利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法

2024-04-05 12:31:05

專利名稱：利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法
技術領域：
本發明涉及水源汙染監測，特別是涉及一種利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法。
背景技術：
在水源水體流域上遊的任何潛在汙染源都可能導致水源水質突發性汙染事故，且這些突發性汙染事故均具有發生時間不可預見、持續時間短、汙染物不確定、汙染物濃度高等特點，有可能在短時間內迅速造成城市水源地內的生態環境的破壞和供水系統的重大損失，並可能進一步觸發更嚴重城市安全問題，處理不當還會造成影響深遠的後遺症。因此， 開展水源地突發汙染事件快速評估與預警方法研究，以及包含快速評估、快速預警、快速響應、應急預案、後評估在內的突發汙染事件應急技術和應急機制研究成為重中之重。而常規的檢測手段根本無法達到以上這些要求。即使採用先進的精密儀器，也由於毒物的種類繁多且檢測方法各不相同等原因而無法快速檢測，且這些檢測一般都是由實驗室裡的設備完成的，進行在線現場監測預警難度更大。至今，我國幾乎沒有規範的、較為科學完善的自動連續監測方法來快速監測預警水源水有毒物質汙染事故。低等水生生物對於汙染的反應靈敏，尤其是敏感生物的行為，生理生化指標可以幫助提早發現汙染，因此可以起到快速判斷水質是否受到汙染，達到及時預警的目的。然而過於低等的生物如水蚤、發光細菌等進行預警時卻由於其過於靈敏，誤報警率高。從運行效果看，其行為背景噪聲大，長時間跨度內的行為波動更進一步降低了這類監測器的可靠性。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供可實現連續採樣，連續監測，自動預警、報警，誤報低的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法。本發明利用斑馬魚具有非常敏銳的嗅覺、味覺、視覺、側線等感覺器官能力，能夠在感受水源受到汙染後，主動離開受汙染區域，遊向未汙染區域，並表現出明顯的行為，該行為可通過CCD攝像頭實時拍攝，本發明採用斑馬魚作為指示生物，結合計算機視覺技術， 通過實時長期監測指示生物的行為變化，獲取指示生物的多項行為參數，通過相關指標的評價分析，可以實現水質突發性汙染的及時預警。本發明的目的通過如下技術方案實現利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法，包括如下步驟(1)將需要監測的原水用泵連續泵入裝有指示生物的監測容器，所述監測裝置包括透明框架、可調燈箱、監測容器、CXD攝像頭、報警裝置和計算機；監測容器設有進水口和出水口，監測容器的前端中心設有透明框架，後端設有可調燈箱，在監測容器前端50-100cm 處設有CCD攝像頭，CCD攝像頭與計算機連接，計算機與報警裝置連接；監測容器內裝有經過馴化的5-8條斑馬魚作為指示魚，斑馬魚體長為2. 7-3cm ；攝像頭對指示生物斑馬魚的行為進行連續拍攝，CXD攝像頭拍攝的圖像傳入計算機，計算機經過圖像提取和分析計算，得到斑馬魚的平均活動速率、平均活動高度、 平均間距及平均轉身次數四個行為參數；(3)將斑馬魚在汙染水質條件下的四個行為參數與沒有汙染水質條件下的四個行為參數進行綜合對比，分別按照提高幅度設定報警閾值；如果斑馬魚的四個行為參數中有不低於三個參數超過預警設置的閾值10-15分鐘，報警裝置就發出黃色報警信號，計算機將預警信息發送至指定對象；如果有出現斑馬魚死亡，報警裝置發出紅色警報信號，計算機將預警信息發送至指定對象。為進一步實現本發明目的，所述報警閾值的設定取斑馬魚在汙染水質條件下行為參數有對比沒有汙染水質的行為參數，在平均活動速率、平均活動高度、平均間距及平均轉身次數四個行為參數值別提高20-50%。所述監測容器為帶有長方形或者正方形空腔的方形結構，在方形結構的左右兩側分別設有進水口和出水口。所述進水口處設魚缸加熱器。所述進水口前端設置過濾裝置。所述報警裝置包括短程報警裝置和/或遠程報警裝置；短程報警裝置採用指示燈，蜂鳴器進行報警；遠程報警裝置包括移動通訊裝置，將信息傳送到指定位置或者制定對象進行遠程報警。相對於現有技術，本發明具有如下優點和有益效果本發明是一種在線生物預警系統，它能夠持續自動進行水環境質量的監測，應用斑馬魚的應激行為變化預警水源水突發性汙染，具有響應速度迅速、靈敏度高、準確率高等特點，是常規監測手段所無法達到的。本裝置可廣泛應用於衛生防疫、環保、自來水公司、水廠等部門對水體的自動連續監測和應急預警等領域。


圖1為本發明監測裝置組成示意圖；圖中示出1-進水口 ；2-出水口 ；3-透明框架；4-可調燈箱；5-監測容器；6-CXD攝像頭；圖2為本發明的工作流程圖；圖3-1、圖3-2和圖3-3為斑馬魚在不同濃度Cr6+暴露下的行為曲線(具體濃度見附圖)，圖中橫坐標為時間，單位為分鐘(min)，縱坐標為各行為指標的強度；圖4-1、圖4-2和圖4-3為斑馬魚在不同濃度Si2+暴露下的行為曲線(具體濃度見附圖)，圖中橫坐標為時間，單位為分鐘(min)，縱坐標為各行為指標的強度。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但是本發明所要保護的的範圍並不局限於實施例表述的範圍。如圖1所示，監測裝置包括透明框架3、可調燈箱4、監測容器5、(XD攝像頭6、報警裝置和計算機；監測容器5設有進水口 1和出水口 2，監測容器5優選為帶有長方形或者正方形空腔的方形結構，並優選在方形結構的左右兩側分別設有進水口 1和出水口 2 ；進水口 1的位置低於出水口 2，進水流量優選為50 60L/h。監測容器5的前端中心設有透明框架3，後端設有可調燈箱4，在監測容器5前端50-100cm處設有CXD攝像頭6，CXD攝像頭6的鏡頭位置直接瞄準監測容器5的透明框架3的中心，攝像頭鏡頭位置高度與檢測區域中心平行，高度優選為20-30cm。CXD攝像頭6與計算機連接，計算機與報警裝置連接。為便於控制水溫，可在進水口 1處設一魚缸加熱器，確保水溫在20°C左右。進水口前端還優選設置一過濾裝置，過濾裝置可選擇沙濾裝置，避免水濁度太高影響監測以及減少裝置的清洗次數。養有斑馬魚的監測容器5材質優選透明玻璃或透明有機玻璃，有效容積優選18L， 進水從進水口 1進水管進入監測裝置，然後經過出水口 2溢流而出。計算機內裝有以計算機圖像技術為基礎的圖像識別軟體，軟體中還內置了常見的數據存儲、分析處理程序和報警程序等。報警裝置包括短程報警裝置和/或遠程報警裝置；短程報警裝置可採用指示燈， 蜂鳴器進行報警；遠程報警裝置採用利用移動通訊裝置將信息傳送到指定位置或者制定對象進行遠程報警。本發明在檢測時，注意事項對斑馬魚的種類、數量和狀態要進行篩選，選擇時注意做到魚的族系同一，生長發育程度接近，體型比較一致、壯實，無特殊病變，遊動行為正常，比較活躍；斑馬魚進入裝置內需要一段時間的適應之後才能開始進行監測。還要注意對斑馬魚進行馴化，斑馬魚的行為數據變化比較大，系統對其進行數據採集以及進行狀態判斷，待斑馬魚狀態穩定之後，方才開始進行正式監測；經過馴化，在正常情況下，無論晝夜斑馬魚的行為曲線相對比較穩定，一旦有毒物流入反應裝置，數據變化明顯。經過對斑馬魚長期的觀察和研究，對健康與非健康的魚的狀態有比較多的了解，建立了一套實驗魚的篩選程序。通過試驗，本發明優先選擇體長約為3cm的斑馬魚5 8條之間的任一個數。測試過程中，進水的流速需要結合實際生產工藝中水源水進廠到水出廠所需的最短時間，以便有時間及時預警並處置，確保受汙染的水不出廠。如圖2所示，利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法，包括如下步驟(1)將需要監測的原水用泵連續泵入裝有指示生物的監測容器，所述監測裝置包括透明框架3、可調燈箱4、監測容器5、CXD攝像頭6、報警裝置和計算機；監測容器5設有進水口 1和出水口 2，監測容器5的前端中心設有透明框架3，後端設有可調燈箱4，在監測容器5前端50-100cm處設有CXD攝像頭6，CXD攝像頭6與計算機連接，計算機與報警裝置連接；監測容器內裝有經過馴化的5-8條斑馬魚作為指示魚，斑馬魚體長為2. 7-3cm ；攝像頭6對指示生物斑馬魚的行為進行連續拍攝，CXD攝像頭拍攝的圖像傳入計算機，計算機經過圖像提取和分析計算，得到斑馬魚的平均活動速率、平均活動高度、平均間距及平均轉身次數四個行為參數；(3)將斑馬魚在汙染水質條件下的四個行為參數與沒有汙染水質條件下的四個行為參數進行綜合對比，分別按照提高幅度設定報警閾值；如果斑馬魚的四個行為參數中有不低於三個參數超過預警設置的閾值10-15分鐘，報警裝置就發出黃色報警信號，計算機將預警信息發送至指定對象；如果有出現斑馬魚死亡，報警裝置發出紅色警報信號，計算機將預警信息發送至指定對象。報警閾值的設定與斑馬魚在不同的汙染水質條件下行為參數有一定的對應關係， 可根據對比沒有汙染水質的行為參數進行設定，一般取平均活動速率、平均活動高度、平均間距及平均轉身次數四個行為參數值別提高20-50%作為閾值。
在長期的試驗中，本發明考察了多種水生生物行為，發明人發現前述的四個參數作為指標非常高的穩定性。發出黃色報警信號，並將預警信息發送至指定對象後，要及時採集樣品進行檢測分析。如果有出現魚死亡，則此時裝置發出紅色警報信號，將預警信息通過計算機(通訊裝置)發送至指定對象；同時要立即停止進水，待險情排除之後再繼續進水。本系統利用自主開發的計算機圖像系統，通過C⑶攝像頭實時拍攝斑馬魚的視頻序列圖像，使用運動目標監測和跟蹤算法獲取斑馬魚的運動軌跡，對跟蹤得到的軌跡進行計算分析，獲得斑馬魚活動度的相關特徵參數和指標，為魚類生物水質檢測和預警提供數據基礎。計算機通過CCD攝像頭採集圖像的頻率優選為12幀/s，注意在背景提取時，排除噪點，同時將斑馬魚的行為進行量化，進行處理後將數據保存。將斑馬魚每分鐘的平均行為參數作為預警的基礎。本發明經過長期試驗，選擇斑馬魚作為指示魚，數量為5-8條，體長為2. 7-3cm之間。斑馬魚數量太多會降低圖像系統採集數據的速度，且會增加數據出錯的機率，而太少則會失去魚群特性，可靠性下降。而體長過大則會由於斑馬魚的相互遮擋引起監測偏差、魚敏感性的不足以及活動量變化幅度過大，過小則由於系統的設備限制而無法對魚進行跟蹤採集數據。實驗例1不同濃度六價鉻暴露下斑馬魚的行為變化，監測裝置如圖1所示，監測容器5有效容積為18L，尺寸為60cmX30cmX10cm，監測範圍為40cmX 27cm，原水進入的流速為50 60L/h。斑馬魚數量為5條，體長為2. 7-3cm之間。為了驗證水體突發性汙染對水生生物的行為指標影響，利用濃度分別為7mg/L、 14mg/L,28mg/L的Cr6+溶液用作被監測水體，受試水生生物為斑馬魚。水質變化監測採用48 小時監測周期。上述水體為曝氣48小時自來水，進水流量為50 60L/h，保持溫度在20°C 左右。在毒液進入監測裝置之前，斑馬魚先進行為期M小時的適應，然後開始通入不同濃度的汙染物水體。監測結果如圖3-1、3-2、3_3所示，圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示各行為指標的平均值。結果表明，在監測周期內，不同濃度六價鉻突發汙染對斑馬魚產生的行為變化影響明顯。在毒物流入的瞬間即可見斑馬魚的行動開始產生突變，斑馬魚會立即快速離開汙染水域，聚集至水質清潔的出水口處，且貼近框架的上擋板處，同時出現的變化由數據可表觀為速度快速持續增加，高度突然增加，距離突然減少，轉身次數突然增加。毒液擴散到整個裝置所花的時間大概是二十五分鐘。當毒物充滿整個裝置之後，斑馬魚在毒液環境中，無法逃離，只能相應地改變自己的身體機能，通過行為等的調節努力使自己適應受汙染的環境，最大程度上減少汙染環境對機體造成的損傷。而在水質穩定條件下，斑馬魚的各行為指標基本保持穩定，未表現異常。水質報警結果在汙染物進入監測裝置0. 5h後系統開始報警，報警結果水體汙染。可見本方法對水質汙染的預警是非常敏感和有效的。實驗例2不同濃度Si2+溶液暴露下斑馬魚的行為變化，監測裝置如圖1所示，監測容器5有效容積為18L，尺寸為60cmX 30cmX 10cm,監測範圍為40cmX 27cm，原水進入的流速為50 60L/h。斑馬魚數量為8條，體長為2. 7-3cm之間。
本例中採用濃度為6mg/L、9mg/L、12mg/L的Si2+溶液進行水體暴露，受試生物為斑馬魚。水質變化監測採用48小時監測周期。上述水體為曝氣48小時自來水，進水流量為 50 60L/h，保持溫度在20°C左右。在毒液進入監測裝置之前，斑馬魚先進行為期M小時的適應，然後開始通入不同濃度的汙染物水體。監測結果如圖4-1、4-2、4_3所示，圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示各行為指標的平均值。結果表明，在監測周期內，不同濃度Si2+突發汙染對斑馬魚產生的行為變化影響明顯。在毒物流入後短時間內即可見斑馬魚的行動開始產生突變，斑馬魚會立即快速離開汙染水域，同時出現的變化由數據可表觀為速度快速持續增加，高度突然減少，距離突然減少，轉身次數突然增加。毒液擴散到整個裝置所花的時間大概是二十五分鐘。當毒物充滿整個裝置之後，斑馬魚在毒液環境中，無法逃離，只能相應地改變自己的身體機能，通過行為等的調節努力使自己適應受汙染的環境，最大程度上減少汙染環境對機體造成的損傷。而在對空白條件下，斑馬魚的各行為指標基本保持穩定，未表現異常。水質報警結果在汙染物進入監測裝置0. 5h後系統開始報警，報警結果水體汙染。出現報警信號後將預警信息通過通訊裝置發送至指定對象，與此同時停止進水，採集樣品進行檢測分析，待險情排除之後再繼續進水。本方法對水質汙染的預警是非常敏感和有效的。
權利要求
1.利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法，其特徵在於包括如下步驟(1)將需要監測的原水用泵連續泵入裝有指示生物的監測容器，所述監測裝置包括透明框架、可調燈箱、監測容器、CXD攝像頭、報警裝置和計算機；監測容器設有進水口和出水口，監測容器的前端中心設有透明框架，後端設有可調燈箱，在監測容器前端50-100cm處設有CCD攝像頭，CCD攝像頭與計算機連接，計算機與報警裝置連接；監測容器內裝有經過馴化的5-8條斑馬魚作為指示魚，斑馬魚體長為2. 7-3cm ；(2)CCD攝像頭對指示生物斑馬魚的行為進行連續拍攝，CCD攝像頭拍攝的圖像傳入計算機，計算機經過圖像提取和分析計算，得到斑馬魚的平均活動速率、平均活動高度、平均間距及平均轉身次數四個行為參數；(3)將斑馬魚在汙染水質條件下的四個行為參數與沒有汙染水質條件下的四個行為參數進行綜合對比，分別按照提高幅度設定報警閾值；如果斑馬魚的四個行為參數中有不低於三個參數超過預警設置的閾值10-15分鐘，報警裝置就發出黃色報警信號，計算機將預警信息發送至指定對象；如果有出現斑馬魚死亡，報警裝置發出紅色警報信號，計算機將預警信息發送至指定對象。
2.根據權利要求1所述的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法， 其特徵在於所述報警閾值的設定取斑馬魚在汙染水質條件下行為參數有對比沒有汙染水質的行為參數，在平均活動速率、平均活動高度、平均間距及平均轉身次數四個行為參數值別提高20-50%。
3.根據權利要求1所述的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法， 其特徵在於所述監測容器為帶有長方形或者正方形空腔的方形結構，在方形結構的左右兩側分別設有進水口和出水口。
4.根據權利要求1所述的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法， 其特徵在於所述進水口處設魚缸加熱器。
5.根據權利要求1所述的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法， 其特徵在於所述進水口前端設置過濾裝置。
6.根據權利要求1所述的利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法， 其特徵在於所述報警裝置包括短程報警裝置和/或遠程報警裝置；短程報警裝置採用指示燈，蜂鳴器進行報警；遠程報警裝置包括移動通訊裝置，將信息傳送到指定位置或者制定對象進行遠程報警。
全文摘要
本發明公開利用水生生物行為圖像提取的水源水突發汙染的預警方法。將待監測的原水用泵連續通過裝有指示生物的監測容器，利用CCD攝像頭對監測容器內的水生生物的行為進行連續自動監測，結合圖像識別系統，用電腦採集並存儲水生生物隨時間的活動狀態數據序列，處理得到水生生物活動狀態平均活動速率，平均活動高度，平均間距，平均轉身次數等相關參數，建立相應資料庫，通過綜合對比水生生物在不同受汙染水質條件下的行為變化數據與空白條件下的行為數據，實現準確實時預警。本發明能實時對採集的數據進行傳輸，存儲，分析處理，並通過通信裝置自動報警，具有響應迅速、靈明度高、實時在線、原位預警的特點。
文檔編號G08B21/12GK102339521SQ20111015923
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者周勤, 蘇彩燕, 蔡展航, 黃東龍 申請人:華南理工大學