基于机器视觉的鱼类行为特征提取与分析

近年来,水污染问题备受关注。生物式水质监测成为目前国家环境保护工作的重要任务之一。为准确监测水质污染情况,本文以青鳉鱼(Oryzias latipes)为研究对象,采用非接触式的机器视觉监测技术,提取青鳉鱼的生理特征(呼吸频率)和运动特征(胸鳍和尾鳍的摆动频率),并分析这些特征与水质之间的关系。本文采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)准确提取鱼鳃,并根据鱼鳃呼吸面积大小变化计算出鱼的呼吸频率。基于形态学细化算法提取青鳉鱼骨架,求出胸鳍和尾鳍的摆动频率。结果显示:不同浓度铜离子暴露实验测得的青鳉鱼生理特征和运动特征与实际情况一致;通过对不同铜离子浓度下的毒性实验数据对比,发现了青鳉鱼的生理特征和运动特征会随不同的铜离子浓度发生相应变化,可以作为水质监测的评价标准。     

锦州湾沉积物中重金属形态特征及其潜在生态风险

用5步提取法分析了锦州湾14个样点沉积物中6种重金属的地球化学形态.结果表明,Cd主要分布在可交换态和碳酸盐结合态; Zn和Pb主要分布于碳酸盐结合态和铁锰氧化态;Cu主要分布在有机硫化物结合态;Cr、Ni主要结合于残渣态中.对Hakanson潜在生态危害指数法作了改进,结合了地球化学形态对生物毒性的影响,得出的生态风险评价结果和次生相与原生相比值法的污染评价结果类似.锦州湾西南角海域生态危害极高,产生生态危害的主要重金属污染物依次为Cd＞Zn＞Pb＞Cu.按风险等级和区域分布将锦州湾划分为4个生态风险功能分区,沿东北方向生态风险随距离增加而减弱.     

运用主成分分析法评价北京市代表性河流的水质与毒性状况

以北京市3条具有不同功能的代表性河流(清河:纳污排洪;京密引水渠:供水水源;小月河:景观用水)作为研究对象,分析测定了33个水质指标,采用内梅罗指数法与大型蚤急性毒性测试法对3条河流的水质与毒性状况进行了评价,同时运用主成分分析法对毒性产生的原因和影响水质的因素进行了初步探讨.结果表明,1)3条河流已受到不同程度的污染,水质和毒性状况均不容乐观.作为纳污排洪的清河大部分采样点水质较差,生物毒性极高;作为景观用水的小月河水质一般,具有一定的生物毒性;作为供水水源的京密引水渠水质一般,但毒性较低.2)水样生物毒性与Cl-、Ca、K、Li、Mn、Na、Cr、Ni等指标有关;内梅罗水质指数与NO2-、Cl-、K、Na、Ni等指标有关.3)某些指标(如NO2-)超标会对水质分级产生较大影响,但对生物毒性贡献不大,而低浓度的重金属,不会对水质分级产生贡献,却会对生物的生理活动产生影响,综合化学指标和毒性指标共同评价水质更为合理.     

锦州湾沉积物中重金属污染的潜在生物毒性风险评价

选择污染严重的锦州湾表层沉积物作为研究对象,运用2套由生物效应数据库法导出的沉积物质量基准(ERL/ERM和TEL/PEL)评价了锦州湾沉积物中重金属的生物毒性风险.同时与地累积指数对重金属污染的评价结果进行了比较.结果表明,潜在生物毒性风险评价和重金属污染评价所反映的结果相一致,可以相互补充和借鉴.基于生态效应数据库法的沉积物质量基准可以有效的评价重金属潜在生物毒性风险.     

新河污灌区土壤中重金属的形态分布和生物有效性研究

通过野外采样调查和实验分析,对北京市新河污灌区土壤中Cu、Pb、Zn、Cd 4种重金属的含量、形态分布和生物有效性进行了研究.首次尝试运用体外消化法研究了土壤中重金属的生物有效性问题,并与经典的Tessier五步连续提取法的结果进行了对比.结果发现,新河污灌区土壤中,Cd的浓度超过国家二级标准,Cu、Pb、Zn的浓度未超标.土壤中Cu、Pb、Zn主要以残渣态存在,Cd主要以有机结合态存在,且Cd的可交换态比例最高,生物有效性也最高.体外消化法分析得到的重金属生物有效性成分的含量要比利用化学形态分析法分析得到的高,但Cu、Pb、Zn、Cd 4种重金属的生物有效性排序是相同的,即Cd＞Zn＞Pb＞Cu.两种方法提取的重金属含量之间有相关关系.     

基于机器视觉的鱼类模式生物在线监测技术方法研究

水污染的防治问题是我国关注的重中之重,现有理化监测方法的实时性和综合性较差,特别是对于一些极端可变化的环境,更需要新的方法以辅助和解决。生物式水质监测方法被提出,通过利用生物对环境污染或变化所产生的反应来直接或间接体现水质的污染情况。然而,观测指标与量化标准是面临的一大难题。文章利用机器视觉的方法,以青鳉鱼为模式生物,并以青鳉鱼的生理特征以及运动特征(呼吸频率、胸鳍摆动频率、摆尾频率)为观测指标,两方面综合评定青鳉鱼应激状态,实时监测与分析。实验结果表明该方法能为生物式水质监测和预警的发展提供一定支持与参考。测得青鳉鱼呼吸频率为3.06 Hz,胸鳍摆动频率为4.83 Hz,尾鳍摆动频率为5.08 Hz,结果与实际指标一致。     

水体中重金属镉和锌对大型蚤联合毒性效应的初步研究

为了初步探讨重金属镉(Cd)和锌(Zn)对水生生物的联合毒性效应,以大型蚤(Daphnia magna)为研究对象,以蚤体内的金属硫蛋白(MT)含量为毒性指标,研究了重金属Cd和Zn对大型蚤的联合毒性作用.结果表明:Cd和Zn单独暴露下,大型蚤体内MT含量随水体中重金属浓度升高而升高,呈幂函数关系;Cd和Zn联合暴露下,蚤体内MT含量随联合浓度的升高呈先上升后下降趋势;在较低浓度时Cd、Zn表现为协同作用,在中等浓度时表现为相加作用,在较高浓度时表现为拮抗作用;MT可作为Cd、Zn联合毒性评价的敏感指标.     

埃洛石负载硫脲及其甲醛捕捉效果

研究了一种新型甲醛捕捉剂的制备方法及其除醛性能,用尿素插层埃洛石纳米管(HNTs),扩大其层间距,提高负载量,并通过真空负载制备埃洛石/尿素/硫脲纳米复合物.同时,将制备的纳米复合物分别在溶液和空气中测试吸附甲醛的效果,并通过紫外分光光度法和4-氨基-3-联氨-5-巯基-1,2,4-三氮杂茂(AHMT)显色法结合RGB取色法测试其对甲醛的吸附效果.结果表明,尿素能插层活化埃洛石纳米管,使其层间距由0.720 nm增加到1.070 nm,从而使硫脲负载量达到27.41%;埃洛石/尿素/硫脲在甲醛水溶液中吸附甲醛的过程符合Freundlich等温吸附模型;纳米复合物在甲醛水溶液中的除醛率可达60%,随着添加量的增加,埃洛石/尿素/硫脲纳米复合物对甲醛的吸附效果逐渐增强.     

一种计量青鳉鱼胸鳍和尾鳍摆动频率和幅值的计算机视觉算法

青鳉鱼在饮用水安全领域具有很高的应用价值,其鱼鳍的活动状态可以反映水质的污染状况。但由于技术条件的限制,传统的方法无法实时而有效地提取到这些特征。针对这个问题,提出了一种可以高效识别并测量青鳉鱼胸、尾鳍摆动频率和幅值的计算机视觉算法。其中,为了快速地提取到这2个细节,自动阈值分割、帧差法、背景差分法、重心法、图像卷积和骨架细化等耗时极短的图像处理方法被应用到这项研究当中。初步试验显示这种算法在应用过程中是高效而可行的。它可以被广泛地应用到水环境监测领域,如研究有毒物质对青鳉鱼行为特性的影响和评估水环境的危险程度。