[0001] 本发明涉及生态学领域，尤其涉及一种基于无源信号的野外鱼类运动轨迹识别方法。

[0002] 鱼类行为监测是生态学领域深入研究的一种重要技术方法，它涉及到对水生生物行为的观察、记录和分析，以帮助科学家、水产养殖业者和生态学家更好地理解鱼类的行为习性、生态学和生存策略。鱼类行为学的研究对于水域生态系统保护、水环境保护、水产养殖效率以及渔业管理具有重要意义。水域生态系统保护方面，鱼类行为学研究有助于深入了解鱼类在自然生态系统中的角色和相互关系，理解水域生态系统的稳定性和生物多样性，以及生态链中不同物种之间的相互作用；水环境保护方面,通过监测鱼类行为，更好了解环境污染、栖息地破坏和气候变化对鱼类行为的影响,有助于提高环境保护意识，并为栖息地环境修复措施提供科学依据；水产渔业方面，了解鱼类的行为模式为渔业管理提供重要信息，渔业资源管理者使用鱼类行为数据来更好地规划捕捞季节、捕捞区域和捕捞方法，以确保渔业资源的可持续利用。

[0003] 人类对鱼类行为最初的观察主要依赖于肉眼观察和手工记录，这种方法存在许多局限性，如主观性、不连续性和数据量有限。然而，随着科学技术的发展，鱼类行为监测方法得到了显著改进，当下的鱼类行为的监测方法主要包括电捕法、视觉法、声学标记法以及无线电遥测法。其中，电捕法即使用电力捕捉或者控制鱼类，是一种应用广泛、效率较高的鱼类采样方式，主要用于估计监测区域鱼类的种群组成以及种群密度。视觉法主要采用计算机视觉(computervision，CV)技术作为一种非入侵式且稳定性强的监测技术被国内外学者应用于鱼类游泳轨迹识别和行为模式分析中。声学信号法在野外应用较广，通过接收声波信号来监测鱼类行为，可分为主动和被动声学法。无线电遥测技术是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一门综合性技术，主要用于检测分散的或难以接近的被测对象。

[0004] 现有方法存在以下不足：

[0005] (1)部分方法对鱼类个体健康及水生栖息地和水生群落造成负面影响，如电捕法。电捕极易造成鱼类死亡及繁殖成功率的降低，在小尺度的生态系统中，电捕会迅速耗尽研究区样本鱼类。

[0006] (2)部分方法受限于环境因素，无法广泛应用于自然河流中，尤其是山区中小型河流的湍急水流中，如视觉法、声学法等。视觉法在天然环境下受光照变化、低对比度、高噪声、鱼类外观变化、频繁的遮挡和动态背景等影响。声学法在小型河道中，由于声学信号传播距离短，散射现象严重，存在频繁的互相抵消的情况，因此难以在小尺度河流对鱼类行为进行有效追踪。

[0007] (3)部分方法的空间分辨率较低，难以连续记录生物的活动节律，且代价较为昂贵，如无线电遥测法。尽管无线电遥测法不受河流环境的影响，但难以描述鱼类栖息地微生境详细使用情况，无法记录鱼类游泳行为轨迹。

[0043] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0044] 本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。

[0045] 下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

[0046] 实施例1

[0047] 如图1所示，一种基于无源信号的野外鱼类运动轨迹识别方法，包括：

[0048] 获取监测区域范围；

[0049] 建立并布置监测系统；

[0050] 对用于试验的鱼进行标记处理；

[0051] 试验过程中，收集监测数据，并对所述监测数据进行处理，获得处理监测数据；

[0052] 根据所述处理监测数据读取鱼类游经频次信号，并进行分析，获得第一鱼类分析结果，具体表现为识别鱼类游泳方向及路径；

[0053] 根据所述处理监测数据读取鱼类栖息时间信号，并进行分析，获得第二鱼类分析结果，具体表现为统计鱼类不同区域停留时间；

[0054] 根据所述第一鱼类分析结果和所述第二鱼类分析结果识别野外鱼类运动轨迹。

[0055] 无源集成应答器PIT技术是射频识别技术RFID技术的一种应用方式，这是一种非接触式自动识别技术，具有读取速率快、使用寿命长、环境适应性好等特点。基于无源信号的野外鱼类运动轨迹识别系统由PIT标记、信号采集器、多规格监测线圈、无线传输系统和计算机组成。

[0056] 监测区域选取，包括：

[0057] 基于PIT的鱼类行为监测技术适用于水流较急，水深较浅的中小型河流。根据鱼类行为轨迹需求的精度调整监测区域范围，相邻监测线圈的间隔距离越小则监测轨迹越为精细。

[0058] 如图2所示，监测系统布置，包括：

[0059] 监测线圈是PIT标签与信号采集器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，应根据系统的功率选取合适的线圈类型，根据需求的监测线圈大小改变线圈的匝数和位置，上述条件均会影响PIT数据的发射和接收。在布设监测线圈的试验河道布置信号采集器，根据信号的传输准确率每个信号采集器连接1‑4个监测线圈。每个信号采集器连接的监测线圈越多即代表信号发射读取的频率越低，是否可以满足试验需求需考虑试验鱼类的游泳能力。

[0060] 试验鱼标记，包括：

[0061] 选择合适的PIT标记注入试验鱼的体内，包括：

[0062] 步骤一、选取标记。标记选取代表性声学标记，标记形式多样，其重量、发射频率、长度、输出功率等参数各不相同。应根据试验鱼体型及试验环境参数与数据需求择优选取。

[0063] 步骤二、选取注射位置。根据试验鱼不同类型及体型大小，选择鱼类身体不同的位置注射PIT标记。通常注射的位置包括鱼类的背鳍及腹腔。

[0064] 步骤三、标记的注射。使用麻醉剂(MS‑222)短暂迷晕试验鱼后，将PIT标记植入到试验鱼体内，随后采用红霉素等消毒手段对注射完成的试验鱼伤口进行处理并放回没有麻醉药的清水中。

[0065] 监测数据的收集与处理，包括：

[0066] 步骤一：数据收集，PIT监测数据可通过计算机连接数据传输单元提供的串行通信接口完成。

[0067] 步骤二：数据筛选，原始数据以TCP/IP数据包形式进行传送，在信息终端筛选有效信息，过滤无效信息。

[0068] 步骤三：数据处理，PIT的信号的统计表征鱼类游经某区域的频次，通过在信息终端筛选每条试验鱼在各线圈的信号接收次数即可得出。PIT的信号的统计表征鱼类游经某区域的时间点并推算鱼类在各监测区域的栖息时间，栖息时间统计采用自制定的鱼类栖息时间计算规则，基于接收的相邻两个信号的线圈序号确定鱼类栖息区域，并根据两个信号的接收时间差得出鱼类在该区域的栖息时间。

[0069] 无线射频识别RFID，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，达到识别目标和数据交换的目的。

[0070] PIT跟踪技术系统的工作原理如下：当带有PIT标记的鱼群进入检测和记录系统的水下射频场时，天线会接收到感应电流。电流通过升压电路升压后，作为芯片的电源。同时，带有信息的感应电流通过射频前端电路检测后，送入逻辑控制电路进行信息处理。所需回复的信息从存储器中获取，经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给检测和记录系统。计算机网络通过接口获取水下鱼群的信息，并集成了日常管理所需的基本功能。

[0071] PIT标记将微型RFID电路封装在玻璃胶囊中，植入到鱼类和其他野生动物体内。当PIT标记通过天线周围的磁场时，将会获得由电感产生的电能，发射唯一的编码。

[0072] 监测线圈在布设中需隔绝一切金属物体，金属物体会严重影响信号的传输读取。

[0073] 监测线圈串入PVC管中，通过搭设需求的PVC管形状布设在河道中完成线圈的固定。同样，采用粗制绳索固定的方式，将检测线圈沿绳索固定，中间采用防水胶带或扎带进行加固，两边将绳索系于木杆上固定与河道边坡。

[0074] 鱼类的麻醉多采用间氨基苯甲酸乙酯甲磺酸盐。该物品是效果最好、使用最广泛的一种活鱼运输麻醉剂，麻醉的起效时间短、药物代谢快导致药物残留小，在活鱼到达目的地后换成清水10‑20分钟后，麻醉鱼即可苏醒，广泛用于各种水产品的实验室研究，对鱼、人较安全。

[0075] 数据采集器内置内存记录并存储上百万条监测数据。同时，数据通过串口RS232方式输出至电脑或无线传输系统。数据采集器需要外接10‑24V DC电源供电。当电源电压低于供电要求时，系统会自动关闭。当电源电压恢复到正常水平时，系统自动重新进入工作状态，并且原有的监测数据不会丢失。

[0076] 数据处理的逻辑代码采用常规编程语言进行编写。

[0077] 实施例2

[0078] 研究区为某人工仿自然河道。

[0079] 步骤一：选择试验河道为人工仿自然蜿蜒型河流中部约140m区域，其间包括直线河段、弯曲河段、深潭浅滩河段及沙洲河段，共四种河道类型。在深潭浅滩河道中包括两组不同尺寸的深潭、浅滩地貌(深潭1：低于河床0.3m，浅滩1：高于河床0.5m；深潭2：低于河床0.4m，浅滩2：高于河床0.7m)；在沙洲河段包括两组不同大小的沙洲(沙洲1：底长2.4m，底宽
0.9m，高1.3m；沙洲2：底长4m，底宽1.5m，高1.5m)。

[0080] 步骤二：线圈布设与试验区准备。试验区设置12个鱼类监测断面，均布置射频识别(RFID)系统识别鱼类运动，具体包括3台四通道数据采集器、12组监测天线、无线传输系统和计算机。其中，监测天线均布置为梯形线圈(上底宽4m，下底宽2m，高0.5m)，每两个监测断面的天线线圈为一组，间隔1m，用于判别鱼类的进入及离开行为。1号、2号线圈与上游拦鱼网间河段为直线段；1号、2号线圈与3号、4号线圈间河段为弯曲河段；3号、4号线圈与5号、6号线圈间河段为深潭浅滩河段；5号、6号线圈与7号、8号线圈间为深潭浅滩河段；7号、8号线圈与9号、10号先前间河段为弯曲河段；9号、10号线圈与11号、12号线圈间河段为沙洲河段；11号、12号线圈与下游拦鱼网间河段为沙洲河段，共组成7组不同微地形试验区。

[0081] 步骤三：试验鱼标记。使用麻醉剂(MS‑222)短暂迷晕试验鱼后，选取PIT标签(2.12*12mm,0.1g,134.2kHz)植入到鱼的背部肌肉中，随后将注射完成的试验鱼放回没有麻醉药的清水中，试验鱼多在1‑2分钟内醒来并恢复正常游泳行为。将试验鱼在暂养池继续暂养两周，待背部肌肉的伤口也基本愈合。

[0082] 步骤四：试验进行。将所有试验鱼放入试验河段暂养，暂养期间河道保持0.1‑3
0.3m /s的低流量环境，持续7d，使试验鱼恢复其天然情况下的游泳能力。在经过充分适应之后，通过改变进水闸闸门开度，改变河道流量，进行多组鱼类栖息生境选择试验。其中，流量工况的上下限设计试验场地区自然泄放生态流量下各地形的流速区间。

[0083] 步骤五：鱼类游经频次信号读取分析。筛选有效数据，根据不同线圈接收的有效数据数量判断鱼类偏好的游泳断面，根据不同线圈接收信号的时间顺序得出试验鱼在试验河段的游泳轨迹。

[0084] 步骤六：鱼类栖息时间信号读取分析。栖息时间统计采用自制定的鱼类栖息时间计算规则，基于接收的相邻两个信号的线圈序号确定鱼类栖息区域，并根据两个信号的接收时间差得出鱼类在该区域的栖息时间。本试验中的规则变量如表1所示(表征7个监测区域的鱼类栖息时间)，具体规则如表2所示(以多地形组合试验首先获得1号线圈为例)，通过不断累加栖息时间即可得出试验鱼在各区域的栖息总时间。

[0085] 表1变量名描述

[0086]

[0087]

[0088] 表2时间统计规则示例

[0089]

[0090] 表中：a代表线圈编号，b代表鱼类栖息时间，i和j代表接收的两个相邻信号。

[0091] 有益效果：

[0092] 1、本发明面向中小型河流复杂的自然环境，基于无源信号应答器技术替代了传统的无线电遥测技术、声学信号技术、计算机视觉技术等，解决了原监测方法中浑浊水体难以监测、空间分辨率低、信号易抵消耗散等不足，扩大了鱼类行为监测在天然环境中的应用范围，为中小型湍急河流中鱼类的监测提供了切实可行的监测方法。

[0093] 2、本发明通过监测线圈的分区布设及不同线圈PIT标记信号的接收顺序接收数量，得出试验鱼在河段内游泳轨迹及偏好断面，推算出在不同流量条件下，鱼类面对多种地形的选择规律。

[0094] 3、本发明编写自制定的鱼类栖息时间统计代码处理PIT标记原始数据，实现了对鱼类在河道各区域栖息时间的精确统计。通过对鱼类在各流场区域栖息时间的统计分析，得出试验鱼对各流场水动力条件的栖息偏好情况，据此，试验得出的鱼类的栖息偏好水动力特性可用于指导相邻河道的生态修复工作。

[0095] 4、本发明采用的基于无源信号的野外鱼类运动轨迹识别系统精度可根据需求自主调节。在监测范围广，监测线圈少的情况用于过鱼数量的统计，在监测范围小，监测线圈多的情况用于精细化的行为轨迹识别和栖息时间统计，易于在不同河流针对不同需求的推广应用。

[0096] 以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。