自然水体中超声波标记鱼游动轨迹精密确定算法

第35卷第3期农业工程学报V ol.35 No.3 182 2019年2月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2019

侯轶1,2，邹璇1,3，姜伟1※，陈亮4，朱佳志1

（1. 三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室，中国三峡集团中华鲟研究所，宜昌443100；

2. 水利部中国科学院水工程生态研究所，武汉430079；

3. 武汉大学卫星导航定位技术研究中心，武汉430079；

4. 千寻位置网络有限公司，上海200438）

摘要：针对鱼类关键生境位置确定的应用需求，该文提出了一套适用于自然水体的超声波标记鱼定位算法，解决了标记鱼定位以及存在粗差观测值，即水听器记录的超声波信号接收时间存在错误情况下算法的抗干扰性。宜昌黄柏河的实测结果表明，基于现有1 ms级精度的水听器，可在自然水体中获得2.15 m精度的信号标记鱼三维游动轨迹。如因气泡、遮挡等因素对水听器观测数据引入粗差，当粗差量级在10 m以上，该方法可接近100%探测出是否存在粗差。当粗差观测值在3个以内时，该方法的探测成功率可

达84.3%以上，3个以上时粗差探测成功率明显下降，5个及以上，即粗差观测值个数占观测值总数的比例大于31.25%时，基本只能探测出观测数据中存在粗差而无法有效确定粗差。该研究可为渔业增殖、鱼类栖息地保护、鱼类洄游通道等研究提供参考。

机器视觉定位关键词：位置确定；超声波；算法；鱼；自然水体；距离交汇；游动轨迹；粗差探测

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.023

中图分类号：TB568 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-03-0182-07

侯轶，邹璇，姜伟，陈亮，朱佳志. 自然水体中超声波标记鱼游动轨迹精密确定算法[J]. 农业工程学报，2019，35(3)：182－188. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.023

Hou Yiqun, Zou Xuan, Jiang Wei, Chen Liang, Zhu Jiazhi. Accurate determination algorithm of swimming trajectory for ultrasonically-tagged fish in natural water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 182－188. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.023

0 引言

在渔业增殖及鱼类保护领域，行为分析是各项研究的基础[1-2]，鱼类位置确定是行为分析的必备手段[3]。随着科技发展，鱼类定位精度不断提升。如用机器视觉和图像处理技术可在实验室条件下有效获取鱼游位置[4]，但在自然水体中的鱼类定位仍较为困难。一方面自然水体浑浊、光波衰减严重[5]，光学摄像在水下可视范围小、视觉影像模糊[6]；另一方面自然水体流速快、气泡多、杂质多，鱼体形态和游动方向随时发生变化，鱼探仪等声学探测仪器也难以有效跟踪到鱼体的游动轨迹[7]。因此，肉眼、视频拍摄及声学探测等方法均难以在自然水体中定量鱼体的实时动态位置，制约了鱼类生态行为学的发展。如：产卵场主要通过对早期发育鱼卵进行捕捞的方式推求。对于卵苗可在江底直接捞取的中华鲟，据报道产卵范围在葛洲坝大江电厂以下约300 m的江段内[8]；对于产漂流性卵的四大家鱼（青鱼、草鱼、鲢、鳙），其估算出来的产卵场位置精度达km级[9]，产卵场的准确位置及具

收稿日期：2018-09-12 修订日期：2018-12-31

基金项目：三峡工程鱼类资源保护湖北省重点实验室开放课题项目（SXSN/4008）；国家自然科学基金资助项目（51609157，51609155）

作者简介：侯轶，助理研究员，主要从事鱼类生态学、生态水力学等研究。Email：greenhan16@163

※通信作者：姜伟，博士，高级工程师，主要从事鲟鱼繁殖技术、长江生态修复研究。Email：jiang_

wei6@ctg 体范围仍未得到有效确定。综上所述，自然水体中的鱼类生态行为（如关键生活史等）研究需要鱼类定位，但直接观测难度较大，间接方法推求又有精度较差、准确度不高等诸多问题。提高鱼类定位精度、尤其是在自然水体中进行鱼类定位研究具有重要的应用价值[10-12]。

超声波具有方向性好，穿透能力强，能量易于集中，在水中传播距离较远等特点[13]。由于常用的电磁波信号在水中的衰减严重，超声波成为目前水下信号传播的主要载体[14]。20世纪50年代开始，超声波技术应用于鱼类探测，典型技术有鱼探仪、声呐成像仪等[15]。与此同时，采用抽样研究的方式在测试鱼体安装超声波信号标记，利用水听器进行鱼类遥测的技术也开始得到应用[16-18]。近年来，Espinoza等学者在水下布设水听器阵列接收标记发出的超声波信号，通过定位算法实现鱼类的m级精度位置捕获[19-21]，但出于技术保护原因，相关算法成果未见报道。为此，本文以目前常用的超声波水听器设备作为基础硬件，将鱼类游动时所处水深、持续游速等作为先验信息，提出了一套较为完整且适用于自然水体的超声波标记鱼m级定位算法。

1 超声波标记鱼定位算法

在鱼体安装超声波信号标记，该标记每隔一段时间会播发一组超声波信号，水听器接收到信号后记录接收时刻，并以此作为本文超声波标记鱼定位算法的观测数据。鱼类定位时需布设由水听器阵列组成的监测网，网

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