Э А Аристархов, Т А Ельников, Ю А Шинский - Способ идентификации фитопланктонных водорослей в пробах воды из водных объектов - страница 1

Страницы:
1  2 


УКРАЇНА


(19) UA (11)88673

(51) МПК (2009) C02F 3/00 C02F 3/12 C12Q 1/04 G01N 15/14


(13)


C2МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ

 

ОПИС

ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД(54) СПОСІБ ІДЕНТИФІКАЦІЇ ФІТОПЛАНКТОННИХ ВОДОРОСТЕЙ У ПРОБАХ ВОДИ З ВОДНИХ ОБ'ЄКТІВ1


(21)2a200709275

(22)14.08.2007 (24) 10.11.2009

(46) 10.11.2009, Бюл.№ 21, 2009 р.

(72)  АРИСТАРХОВА ЕЛЛА ОЛЕКСАНДРІВНА,
ЄЛЬНІКОВА ТЕТЯНА ОЛЕКСАНДРІВНА, ПОДЧА-
ШИНСЬКИЙ ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

(73) ЖИТОМИРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛО-
ГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

(56)JP 6034556, A, 08.02.1994 JP 6028453, A, 04.02.1994

JP 5146791, A, 15.06.1993 JP 5192678, A, 03.08.1993

Jose Luis Pech-Pacheco at el. AUTOMATIC SYSTEM FOR PHYTOPLANKTONIC ALGAE IDENTIFICATION, Limnetica ZO (1): 143.158 (2001) (c)Asociacion   Espanola  de   Limnologia, Madrid.

Spain.    ISSN:    0213-8409//    Internet URL

http://www.limnetica.com/Limnetica/limne20a/Limneti ca-vol20(1)-pag143-158.pdf

Gabriel Gorskyl at el. The Autonomous Image Analyzer* - enumeration, measurement and identification of marine phytoplankton // MARINE

ECOLOGY PROGRESS SERIES Mar. Ecol. Prog.

Sen, Vol. 58: 133-142, 1989 Published December 15
//           
Internet         URL http://www.int-

res.com/articles/meps/58/m058p133.pdf Баскин И.И. и др. Применение искусственных ней­ронных сетей в химических и биохимических исс­ледованиях // ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИ­МИЯ. 1999. Т.40. № 5. С. 323-326

(57)Спосіб ідентифікації фітопланктонних водоро­стей у пробах води з водних об'єктів, який вклю­чає:

відбір з водних об'єктів проб води, що містять фі­топланктонні водорості,

підготовку препарату з кожної проби води на предметному склі та його розміщення під окуля­ром мікроскопа,

виявлення кожного екземпляра фітопланктонних водоростей у цих препаратах, ідентифікацію кожного екземпляра фітопланктон­них водоростей за його належністю до одного з видів цих водоростей,

визначення загальної кількості фітопланктонних водоростей кожного виду у кожному препараті, розрахунок кількісних показників, що характеризу­ють розвиток фітопланктонних водоростей в ціло­му та їх окремих видів у водному об'єкті, який від­різняється тим, що після розміщення в мікроскопі препарату з проби води формують його відеозоб-раження за допомогою відеокамери, приєднаної до оптичної системи мікроскопа, та вводять це відеозображення в обчислювальне середовище цифрової електронної обчислювальної машини, причому виявлення кожного екземпляра фітоплан­ктонних водоростей виконують шляхом цифрової обробки відеозображення препарату з проби води, після чого для кожного екземпляра фітопланктон­них водоростей розраховують геометричні ознаки форми, інваріантні до масштабування, зсуву та повороту цього екземпляра в площині відеозобра-ження, а ідентифікацію фітопланктонних водорос­тей виконують за допомогою штучної нейронної мережі, причому кількість входів цієї мережі відпо­відає кількості геометричних ознак форми, що ви­користовують для ідентифікації, а кількість виходів цієї мережі відповідає кількості видів фітопланк­тонних водоростей, що вибрані для досліджень та можуть існувати в умовах водних об'єктів, які до­сліджують, причому для навчання штучної ней-ронної мережі використовують тестові відеозоб-раження, що містять фітопланктонні водорості заздалегідь відомих видів, а як простір ознак для ідентифікації використовують розраховані геомет­ричні ознаки форми.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

C)

3)

1

 

3 7 6 8

8)

1 1

 

 

A

9)

1Винахід належить до галузі екології і може бу­ти використаний для контролю за станом екосис­тем водних об'єктів на основі автоматизованої обробки цифрових відеозображень, що містять вимірювальну інформацію.

Розвиток фітопланктонних водоростей зале­жить від ряду факторів, що характеризують стан екосистеми водного об'єкта. Тому фітопланктонні водорості можуть бути використані як біологічний індикатор стану цієї екосистеми. Надмірний розви­ток фітопланктонних водоростей також може при­вести до погіршення якості питної води. Тому не­обхідний постійний контроль за розвитком фітопланктонних водоростей у водних об'єктах господарсько-побутового призначення [1, 2, 3].

Вирішення вказаних задач можливе лише за умови отримання кількісних та якісних показників розвитку фітопланктонних водоростей у водних об'єктах. Складовою частиною цих досліджень є ідентифікація фітопланктонних водоростей у про­бах води, яка полягає у визначенні належності кожного екземпляра фітопланктонних водоростей одному з видів, відомих з гідробіології, та у пода­льшому розрахунку кількісних показників, що хара­ктеризують розвиток фітопланктонних водоростей в цілому та їх окремих видів у водному об'єкті [2, 4].

Найбільш близьким за сукупністю суттєвих оз­нак до способу-винаходу є спосіб ідентифікації фітопланктонних водоростей у пробах води з вод­них об'єктів [4, стор. 41-47]. Цей спосіб обраний за прототип.

Як і спосіб-винахід, спосіб-прототип включає відбір з водних об'єктів проб води, що містять фі­топланктонні водорості, підготовку препарату з кожної проби води на предметному склі та його розміщення під окуляром мікроскопа, виявлення кожного екземпляра фітопланктонних водоростей у цих препаратах, ідентифікацію кожного екземп­ляра фітопланктонних водоростей за його належ­ністю до одного з видів цих водоростей, визначен­ня загальної кількості фітопланктонних водоростей кожного виду у кожному препараті, розрахунок кількісних показників, що характеризують розвиток фітопланктонних водоростей в цілому та їх окре­мих видів у водному об'єкті .

Проте, на відміну від способу-винаходу, у спо-собі-прототипі ідентифікація кожного екземпляра фітопланктонних водоростей за його належністю до одного з видів цих водоростей виконується лю­диною на основі візуального аналізу препарату з проби води, розміщеного в мікроскопі.

При цьому слід враховувати велике різнома­ніття зовнішнього вигляду фітопланктонних водо­ростей, довільне розташування екземплярів цих водоростей в полі зору оптичної системи мікроско­па, велику кількість ознак зовнішнього вигляду цих водоростей, що треба аналізувати одночасно. Окрім того, напружена робота та багаторазове повторення однакових дій при опрацюванні вели­кої кількості препаратів з проб води та при наявно­сті великої кількості екземплярів фітопланктонних водоростей в кожному препараті приводить до виникнення суб'єктивних помилок. Всі ці фактори ускладнюють візуальний аналіз екземплярів фіто­планктонних водоростей та приводять до низької достовірності та низької продуктивності ідентифі­кації цих водоростей.

Таким чином, суттєвим недоліком способу-прототипу є низька достовірність та низька проду­ктивність ідентифікації фітопланктонних водорос­тей у пробах води з водних об'єктів.

В основу винаходу поставлена задача удоско­налення способу ідентифікації фітопланктонних водоростей у пробах води з водних об'єктів, щоб забезпечити підвищення достовірності та підви­щення продуктивності процедури ідентифікації фітопланктонних водоростей у пробах води з вод­них об'єктів.

Поставлена задача вирішується шляхом того, що після розміщення в мікроскопі препарату з проби води формують його відеозображення за допомогою відеокамери, приєднаної до оптичної системи мікроскопа, та вводять це відеозображен-ня в обчислювальне середовище цифрової елект­ронної обчислювальної машини, причому вияв­лення кожного екземпляра фітопланктонних водоростей виконують шляхом цифрової обробки відеозображення препарату з проби води, після чого для кожного екземпляра фітопланктонних водоростей розраховують геометричні ознаки фо­рми, інваріантні до масштабування, зсуву та пово­роту цього екземпляра в площині відеозображен-ня, а ідентифікацію фітопланктонних водоростей виконують за допомогою штучної нейронної мере­жі, причому кількість входів цієї мережі відповідає кількості геометричних ознак форми, що викорис­товують для ідентифікації, а кількість виходів цієї мережі відповідає кількості видів фітопланктонних водоростей, що обрані для досліджень та можуть існувати в умовах водних об'єктів, які досліджують, причому для навчання штучної нейронної мережі використовують тестові відеозображення, що міс­тять фітопланктонні водорості заздалегідь відомих видів, а в якості простора ознак для ідентифікації використовують розраховані геометричні ознаки форми.

В способі-винаході ідентифікацію фітопланк­тонних водоростей виконують на основі форму­вання цифрових відеозображень препаратів з проб води та цифрової обробки цих відеозобра-жень з використанням математичного апарату та алгоритмів штучних нейронних мереж.

Підвищення достовірності ідентифікації фітоп­ланктонних водоростей забезпечується за рахунок використання штучної нейронної мережі, яка успі­шно вирішує задачу ідентифікації навіть при наяв­ності великої кількості ознак, що треба аналізува­ти, при великому різноманітті зовнішнього вигляду фітопланктонних водоростей та при відсутності абсолютно чітких формальних критеріїв виконання процедури ідентифікації [5, 6].

Наприклад, може бути використана штучна нейронна мережа Кохонена, яка здатна в процесі навчання виявляти в даних, що надходять на її вхід, групи подібних даних (кластери) та визначати усереднені значення ознак (центри кластерів), що характеризують ці групи. Для фітопланктонних водоростей групи даних (кластери) будуть відпові­дати видам цих водоростей, відомим з гідробіоло­гії. Після навчання штучна нейронна мережа для кожного вхідного набору даних визначає центр кластеру, найближчий до цього набору в просторі ознак. Так як кожному кластеру простора ознак відповідає певний вид фітопланктонних водорос­тей, то результатом всіх цих дій буде ідентифіка­ція кожного екземпляру фітопланктонних водорос­тей за його належністю до одного з видів.

Якщо навіть початкові дані спотворені шума­ми, наявними на відеозображеннях препаратів з проб води, то штучна нейронна мережа все одно спроможна після навчання виділяти ознаки та іншу інформацію, суттєву для ідентифікації фітопланк­тонних водоростей. Це також забезпечує підви­щення достовірності ідентифікації фітопланктон­них водоростей.

Іншим фактором підвищення достовірності ідентифікації фітопланктонних водоростей є вико­ристання геометричних ознаки форми, інваріант­них до масштабування, зсуву та повороту цих во­доростей в площині відеозображення. Використання цих ознак усуває можливі причини похибок ідентифікації при довільному розташуван­ні фітопланктонних водоростей в площині відеозо-браження, яке має місце для будь-яких препаратів з проб води.

Підвищення продуктивності ідентифікації фі­топланктонних водоростей забезпечується за ра­хунок виключення ручної праці та використання цифрової ЕОМ для обробки відеозображень, що містять вимірювальну інформацію про фітопланк­тонні водорості. Також при цьому підвищується достовірність за рахунок виключення суб'єктивних похибок, можливих у випадку використання ручної праці в процесі ідентифікації фітопланктонних во­доростей.

Таким чином, спосіб-винахід забезпечує під­вищення достовірності та підвищення продуктив­ності ідентифікації фітопланктонних водоростей у пробах води з водних об'єктів.

Суть винаходу пояснюється кресленнями.

Перелік креслень:

фіг. 1 - структурна схема пристрою, що реалі­зує спосіб-винахід;

фіг. 2 - відеозображення деяких видів фітоп­ланктонних водоростей, отримані за допомогою способу-винаходу: a) euglena proxima; б) volvax globactor; в) ankistrodesmus.

Спосіб-винахід виконують в такій послідовнос­ті:

1. Відбирають з водних об'єктів проби води, що містять фітопланктонні водорості. Місця відбо­ру проб води визначають з урахуванням як приро­дних характеристик водних об'єктів (просторова форма та структура водного об'єкта, наявність глибоководних і мілководних ділянок та їх співвід­ношення, наявність потоків води, що надходять або витікають з цього об'єкта тощо), так і з ураху­ванням розташування антропогенних джерел за­бруднень водних об'єктів [3, 4, стор. 41].

2. Підготовлюють препарат з кожної проби во­ди на предметному склі та розміщують його під окуляром мікроскопа. Для точного дозування пре­парату при його нанесенні на предметне скло мо­жуть бути використані спеціальні штемпель-піпетки, розраховані на фіксований об'єм цього препарату [1, 4, стор. 45]. Основними вимогами до мікроскопа є збільшення окуляра не менше, ніж 5х, об'єктива - не менше, ніж 20х [4, стор. 44].

3. Формують відеозображення препарату з ко­жної проби води за допомогою відеокамери, при­єднаної до оптичної системи мікроскопа та вво­дять це відеозображення в обчислювальне середовище цифрової ЕОМ.

4. Виявляють кожен екземпляр фітопланктон­них водоростей у препаратах з кожної проби води шляхом цифрової обробки відеозображень цих препаратів. Процедура цифрової обробки може включати такі операції, як перетворення кольоро­вої схеми відеозображення, його сегментацію, видалення шумів та інших завад.

5. Для кожного екземпляра фітопланктонних водоростей розраховують геометричні ознаки фо­рми, інваріантні до масштабування, зсуву та пово­роту цього екземпляра в площині відеозображен-ня.

6. Виконують ідентифікацію кожного екземп­ляру фітопланктонних водоростей за його належ­ністю до одного з видів цих водоростей.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

Э А Аристархов, Т А Ельников, Ю А Шинский - Способ идентификации фитопланктонных водорослей в пробах воды из водных объектов