环境压力下的鱼类响应模型生成方法及水体质量评估方法技术

本发明专利技术涉及一种环境压力下的鱼类响应模型生成方法和水体质量评估方法，其中鱼类响应模型生成方法包括：在盛有被测鱼类的水体中添加压力源，同时在所述水体中产生低压交流电场，被测鱼类由于受到压力源的刺激产生运动行为变化，采集由于运动行为变化引起的所述低压交流电场的变化；将所述变化后的电场信号采用模数转换方法，表示为以环境压力为自变量的行为强度信号；采集多组被测鱼类在所述水体中的行为强度变化曲线；将所述被测鱼类的行为强度变化曲线按照无效应阶段和刺激阶段、适应阶段、调整阶段与毒性阶段进行分段，建立被测鱼类响应模型；该模型将生物体行为与外界环境压力联系在一起，对于在复杂水体中的水质检测提供了一种新方法。

【技术实现步骤摘要】
环境压力下的鱼类响应模型生成方法及水体质量评估方法
本专利技术涉及生物监测
，具体涉及环境压力下的鱼类响应模型生成方法，及基于鱼类响应模型的水体质量评估方法。
技术介绍
鱼类是水生低等变温脊椎动物，容易受外界环境的影响。在工厂化养殖生产过程中温度、盐度、溶解氧、酸碱度、氨氮和亚硝酸盐等因素是影响鱼类生长的主要环境因子。温度可以影响鲢、鳙鱼体内转氨酶活性，随温度升高酶活性增强而且鱼体血液红细胞数目也随温度变化发生波动。盐度在鱼类的生长过程特别是在仔鱼期起重要的作用，低pH值不仅可以影响鱼类的胚胎发育、耗氧代谢和血液酸碱平衡，也可以引发草鱼鳃和肝组织超氧化物歧化酶(SOD)活性的升高。另外，暴露于pH4.5～5.0水体中的鲤鱼血糖明显升高，体重明显下降，可抑制鱼体生长。在氨氮对鲢鱼、鳙鱼、草鱼、鲤鱼的影响实验中，水中氨氮含量过高会导致鳃丝扭曲明显、鳃上皮增生、鳃丝粘连，同时可以观察到肝组织变得松软、易破碎、肝实质细胞的细胞质明显减少，有的甚至出现空泡化。养殖水体中亚硝酸盐达到一定浓度易引起鱼类中毒而使血液里高铁血红蛋白的含量升高、载氧能力下降，造成组织缺氧、神经麻痹、甚至窒息死亡。一般来说，环境因素的压力可引起机体一系列病理变化，如组织损伤、红细胞形态发生变化、吞噬细胞数量增加、白细胞减少、淋巴系统病变以及食欲下降，鳃盖和尾柄运动频率增加、攻击行为减弱、生长受阻、生殖力下降等进而影响机体的防御系统。如图1的鱼类压力行为模式所示，鱼类的行为模式归纳为五种，分别是无效应阶段和刺激阶段，适应阶段，调整阶段与毒性阶段。各个阶段之间通过阈值切换，当环境压力大于当前阈值时，鱼类行为阶段就会发生变化。具体为无效应阶段和刺激阶段时为起始阶段，此时环境压力尚小，鱼类体并未受到环境压力太大影响，所以依然维持水平趋势；当环境压力第一次大于阈值时，鱼类体开始进入刺激阶段，该阶段鱼类体意识到环境压力正在不停增长，采取了相应措施来应对，此时鱼类行为强度略有提高；当环境压力超过当前阈值时，鱼类体打破当前的平衡模式，彻底进入适应阶段；当环境压力进一步增加时，鱼类体进入复杂的调整阶段，该阶段又分调整阶段与再调整阶段两种，当环境压力大于阈值时，说明鱼类体无法承受当前的环境压力，行为强度开始降低，当环境压力小于阈值时，说明鱼类体目前调整到一个足以适应当前环境的地步，行为强度开始缓步回升；而一旦环境压力大到鱼类体耐受范围以外，整个行为模式就会转化为毒性模式，此时鱼类体的恢复机制被破坏，行为强度表现为持续下降，直至为0。目前，对鱼类行为的研究多是基于视频图像研究，尚未上升到综合数据构建数学模型这一层次，由于没有可靠的模型依据，通过视频监测鱼类来判断水体质量的方法不具备稳定性，加上视频追踪过程中容易出现交叉换位等基于计算机视觉的欺骗错误，对结果的可信度大打折扣。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种环境压力下的鱼类响应模型生成方法，该方法可以将生物体行为与外界环境压力联系在一起，不仅能在给定的环境压力下预测生物体的行为强度，更能通过检测被测生物的行为强度反映出当前的环境质量，对于在复杂水体中的水质检测提供了一种新方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下方案：一种基于环境压力的鱼类响应模型生成方法，包括：在盛有被测鱼类的水体中添加压力源，同时在所述水体中产生低压交流电场，被测鱼类由于受到压力源的刺激产生运动行为变化，采集由于运动行为变化引起的所述低压交流电场的变化；将所述变化后的电场信号采用模数转换方法，表示为以环境压力为自变量的行为强度信号；采集多组被测鱼类在所述水体中的行为强度变化曲线；将所述被测鱼类的行为强度变化曲线按照无效应阶段、刺激阶段、适应阶段、调整阶段与毒性阶段进行分段，建立被测鱼类响应模型。本专利技术中的低压交流电场是水体内生物行为生态学中的通说词语，具体可详见专利CN101059493。进一步的，所述环境压力为以时间和当前水体毒性浓度为自变量的函数，其有益效果是由于数据在两个维度上(时间t和毒性浓度C)都是正相关关系，我们将时间和毒性浓度统一整合为环境压力变量E，更有利于数据分析。进一步的，将多组被测鱼类的行为强度变化曲线中的无效应阶段和刺激阶段，适应阶段，调整阶段与毒性阶段的行为强度代入以下公式：其中gn、gp为被测鱼类在相邻阶段的行为转化比率，ap为被测鱼类在相邻阶段的行为转化效率，E＝et*C为环境压力变量，t为时间，C为毒性浓度，λ1和λ2为待拟合参数，α，β为常数，BT为行为强度。根据拟合得到的λ1和λ2，得到被测鱼类的响应模型。进一步的，对所述多组行为强度变化曲线进行滤波去噪，其有益效果是实际采集出来的行为信号十分杂乱，掺杂着许多噪声，采用滤波算法去噪可以使曲线平滑。进一步的，所述行为强度为正常行为强度和耐受行为强度之和，随着环境压力的增大，正常行为强度与耐受行为强度之间根据正常行为或耐受行为转换比率、正常行为或耐受行为转换效率互相转化。进一步的，所述行为强度BT分为Bn和Bp，Bn定义为被测鱼类的正常行为强度，Bp定义为被测鱼类的耐受行为强度，Bn和Bp满足以下公式；E＝et*C为环境压力变量，t为时间，C为水体的毒性浓度；gn为被测鱼类正常行为向耐受行为的转化比率，gp为被测鱼类耐受行为向正常行为的转化比率，an为被测鱼类正常行为向耐受行为的转化效率，ap为被测鱼类耐受行为向正常行为的转化效率，an，ap为非0常数。进一步的，在被测鱼类行为强度变化曲线中的无效应阶段和刺激阶段中：耐受行为强度为零，所述正常行为强度与耐受行为强度之间不发生相互转化；在被测鱼类行为强度变化曲线中的适应阶段中：所述正常行为强度向耐受行为强度进行转化，耐受行为强度不发生向正常行为强度的转化；在被测鱼类行为强度变化曲线中的调整阶段中：所述正常行为强度与耐受行为强度之间相互转化；所述被测鱼类行为强度变化曲线中的毒性阶段中：正常行为强度为零，所述正常行为强度与耐受行为强度之间不发生相互转化。进一步的，在盛有被测鱼类的水体中添加毒性浓度不同的多种压力源，建立被测鱼类在多种环境压力下的响应模型。本专利技术还提供了一种基于鱼类响应模型的水体质量评估方法，其特征在于：采用上述方法，生成基于环境压力的鱼类响应模型，将同种鱼类放置于未知环境压力的水体中，采集所述鱼类的行为强度，将所述鱼类的行为强度代入所述被测鱼类响应模型中，反向求得对应的环境压力，根据环境压力评估当前水体质量。本专利技术的有益效果：本专利技术创新性的将生物体的行为模式数学化，将复杂的生物体行为以数学模型的形式表征出来，这是生物行为学研究的一大进步，对于研究人员研究生物体行为提供了一种非常直观、实用的工具。该模型将生物体行为与外界环境压力联系在一起，不仅能在给定的环境压力下预测生物体的行为强度，更能通过检测被测生物的行为强度反映出当前的环境质量，对于在复杂水体中的水质检测提供了一种新方法。附图说明图1为鱼类压力行为模式；图2为本专利技术环境压力下的鱼类响应模型中行为强度变化曲线。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：一种基于环境压力的鱼类响应模型生成方法，包括：在盛有被测鱼类的水体中添加压力源，同时在所述水体中产生低压交流电场，被测鱼类由于受到压力源的刺激产生运动行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于环境压力的鱼类响应模型生成方法，其特征在于，包括：在盛有被测鱼类的水体中添加压力源，同时在所述水体中产生低压交流电场，被测鱼类由于受到压力源的刺激产生运动行为变化，采集由于运动行为变化引起的所述低压交流电场的变化；将所述变化后的电场信号采用模数转换方法，表示为以环境压力为自变量的行为强度信号；采集多组被测鱼类在所述水体中的行为强度变化曲线；将所述被测鱼类的行为强度变化曲线按照无效应阶段、刺激阶段、适应阶段、调整阶段与毒性阶段进行分段，建立被测鱼类响应模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于环境压力的鱼类响应模型生成方法，其特征在于，包括：在盛有被测鱼类的水体中添加压力源，同时在所述水体中产生低压交流电场，被测鱼类由于受到压力源的刺激产生运动行为变化，采集由于运动行为变化引起的所述低压交流电场的变化；将所述变化后的电场信号采用模数转换方法，表示为以环境压力为自变量的行为强度信号；采集多组被测鱼类在所述水体中的行为强度变化曲线；将所述被测鱼类的行为强度变化曲线按照无效应阶段、刺激阶段、适应阶段、调整阶段与毒性阶段进行分段，建立被测鱼类响应模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述环境压力为以时间和当前水体毒性浓度为自变量的函数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述行为强度为正常行为强度和耐受行为强度之和，随着环境压力的增大，正常行为强度与耐受行为强度之间根据正常行为或耐受行为转换比率、正常行为或耐受行为转换效率互相转化。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在被测鱼类行为强度变化曲线中的无效应阶段和刺激阶段中：耐受行为强度为零，所述正常行为强度与耐受行为强度之间不发生相互转化。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：任宗明，李尚戈，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：山东,37