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基于计算机视觉的水体突发性污染在线生物监测预警研究

作　者: 黄东龙
导　师: Che-Jen Lin
学　校: 华南理工大学
专　业: 环境科学
关键词: 计算机视觉斑马鱼在线监测预警行为变化
分类号: X835
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在水污染日趋严重,突发性水污染事故不断发生的今天,保护饮用水水源的水质、保障城市供水安全的问题显得尤为重要。本研究结合生物技术、计算机视觉技术、动态图像分析、网络技术及无线通讯技术,自主开发设计了一套在线生物监测预警系统,通过监测指示鱼类在突然发生水质改变时的行为改变来反应水质的变化,对水环境的突发性污染事故进行预警,达到在线监测与预警的目的,利于及时发现水污染,及早采取措施。系统利用摄像头和电脑,通过与系统软件的结合,对获取动态图片序列进行检测跟踪分析,获得指示生物的活动状态参数:平均活动速率、平均活动高度、平均间距及平均转身次数等,对鱼的行为进行全面的观察和记录。通过实验筛选出斑马鱼作为指示生物,在所关注的这四种重金属中,Cd²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Cr（Ⅵ）对斑马鱼的96 h半致死浓度LC_50-96分别为4.89 mg/L,0.58 mg/L,32 mg/L,67 mg/L。文中对斑马鱼在各种重金属的胁迫下的行为反应以及重金属在鱼体中毒性作用机理进行了一定程度的讨论分析,为利用鱼类的行为反应进行水质监测预警的可靠性及可行性提供毒性基础及内在依据。对Cd²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Cr（Ⅵ）在不同浓度胁迫下斑马鱼的行为的影响分析结果显示,在达到LC_50-96的10%（安全质量浓度）的浓度胁迫下即有很明显的行为改变,且其行为活动参数改变基本符合环境压力阈模型,利用斑马鱼的行为变化进行水质突发性污染预警是切实可行的。同时也发现,斑马鱼的平均游动速度与平均转身次数剧烈变化所持续的时间与污染物质的浓度有一定的剂量-效应关系。沙湾自来水厂及东涌污水处理站的现场没有出现报警,与现场水质达标相对应。通过现场运行研究发现了影响实际运行的过程及结果的很多因素,对系统进行了改进与完善。现场应用对该预警装置的应用和推广具有重要的实际意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-28
  1.1 水体污染现状  11-14
    1.1.1 中国水污染形势现状  11-12
    1.1.2 突发性水污染事故频繁发生  12-14
  1.2 水质监测预警技术概述  14-17
    1.2.1 理化分析方法  15
    1.2.2 生物监测  15-17
  1.3 利用鱼类进行水质监测预警的优势  17-22
    1.3.1 鱼类的生理生态地位  17-18
    1.3.2 环境污染物对鱼类行为的影响  18-19
    1.3.3 基于鱼类的生物监测预警类型及研究进展  19-22
  1.4 计算机视觉技术在鱼类行为研究中的研究进展  22-25
    1.4.1 计算机视觉技术简介  22-23
    1.4.2 计算机视觉应用于鱼类行为的研究进展  23-25
  1.5 课题研究意义及主要研究内容  25-27
    1.5.1 课题研究意义  25-26
    1.5.2 主要研究内容  26-27
  1.6 本论文的体系结构  27-28
第二章水质安全在线生物监测预警系统设计及指示生物筛选  28-41
  2.1 指示生物筛选  28-30
    2.1.1 指示生物选择原则  28-29
    2.1.2 指示生物的筛选试验及结果  29-30
  2.2 预警系统组成设计  30-31
  2.3 预警系统软件设计  31-38
    2.3.1 系统界面  31-32
    2.3.2 系统软件的主要功能  32-35
    2.3.3 斑马鱼的运动特征  35-38
  2.4 系统的运作  38-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章重金属对斑马鱼的急性毒性研究  41-52
  3.1 研究目的  41
  3.2 重金属污染简介  41-42
  3.3 材料与方法  42-44
    3.3.1 实验生物驯养  42
    3.3.2 实验药品  42-43
    3.3.3 实验仪器设备  43
    3.3.4 实验方法与步骤  43-44
  3.4 试验结果  44-48
    3.4.1 斑马鱼的中毒行为表现  44-45
    3.4.2 污染物对斑马鱼的急性毒性影响  45-47
    3.4.3 几种重金属的毒性比较  47-48
  3.5 讨论与分析  48-51
  3.6 本章小结  51-52
第四章不同重金属暴露下斑马鱼的行为反应研究  52-75
  4.1 研究目的  52
  4.2 材料与方法  52-54
    4.2.1 实验生物  52
    4.2.2 实验药品  52-53
    4.2.3 实验设备及环境条件  53
    4.2.4 实验方法及步骤  53-54
  4.3 实验结果及分析  54-72
    4.3.1 空白对照组斑马鱼的行为参数分析  54-59
    4.3.2 Cd~(2+)胁迫下斑马鱼的行为反应  59-62
    4.3.3 Zn~(2+)胁迫下斑马鱼的行为反应  62-66
    4.3.4 Cu~(2+)胁迫下斑马鱼的行为反应  66-69
    4.3.5 Cr(Ⅵ)胁迫下斑马鱼的行为反应  69-72
  4.4 讨论  72-74
  4.5 本章小结  74-75
第五章预警系统的实际应用  75-79
  5.1 实验目的  75
  5.2 实验地点  75
  5.3 实验方法  75-76
  5.4 应用结果  76-77
    5.4.1 沙湾自来水厂  76-77
    5.4.2 东涌污水处理站  77
  5.5 讨论  77-79
结论与展望  79-82
  1 结论  79-80
  2 展望  80-82
参考文献  82-91
攻读硕士学位期间取得的研究成果  91-92
致谢  92-93
附件  93

基于计算机视觉的水体突发性污染在线生物监测预警研究

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