Подводные камеры и машинное обучение: новый способ изучения зоопланктона в озерах
Красноярские ученые разработали новый метод оценки состояния зоопланктона в озерах с помощью подводной видеосъемки и машинного обучения. Испытания в хакасских соленых озерах показали, что система на основе экшн-камер позволяет точно различать живых и погибших рачков, открывая новые возможности для мониторинга водных экосистем. Результаты исследования опубликованы в Журнале СФУ. Биология.
Исследования зоопланктона, ключевого компонента водных экосистем, важны для понимания процессов, происходящих в водоемах, например, таких как круговорот углерода. Одним из показателей здоровья водоема является смертность зоопланктона. Высокая доля мертвых рачков в пробах указывает на неблагоприятные условия: загрязнение, плохие трофические условия или стресс, вызванный токсичными веществами. Однако подсчет погибших особей зоопланктона — задача не из легких. Традиционный метод лова планктона сетью и его окрашивания красителем требует ручной обработки проб, значительных временных затрат, а также квалифицированных специалистов.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН предложили оценивать обилие планктона в озерах при помощи подводной видеосъемки и последующего подсчета по записям живых и мертвых особей при помощи машинного обучения. Они испытали разработанную систему подводной съемки в шести соленых озерах Юга Сибири и оценили перспективы ее использования для изучения естественной смертности зоопланктона.
Погружная система использует экшн-камеры, которые снимают видео под водой в проточной камере. На видео ученые могут различить живых и мертвых рачков по их активности. В будущем специалисты планируют использовать машинное обучение для автоматизации процесса подсчета. Результаты показали, что в исследованных озерах в составе зоопланктона в среднем около 5% рачков мертвые. Эти данные соответствуют общепринятым значениям для солоноватых и пресноводных экосистем. Низкая и стабильная доля мертвых особей свидетельствует о том, что в период наблюдений популяции зоопланктона не подвергались значительному стрессу.
Специалисты сравнили предложенный метод с традиционным ловом планктонной сетью и окрашиванием рачков красителем. Результаты, полученные этими методами, были близкими.
«Подводная видеосъемка может стать эффективным методом изучения естественной смертности зоопланктона. Обычно мы рассчитываем смертность зоопланктона, измеряя соотношение живых и мёртвых организмов в разных слоях воды и скорость их погружения с помощью специальных ловушек, установленных в озеро. Подводная видеосъемка может решить некоторые проблемы, связанные с анализом вертикального распределения живых и погибших организмов в толще воды и определением скорости погружения и точнее отслеживать эти процессы. В настоящее время прототип проточной видеосистемы хорошо справляется с анализом живого зоопланктона. Однако мертвый зоопланктон имел низкие концентрации в исследуемых озерах и редко попадал в проточную камеру. Тем не менее видеосистема позволила провести комплексную оценку численности мертвого зоопланктона во всей толще воды. Следующим шагом в улучшении процедуры станет модификация видеосистемы для изучения объектов с низкой концентрацией и использования методов машинного обучения для автоматизации классификации, обработки и анализа видеоданных», — отметил кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биофизики СО РАН Александр Толомеев.
Разработка подводной видеосистемы для анализа зоопланктона выполнялась при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 23-24-00270).
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Разместила: Наталья Сафронова