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基于深度学习的鱼类摄食强度探测与智能投喂系统研究

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基于深度学习的鱼类摄食强度探测与智能投喂系统研究

作者：冯双星广西大学

学位级别：硕士

中国是水产养殖大国,但并不是养殖强国。在养殖过程中,自动化和信息化程度较低,关键的投喂等作业仍以时序控制为主,造成饲料浪费和成本增加。因此,高效、精准的投喂系统尤为重要。前人研究表明,对鱼群摄食强度进行精准的探测,可有助于... 详细信息

中国是水产养殖大国,但并不是养殖强国。在养殖过程中,自动化和信息化程度较低,关键的投喂等作业仍以时序控制为主,造成饲料浪费和成本增加。因此,高效、精准的投喂系统尤为重要。前人研究表明,对鱼群摄食强度进行精准的探测,可有助于实现投料量的精确控制,进而控制饵料成本,提高生产效率。针对以上问题,本研究以工厂化循环水养殖的虹鳟鱼为研究对象,利用深度学习和机器视觉技术,提出了一种实时、高精度、轻量级的3D Res Net-Glo Re鱼群摄食强度探测算法,并开发了基于鱼群摄食强度分级的智能投喂系统,可以有效克服光照度不均、鱼类运动等对图像处理带来的挑战,有助于提高投饵过程中的自动化和智能化水平,具体的研究内容如下:（1）提出了一种实时、高精度、轻量级的3D ResNet-GloRe鱼群摄食强度探测算法,可以有效捕捉由鱼类运动引起的水花、纹理等特征,并以此为据实时探测视频流中鱼群的摄食强度。首先对轻量级Glo Re模块进行3D拓展,将3D Res Net网络中的Residual block修改为3D Glo Re模块,形成3D Res Net-Glo Re网络。3D Glo Re模块通过交互空间中的图卷积实现关系推理,提升了网络的判别精度;同时,在保证精度的前提下对视频进行抽帧处理,降低了模型参数量与计算量,提高了训练和识别的速度。实验结果表明,本算法对四类摄食强度的分类准确率达到92.68%,比经典的3D ResNet算法提高了4.88%。同时Parameters参数下降46.08%,GFLOPs参数下降44.10%,可以每秒预测17次鱼群摄食强度。（2）开发了鱼群摄食强度实时检测系统,研发了基于摄食强度分级的智能投喂系统。结合3D Res Net-Glo Re算法和pyqt5技术,鱼群摄食强度实时检测训练系统实现了模型训练和实时监测鱼群摄食强度的功能。智能投喂系统包括饲料箱、下料装置、抛料装置以及智能调速模块。调速模块进行四段速的程序设置,对下料装置进行调速控制,使下料装置的四档速度对应鱼群摄食强度四种等级。通过实时检测系统对鱼群摄食视频流进行识别,获取鱼群的摄食强度标签,并给予相应的投喂指令,控制智能投喂系统实现准确、实时的分级投喂。最终实现按鱼类需求自动调节投饵速度,达到精细化饲养,降低成本的目的。

关键词：摄食强度 3D ResNet-GloRe 水产养殖深度学习智能投喂

基于多模态融合的鱼类摄食强度分类研究与实现

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基于多模态融合的鱼类摄食强度分类研究与实现

作者：朱文韬扬州大学

学位级别：硕士

在工厂化循环水养殖中,投喂是关键一环,不同饥饿程度的鱼群在投喂期间表现的摄食行为并不相同。主流的投喂方式使用自动投饵机每日定时定量投喂,这种方式没有考虑到鱼群自身的摄食需求,无法根据鱼群的摄食行为自动调节投喂量,会导致饲... 详细信息

在工厂化循环水养殖中,投喂是关键一环,不同饥饿程度的鱼群在投喂期间表现的摄食行为并不相同。主流的投喂方式使用自动投饵机每日定时定量投喂,这种方式没有考虑到鱼群自身的摄食需求,无法根据鱼群的摄食行为自动调节投喂量,会导致饲料的浪费,降低水产养殖的效率。因此实现精准、高效的投喂方式具有重大的现实意义。国内外研究表明,鱼群摄食行为的强弱能反映鱼群的饥饿程度。如何准确识别摄食强度,自动调节投喂量,便成为实现精准投喂的关键。针对上述问题,本研究将工厂化循环水系统养殖的金鳟鱼作为研究对象,利用深度学习算法,融合水质、图像和声音三种模态的信息,提出一种高精度的Fish-MulT鱼群摄食强度识别方法,并基于该方法研究开发了鱼类摄食强度检测系统和智能投喂系统,通过融合不同模态的数据特征,实现对于鱼类摄食强度更加全面准确的把握,大幅提高投喂环节的智能化水平,本文主要的工作内容如下三个方面:(1)本研究通过GoPro运动相机采集了鱼类摄食过程中的视频和音频,使用电化学水质检测探头采集了鱼类摄食过程中水质数据(溶解氧、温度和pH值)的变化。从中选取1293组数据制作鱼类摄食强度数据集,并根据前人经验将数据集划分为“强”、“中”、“弱”和“无”四类。(2)针对单一模态无法捕获全局特征导致识别精度不高的问题,本文提出Fish-MulT算法。在多模态Transformer算法的基础上进行改进,通过捕捉这一系列水质、视觉和声音的特征变化,准确判断鱼类摄食强度。首先,从输入的水质、声音和视觉数据中提取特征向量;其次,利用多模态传输模块(MMTM)对输入的特征向量进行融合,并在融合后的3种模态上添加自适应权重:最后,将MulT算法中各模态分支的跨模态Transformer从2个优化为1个。实验结果表明,与MulT算法相比,本文提出的模型识别鱼群摄食强度的准确率提升了 2%,达到95.36%,模型参数量下降了 38%,训练时间缩短29%。与单独的水质(函数拟合)、声音(GFCC+ResNet)和视觉(SlowFast)方法相比,识别准确率分别提高了 68.56%,21.65%,3.61%。(3)开发了鱼类摄食强度检测系统和智能投喂系统:使用PyQt技术,制作了鱼类摄食强度检测系统。检测系统首先接收水质、视觉和声音信息,然后使用对应的特征提取方法提取数据特征,其次选择识别算法,最后通过该算法输出对应的摄食强度标签。摄食强度检测系统同时包含训练功能,可以针对不同数据集和模型进行训练并将训练好的模型加入到检测系统中。智能投喂系统分为数据采集和识别模块、物联网云平台、数据传输模块(Data Transfer Unit,DTU)和驱动电路四个模块。检测和投喂系统因采用多模态融合的识别方式,能够克服单一模态不稳定,准确率不高的缺点,在某一模态数据模糊或受干扰的情况下可依靠其他模态完成摄食强度的识别,能够为精准投喂提供可靠的技术支持。

关键词：工厂化循环水养殖深度学习多模态融合 MulT 摄食强度

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长江口中华绒螯蟹雌蟹的食性和摄食强度

海洋渔业 2019年第4期41卷 397-407页

作者：徐静静耿智冯广朋庄平吴晓峰黄晓荣沈盎绿王海华中国水产科学研究院东海水产研究所上海200090 上海海洋大学水产与生命学院上海200090 江西省水产科学研究所南昌330039

2017年10月-2018年4月逐月采集长江口生殖洄游期中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)雌蟹,运用胃含物分析法分析雌蟹抱卵前后饵料组成、摄食强度以及营养级,探讨其在长江口抱卵繁殖期间的摄食规律。结果表明:雌蟹摄食率、食物饱满指数、平... 详细信息

2017年10月-2018年4月逐月采集长江口生殖洄游期中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)雌蟹,运用胃含物分析法分析雌蟹抱卵前后饵料组成、摄食强度以及营养级,探讨其在长江口抱卵繁殖期间的摄食规律。结果表明:雌蟹摄食率、食物饱满指数、平均胃饱满度系数等3项指标具有明显的月份变动,抱卵前雌蟹的摄食指标在10-11月份(秋季)最高,12-2月份(冬季)最低;抱卵后雌蟹的摄食指标在12-2月份(冬季)最低,3-4月份(春季)最高。洄游期的雌蟹抱卵前后饵料来源多样,包括水生植物、藻类、甲壳类、多毛类、鱼类、软体动物、棘皮动物、卵、颗粒碎屑等。其中,藻类、颗粒碎屑和甲壳类为抱卵前的主要饵料,出现频率分别为68.13%、54.76%和19.05%;藻类、颗粒碎屑和水生植物为抱卵后的主要饵料,出现频率分别为70.35%、73.91%和25.39%。雌蟹抱卵前后饵料组成存在显著差异(χ^2=21.57,P<0.05),对差异贡献最大的饵料组成是颗粒碎屑(χ^2=8.32)、甲壳类(χ^2=5.49)和水生植物(χ^2=4.02)。雌蟹抱卵前后的营养级分别为3.60和3.10,平均营养级为3.35,属于第三营养级动物。

关键词：长江口中华绒螯蟹饵料组成摄食强度营养级

基于双流残差卷积神经网络的养殖鳗鲡(Anguilla)摄食强度评估研究

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海洋与湖沼 2023年第4期54卷 1207-1216页

作者：李凯江兴龙许志扬林茜集美大学水产学院福建厦门361021 鳗鲡现代产业技术教育部工程研究中心福建厦门361021

为实现对养殖鳗鲡(Anguilla)摄食强度的准确评估,提出了一种基于双流残差卷积神经网络的鳗鲡摄食强度评估方法,该方法针对传统双流网络(Two-stream)中存在的问题做出了相应的改进。首先针对传统双流网络存在网络结构较浅,无法提取到充... 详细信息

为实现对养殖鳗鲡(Anguilla)摄食强度的准确评估,提出了一种基于双流残差卷积神经网络的鳗鲡摄食强度评估方法,该方法针对传统双流网络(Two-stream)中存在的问题做出了相应的改进。首先针对传统双流网络存在网络结构较浅,无法提取到充分的鳗鲡摄食行为特征的问题,选择使用ResNet50网络进行替换,以提取到更具代表性的特征。其次针对传统双流网络最后的分类结果是把空间流和时间流的得分取平均值融合而获得,这种方式较为简单,且其空间流和时间流网络为独立进行训练,容易导致网络出现学习不到鳗鲡摄食行为的时空关联特征的问题,选择使用特征层融合方式对空间流和时间流网络提取获得的特征进行融合,让网络能够并行进行训练,以提取到时空信息间的关联特征。试验结果表明:文内提出的基于双流残差卷积神经网络的鳗鲡摄食强度评估方法准确率达到98.6%,与单通道的空间流和时间流网络相比,准确率分别提升了5.8%和8.5%,与传统的双流网络相比准确率也提升了3.2%。

关键词：鳗鲡摄食强度双流残差卷积神经网络 ResNet50 并行训练特征层融合

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叉尾斗鱼仔鱼饵料选择与摄食强度

生态科学 2013年第5期32卷 546-552页

作者：蒲根毅刘宇航林小涛暨南大学水生生物研究所广州510632 广东省高校水体富营养化与赤潮防治重点实验室广州510632 广东省海洋与水产自然保护区管理总站广州510222

采用实验生态学方法,研究了叉尾斗鱼仔鱼对不同类别饵料的选择及其摄食强度。结果表明,2—3日龄刚开口摄食的仔鱼对桡足类无节幼体有明显正选择,对轮虫表现为明显的负选择,而对枝角类和桡足类则完全不摄食。4—6日龄仔鱼主要以桡足类无... 详细信息

采用实验生态学方法,研究了叉尾斗鱼仔鱼对不同类别饵料的选择及其摄食强度。结果表明,2—3日龄刚开口摄食的仔鱼对桡足类无节幼体有明显正选择,对轮虫表现为明显的负选择,而对枝角类和桡足类则完全不摄食。4—6日龄仔鱼主要以桡足类无节幼体为食物,7—11日龄的仔鱼主要以枝角类为食物,而12—25日龄仔鱼则主要摄食桡足类。仔鱼口宽或全长与摄食饵料个体大小呈线性或曲线正相关。2日龄仔鱼开口摄食发生率达47%,而3日龄以上则保持100%;2日龄仔鱼平均摄食量仅为0.0017 mg,而25日龄仔鱼平均摄食量已达0.3795 mg。最高饱食率出现在25日龄,达到60%,而消化道饱满系数以5日龄最大,达13.13%。但之后消化道饱满系数逐步下降,11—25日龄仔鱼消化道饱满系数在1.46%—2.79%之间波动。

关键词：叉尾斗鱼仔鱼饵料选择摄食强度

长江口中华绒螯蟹雌蟹洄游期的食性和摄食强度

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长江口中华绒螯蟹雌蟹洄游期的食性和摄食强度

热带太平洋中东部大眼金枪鱼摄食强度的时空变化

2018年中国水产学会学术年会

作者：徐静静耿智冯广朋庄平吴晓峰黄晓荣王海华上海海洋大学水产与生命学院中国水产科学研究院东海水产研究所江西省水产科学研究院

2017年10月-2018年4月逐月采集长江口生殖洄游期中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)雌蟹,运用胃含物分析法分析雌蟹抱卵前后饵料组成和摄食强度,探讨其在长江口抱卵繁殖期间的摄食规律。结果表明:雌蟹摄食率、食物饱满指数、平均充塞度等3... 详细信息

2017年10月-2018年4月逐月采集长江口生殖洄游期中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)雌蟹,运用胃含物分析法分析雌蟹抱卵前后饵料组成和摄食强度,探讨其在长江口抱卵繁殖期间的摄食规律。结果表明:雌蟹摄食率、食物饱满指数、平均充塞度等3项指标具有明显的月份变动,抱卵前雌蟹的摄食指标在9～11月份(秋季)最高,12～2月份(冬季)最低。抱卵后雌蟹的摄食指标在12～2月份(冬季)最低,3～4月份(春季)最高。处于洄游期的雌蟹抱卵前后饵料来源多样,包括水生植物、藻类、甲壳类、多毛类、鱼类、软体动物、棘皮动物、卵、颗粒碎屑等,属杂食性水生动物。其中,藻类、颗粒碎屑和甲壳类为抱卵前的主要饵料,出现频率分别为68.13%、54.76%和19.05%;藻类、颗粒碎屑和水生植物为抱卵后的主要饵料,出现频率分别为70.35%、73.91%和25.39%。雌蟹抱卵前后饵料组成上存在显著差异(χ=21.57, P<0.05)。

关键词：长江口雌蟹食性摄食强度

来源： cnki会议评论

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大连海洋大学学报 2011年第1期26卷 68-73页

作者：朱国平刘维戴小杰许柳雄大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室上海海洋大学上海201306 上海市高校大洋生物资源开发和利用重点实验室上海海洋大学海洋科学学院上海201306 海南省水产研究所海南海口571400

根据中国金枪鱼渔业观察员项目于2006年2—11月在东太平洋水域作业的中国金枪鱼延绳钓渔船上收集的数据,对大眼金枪鱼Thunnus obseus摄食强度的时空变化进行了分析。结果表明:小个体大眼金枪鱼的摄食强度较大个体大眼金枪鱼的高,叉长小... 详细信息

根据中国金枪鱼渔业观察员项目于2006年2—11月在东太平洋水域作业的中国金枪鱼延绳钓渔船上收集的数据,对大眼金枪鱼Thunnus obseus摄食强度的时空变化进行了分析。结果表明:小个体大眼金枪鱼的摄食强度较大个体大眼金枪鱼的高,叉长小于140 cm的大眼金枪鱼的摄食强度相对较大;3—4月大眼金枪鱼的摄食强度较小,5—11月大眼金枪鱼的摄食强度相对较大;3月大眼金枪鱼的空胃率相对较高,5—11月大眼金枪鱼空胃率均低于15%;200～350 m水层中大眼金枪鱼的摄食活动非常活跃。各月份(χ2=227.95,P摄食强度均存在显著性差异,且不同水层(χ2=178.50,P摄食强度也存在显著性差异。

关键词：大眼金枪鱼摄食强度东太平洋

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光照、体长对强壮箭虫摄食强度和日粮的影响

海洋湖沼通报 2009年第1期 155-161页

作者：刘青刘芳朱海燕胡浩大连水产学院辽宁省省级高校水生生物学重点实验室辽宁大连116023

在不同光照强度、光周期、光质下对强壮箭虫的摄食强度和日粮进行了研究。结果表明:光照强度、光周期和光质对强壮箭虫的摄食率均有极显著的影响。其中,光照强度与强壮箭虫摄食率的关系式为:Y=-5×10-7X2+0.0026X+1.0043。光强在2800lx... 详细信息

在不同光照强度、光周期、光质下对强壮箭虫的摄食强度和日粮进行了研究。结果表明:光照强度、光周期和光质对强壮箭虫的摄食率均有极显著的影响。其中,光照强度与强壮箭虫摄食率的关系式为:Y=-5×10-7X2+0.0026X+1.0043。光强在2800lx时蒙古裸腹溞的摄食强度最高,为4.4 ind.d-1。光周期L∶D为12∶12时强壮箭虫对蒙古裸腹溞的摄食强度最高。在蓝光下强壮箭虫对蒙古裸腹溞的摄食强度和日粮均高于绿光组和黄光组。实验范围内,强壮箭虫的摄食强度与体长成正比,而日粮与体长成反比。

关键词：强壮箭虫光照强度光周期光质体长摄食强度日粮

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光照对蒙古裸腹溞摄食强度的影响

生态学报 2005年第2期25卷 210-214页

作者：赵文郭莉徐宪仲何志辉大连水产学院生命科学与技术学院大连116023

利用细胞计数法对不同光照强度、光谱成分、光周期对蒙古裸腹摄食强度的影响进行了研究。结果表明 :光强在 70 0 0 lx时蒙古裸腹对小球藻的摄食强度最高 ,成的滤水率和摄食率分别为 0 .5 2 8± 0 .0 0 9ml/ (ind· h)和 1.113± 0... 详细信息

利用细胞计数法对不同光照强度、光谱成分、光周期对蒙古裸腹摄食强度的影响进行了研究。结果表明 :光强在 70 0 0 lx时蒙古裸腹对小球藻的摄食强度最高 ,成的滤水率和摄食率分别为 0 .5 2 8± 0 .0 0 9ml/ (ind· h)和 1.113± 0 .0 15μg C/ (ind· h) ,幼的滤水率分别为 0 .4 95± 0 .0 14 ml/ (ind· h)和 1.0 5 1± 0 .0 0 8μg C/ (ind· h)。在蓝光下蒙古裸腹对小球藻的摄食强度明显高于绿光组。光周期 L∶ D为 12∶ 12时蒙古裸腹对小球藻的摄食强度最高 ,成和幼的滤水率分别为0 .4 6 1和 0 .35 5 ml/ (ind· h) ,摄食率分别为 1.2 4 2和 1.0 0 5μg C/ (ind· h) ,而在 L∶ D为 0 :2 4时摄食强度最差 ,成和幼的滤水率分别为 0 .0 70和 0 .0 5 0 ml/ (ind· h)。在自然光照下 ,蒙古裸腹对小球藻的摄食强度在 7∶ 0 0～ 11:0 0和 15 :0 0～ 19:0

关键词：蒙古裸腹溞光照强度光谱组成光照周期摄食强度