的，所述步驟4)中通過旋轉所述橫桿而選取n≥20個不同的點位。
本發明的有益效果：
1.獲得定量指標，增加養殖的科學性。該水下監測裝置，在常規視頻觀測的基礎上，結合圖像識別技術和視野面積計算，獲得水下動物數量、密度、生長速率等定量數據，為養殖戶精確投料、防治疫病、選擇上市時機等提供技術幫助。
2.基本解決渾水塘無法辨認問題。根據水質情況，通過調節光照強度和離水體底部距離，增加圖像清晰度。養殖前期水質清亮，可提升攝像頭，得到大面積河蟹活動圖像。養殖后期塘口渾濁，打開所有補光燈且靠近塘底，才能觀測河蟹快速爬行。
3.實現遠程監控，減少巡塘時間，節省人力。養殖戶一個養殖周期，專人在塘口吃住，總計時間5、6個月，非常辛苦。本裝置通過網絡連上手機后，無論刮風下雨、炎熱天氣、白天夜里，都可實現遠程直接觀測，大大節約了人手和時間。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
其中：1-支撐架；2-控制盒；3-橫桿；4-升降繩；5-探測裝置；6-發光燈；7-攝像頭；8-第二水深探測儀；9-連接線。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示。
一種監測水下底棲動物的裝置，包括支撐架1、橫桿2和探測裝置5。所述支撐架1為直桿狀，其上端安裝控制盒2，下端可以為尖角狀，使其能夠方便的插入并穩固在水體底部。
所述橫桿3橫置于所述支撐架1的上方，其末端與設于所述控制盒2內的第一電機相連，能夠在該第一電機的驅動下圍繞所述支撐架1作圓周運動。所述橫桿3為可伸縮式，例如可以由多節具滑槽的短桿拼接而成。每節短桿的滑槽內設有定位孔和定位彈珠，能夠通過拉伸各短桿而改變所述橫桿3的長度。所述橫桿3的前端設有滑輪。
所述探測裝置5通過升降繩4繞過所述橫桿3前端的滑輪后連接到設有所述控制盒2內的第二電機，使其能夠在所述第二電機的驅動下上下移動，進而改變觀測視野的大小。所述探測裝置5包括半球形透明罩殼，內部設置攝像頭7和輔助光源。該攝像頭7可以是高分辨率廣角攝像頭，觀測范圍為30°～120°。同時，該攝像頭7四周用密封圈或密封膠進行密封防水。所述輔助光源包括多個發光燈6。該發光燈6沿所述罩殼均勻布置，且圍繞所述攝像頭7排列成多圈環形。所述發光燈6可以為白色燈或紅外補光燈。所述探測裝置中還設有第一水深探測儀，能夠感測所述探測裝置的攝像頭所處的深度。優選的，該第一水深探測儀可以是拉繩型位移傳感器，測距誤差小于0.25％。
所述第一電機和第二電機均為微型減速電機，使運轉靈活而穩定。
所述控制盒2上還通過連接線9懸吊安裝一個在第二水深探測儀8，可以放置于水體底部而感測水體的總深度。該第二水深探測儀8可以選用液位變送器，其測距誤差小于0.3cm。
所述第一電機、第二電機、攝像頭7、輔助光源、第一水深探測儀和第二水深探測儀8均與設于所述控制盒2內的控制主板相連，以便對上述設備進行控制。而且，所述輔助光源上的每個發光燈6分別通過一個開關連接到所述控制主板，使每個發光燈能夠單獨受控，便于調節光源的強度和方向。所述控制主板可以選用YK_V1.0或USR-R16-T。進一步的，所述控制主板還連接路由器，能夠通過Internet連接到服務器，便于遠程操控。
一種使用上述裝置監測水下底棲動物的方法，包括以下步驟：
1)將橫桿調節至適宜長度，確定觀察點；
2)操控探測裝置上下移動至適宜高度，獲取清晰圖像；
3)獲取鏡頭內所監測生物的數量，以及水深和攝像頭所處深度；
4)改變觀測點，重復上述步驟2)和3)，并對各類數據取平均值；
5)使用步驟4)中的平均值，按以下公式計算：
觀測視野面積S視＝π×H2×TAN2(θ/2/180)；
觀測視野動物密度ρ＝m/S視；
水下動物平均密度
水下動物總數量M＝ρS塘；
水下動物平均規格，即平均長度
其中：S視為觀測視野面積，單位：m2；H為攝像頭到底泥距離，單位：m；θ為廣角攝像頭視角，單位：゜；ρ為觀測視野動物密度，單位：只/m2；mi為所選的有代表性的視野內的目標底棲動物的數量，單位：/只；S塘為池塘面積，單位：m2；M為池塘目標底棲動物的總數量，單位：/只；L為水下動物平均規格，即平均長度，單位：cm，li為所選的有代表性的水下動物的影像長度，單位：cm，η為刻度系數，η＝Lr/Lp，Lr、Lp為與觀測同等距離的水下標尺標稱長度和視頻長度，單位：cm；n為監測點位數。
進一步的，所述步驟4)中通過旋轉所述橫桿而選取n≥20個不同的點位。
實施例1：
一種水下底棲動物的監測裝置，其發光燈為紅外補光燈HL-IR6/12(距離60米，10W)；第二水深測距儀選用液位變送器MIK-P260(24V,量程3米，0.3，0.5級)；第一水深測距儀可選YK62系列(行程0-2159mm)的拉繩式微型位移傳感器，誤差小于0.25％。
視頻遠程觀測記錄系統：由OV9712和HI3518芯片設計的網絡廣角攝像頭采集的圖像數據(12v，100萬像素)，經以太網接口方式連接4G路由器，4G路由器再經INTERNET傳輸至服務器，手機客戶端通過Internet連接服務器，由VICAM手機軟件APP實時觀測或記錄視頻圖像。
遠程控制系統：PC或手機客戶端由IE瀏覽器通過INTENENT連接訪問服務器，發送指令至已在線的YK_V1.0或USR-R16-T控制主板，驅動安裝在控制箱中的XD-37GB555減速電機(12V)，帶動橫桿轉動，或實現攝像頭的升降。
實施例2
監測河蟹養殖密度估算
1.配置：支撐架桿長250cm，橫桿長100cm，控制箱內置兩臺XD-37GB555/12V減速電機、YK_V1.0控制主板、4G路由器、蓄電池等元器件；網絡數字攝像頭(12v，100萬像素)、紅外補光燈HL-IR12(內圈6個，外圈6個)；水深測距儀為液位變送器MIK-P260。
2.使用方法：先拉出滑槽，將橫桿調至80cm后固定調節孔。手機客戶端由IE瀏覽器通過INTENENT連接訪問服務器，發送指令至已在線的控制主板，驅動第二電機以實現網絡攝像頭在水下升降；再打開紅外補光燈開關，調整光照強度，直至獲得滿意的河蟹視頻圖像，才開始拍攝和記錄。圖像數據經網絡傳輸發送至主機，同時從水深測距儀和拉線測距儀獲得的即刻距離數據通過控制主板也發送至主機。
3.測試與計算：
由于養殖塘底面有塘溝，為獲得準確結果，在長100×100m2養殖塘中，按照輻射狀，從東南西北中五個方位，選取20個有代表性的位點，進行測試。
本試驗塘口水質中等，大約在網絡攝像頭降到水面下100cm附近，網絡攝像頭觀測到清晰的河蟹活動圖像。視野內河蟹數量少，圖像清晰，直接采用人工計數。
結果如下表：
計算過程：
以東1為例：
水深150cm,拉線測距儀測得網絡攝像頭降到水面96cm，故攝像頭到底泥距離H＝150-96＝54cm,廣角攝像頭視角θ＝120゜，則：
觀測視野面積S視＝π×H2×TAN2(θ/2)＝3.14*0.542*TAN2(120/2/180)＝2.75m2；
觀測視野動物密度ρ＝m/S視＝6/2.75＝2.18只/m2
該養殖塘河蟹估算：
養殖塘實測面積S塘＝100×100m2＝10000m2,
該養殖塘河蟹平均密度
該養殖塘河蟹總數M＝ρS塘＝2.23*10000＝22300只
4.結果判定：該池塘5月份放養河蟹，總數25000只，到9月底由于夏季高溫，水面可見死蟹，加上有些病蟹和爭搶餌料殘殺，現在總數量估計在23000只左右，符合預估結果。
實施例3
監測河蟹生長情況
1.配置：支撐架桿長230cm cm，橫桿長120cm cm，控制箱內置兩臺DS-37RS 555/12V減速電機,USR-R16-T控制主板、4G路由器、蓄電池等元器件；網絡數字攝像頭((12v，200萬像素)、紅外補光燈HL-IR12(內圈4個，外圈8個)；水深測距儀為液位變送器MIK-P260。
2.使用方法：先拉出滑槽，將橫桿調至100cm后固定調節孔。手機客戶端由IE瀏覽器通過INTENENT連接訪問服務器，發送指令至已在線的控制主板，驅動第二電機以實現網絡攝像頭在水下升降；再打開紅外補光燈開關，調整光照強度，直至獲得滿意的河蟹視頻圖像，才開始拍攝和記錄。圖像數據經網絡傳輸發送至主機，同時從水深測距儀和拉線測距儀獲得的即刻距離數據通過控制主板也發送至服務器。
3.測試與計算：
養殖后期，塘口水質較差，大約在網絡攝像頭降到水面下130cm附近，這時廣角攝像頭視角θ為30°，可以觀測到清晰的河蟹活動圖像。視野內河蟹數量少，圖像清晰，直接采用人工計數。
先在擬觀測區域內的塘底沉下一帶有標準刻度的標尺，用手機或電腦，最好是電腦觀測河蟹視頻圖像，并用刻度尺或電腦標尺量取視頻長度，計算刻度系數η，η＝Lr/Lp，得到:
Lr＝5cm,Lp＝2cm,η＝5/2＝2.5
接著連續或間隔測試經過此攝像頭之下的河蟹視頻長度，不少于20次。
河蟹視頻平均長度2.17cm，故河蟹平均規格，即平均長度
4.結果判定：從池塘中撈取10只河蟹樣品測定身長，得到平均長度L＝5.6cm，與本裝置估算結果接近。
實施例4
監測河蟹投料誘食情況
1.配置：支撐架桿長250cm cm，橫桿長120cm cm，控制箱內置兩臺XD-37GB555/12V減速電機、YK_V1.0控制主板、4G路由器、蓄電池等元器件；網絡數字攝像頭(12v，300萬像素)、紅外補光燈HL-IR12(內圈3個，外圈9個)；水深測距儀為液位變送器MIK-P260。
2.使用方法：先拉出滑槽，將橫桿調至120cm后固定調節孔。手機客戶端由IE瀏覽器通過INTENENT連接訪問服務器，發送指令至已在線的控制主板，驅動第二電機以實現網絡攝像頭在水下升降；再打開紅外補光燈開關，調整光照強度，直至獲得滿意的河蟹視頻圖像，才開始拍攝和記錄。圖像數據經網絡傳輸發送至主機，同時從水深測距儀和拉線測距儀獲得的即刻距離數據通過控制主板也發送至主機。
3.測試與計算：
養殖中期，需要加大投料，當網絡攝像頭大約降到水面下90cm附近，可觀測到河蟹追食現象。為獲得準確結果，以橫臂120cm為半徑，啟動第一電機，每次旋轉20°，共選取9個位點，在180°范圍內掃描測量
結果如下：
計算過程：
以20°為例：
水深180cm,拉線測距儀測得網絡攝像頭降到水面115cm，故攝像頭到底泥距離H＝180-115＝65cm,廣角攝像頭視角θ＝90゜，則：
觀測視野面積S視＝π×H2×TAN2(θ/2)＝3.14*0.652*TAN2(90/2/180)＝1.33m2；
觀測視野動物密度ρ＝m/S視＝12/1.33＝9.05只/m2
觀測區域河蟹平均密度
4.結果判定：當投入餌料后，所觀測區域河蟹密度是平時的9.12/2.19＝4.2倍，說明餌料投入誘食的效果明顯。反之，如果跟蹤餌料投入后的爭食現象，當投料不當或過剩，可能會得到相反結果。
本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。