2020年09月30日
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水下的視界:智慧養殖再進擊 「水下感測技術」成產業優化一大助力

文、圖片提供/農委會水產試驗所企劃資訊組 王郁峻、林志遠

海洋科技包括海域觀測探測科技、海洋資源與海洋資訊網及資料庫建置、海洋防災科技、海洋生物學、水下技術等,其中水下技術是關鍵技術之一。水產試驗所利用水下攝影機,可即時分析水下養殖魚群影像,並研發水下聲學的感測技術,以協助養殖戶及時掌握養殖魚群的數量與大小的變化,提升養殖經營管理效益。

人類可用五官去感覺,包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸(壓)覺,而感測元件利用物理或化學特性也可以偵測類似的感覺,甚至可偵測到人體無法準確感知的部分,例如重力、地磁場等,而前述的感測儀器通常於陸域使用,至於水域環境,因為處於「水」的介質中,所以需要克服探測儀器能作用於「水」的難度,並需考量水壓、水下無線通訊不易等因素,使得水下感測較陸域探測不易。

水下感測技術在水產養殖魚群數量的估測上亦面對同樣的問題,特別是放養魚群的數量會受到自然損耗等因素影響,養殖魚塭中的魚群數量、魚隻大小或是活動力,可能隨著魚群放養至魚塭的時序推移而難以掌握,致使養殖戶常常需要等收獲時才能計算出實際的數目,或多或少對養殖經營管理造成困擾。

水產試驗所於2017年起執行行政院農業委員會「智慧農業」計畫,利用水下攝影機錄製水下影像,經由機器即時分析水下養殖魚群影像,並嘗試研發水下感測技術以協助養殖戶及時掌握養殖魚群的數量與大小的變化,提升養殖經營管理效益。

水中生物活動力辨識技術

科技日新月異,數位化影像、人工智慧的進步與高速的4G網路,高畫質影像分析技術已日趨成熟,並逐步擴展至水產養殖的應用。養殖魚類的活動力在水產養殖過程中為一重要的指標,活動力下降、魚群反應遲鈍可能代表寄生蟲或病菌感染、水質不佳、溫度過低,進一步反映出食慾降低、攝食量減少等行為,因而隨時掌握餵食過程中魚群的活動力資訊,有利於養殖戶及時針對魚的行為採取應變措施。

水下活動力辨識系統平台。

水試所與工業技術研究院合作,針對室內養殖的石斑魚開發智慧水中生物活動力辨識系統,運用水中高解析鏡頭影像拍攝魚群活動力畫面,以活動式的水中取像平台,開發出一套活動力與視覺監控模組;並針對水產養殖的特性,拍攝水中魚群活動狀況,應用機器視覺和自動化連續性影像的處理技術,將影像記錄於電腦,完成自動化分析,計算在水下的養殖魚群平均活動力。

此視覺監控魚群活動力的分析技術,是將魚體俯視影像經過一連串的處理,並區分重複出現的魚隻影像,再運用轉換數據計算處理,即可得到養殖池中魚群活動力狀態。

水中生物體長影像辨識技術

水中生物體長以水下攝影機拍攝水中影像連續即時量測,該系統以水下攝影機、照明光源、可調式支架與強化影像底板為基礎組合,可依空間配置多組量測機構,照明光源以白光或自然光為主,可調式支架便於組裝拆卸,並可依照實際應用場域調整量測位置與高度。

水中生物體長辨識演算法利用機器學習技術,辨識流程為:首先於鏡頭可視範圍內自動辨識出完整魚體,並藉由追蹤技術避免重複取樣,以利於將目標物(魚隻)分割出來,接著標示出魚的外型輪廓,進而量測頭尾間的魚體長度並轉為公分,在魚不離水的情況下探知魚體長,並可依該魚種的體長換算出體重,提供投餌量或是換料的參考依據。

不同體長魚隻辨識結果。

體長辨識架構。

水下聲學應用於養殖魚數量計數與魚體長估算

水下聲學大多應用聲納系統的探測以及接收資料的分析處理來探知魚群,現階段市售的魚群探測儀器大多應用於開放水域尺度較大的水文環境,如漁撈業或觀光漁業。經測試,市售魚探機在養殖魚池的魚群探測,其限制條件多,例如:環境水深、聲波能量等,常無法獲得有效探測結果,因此水試所針對養殖魚池環境開發專用的聲學設備探知魚群。

聲音須藉介質傳播,不同的介質傳播速率不同,一般在固體中傳播速率較快, 其次是液體,在氣體中則較慢,且聲波有反射、繞射、折射的特性。聲波頻率若超出人耳可察覺範圍,則稱為「超聲波」或「超音波」。由於電磁波在水中的傳播距離較受限制,因此水下感測常採用聲波或超聲波。聲納,如導航聲納、側掃聲納、測深聲納、多音束測深聲納、超音波造影系統等,就是在水下感測常用的工具,用於目標物偵測、海底地形測繪、目標物距離偵測等。若要提升影像解析度,高頻聲納比較適合,但要加大聲波傳播距離,則以低頻率者較適合。

水試所與中山大學合作,以自行開發的水下聲納系統搭配訊號處理技術,透過聲學資料的解析達到探測養殖魚池內魚群總數以及體長分布的目標。有別於傳統魚群探測的反射回波演算,魚體長探測是利用聲學訊號在接觸到魚群之後的反射及散射訊號所產生的共振效應,達成分析魚群數量及大小的目標,初步實驗已可成功用於養殖魚塭探知魚體長及數量。

打造臺灣成為智慧養殖王國

依據聯合國糧農組織的報告,2014年起養殖漁業供給人類直接食用數量已超過捕撈漁業且持續快速生長,臺灣有水產養殖王國美名,但隨著養殖病害、其他周邊國家的競爭、氣候變遷所導致的環境變因,以及農業勞動力老化、臺灣養殖成本逐年提高等因素,導致近年來臺灣養殖業國際競爭力衰退。幸而隨著世界各國之大數據、物聯網、AI影像技術蓬勃發展,推動智慧養殖技術研發已成為主流,因而將臺灣先進科技導入水產養殖產業,將可突破現有養殖瓶頸。

水下監測技術有利於箱網養殖管理。

本文轉載自402期《漁業推廣》月刊,原文標題〈我國水下感測技術於水產養殖應用現況〉

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