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《智慧渔业》课程论文推送11

  • 2026-10-11 05:13:57
《智慧渔业》课程论文推送11

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水下“刷脸”识鱼:人工智能算法如何破解鱼类识别难题

   何俊娴、阿迪兰木、徐佳慧、岳婷  

导语:

随着人工智能技术的快速发展,传统渔业正加速迈向数字化与智能化。鱼类识别与分类作为渔业资源管理、生态监测和水产养殖中的关键环节,正借助AI算法实现从“人工辨识”到“智能感知”的跨越。从水下图像采集、传统特征提取,到深度学习模型的广泛应用,再到动态跟踪与行为分析,人工智能正为鱼类识别注入前所未有的精度与效率。本文将系统梳理人工智能算法在鱼类自动识别与分类中的核心技术路径、主流模型、实际应用及未来挑战,带您一窥智慧渔业的技术全景。

一、数据采集与预处理

高质量的鱼类图像数据是AI识别模型训练的基础与前提。目前鱼类图像主要通过三种主流方式获取:一是水下摄像机系统,包括海底固定监测相机、ROV/AUV搭载的移动相机,可在自然生境中实时捕捉鱼类活动影像;二是拖网采样拍照,在渔业调查过程中对捕获标本进行标准化侧面拍摄,获取清晰的形态图像;三是公开数据集,如NOAA的Labeled Fishes in the Wild、中国URPC水下机器人数据集等,为算法研究提供了海量标注数据。

原始水下图像普遍存在光照不均、水体浑浊、背景复杂等问题,必须经过预处理才能用于模型训练。欧利国等在研究中采用了一套标准化预处理流程:先通过灰度转换将 RGB图像转为单通道灰度图,再使用双边滤波去除噪声并保留鱼体边缘细节,随后进行二值化处理将鱼体与背景分离,最终提取完整的形态轮廓。贾壮在《计算机视觉实战》中也系统阐述了水下图像分割的关键技术,为预处理环节提供了方法支撑。

图1 计算机视觉图像处理

(a) 灰度变换 (b) 双边滤波 (c) 二值图像 (d) 轮廓图像

二、传统特征提取法

在深度学习技术普及之前,鱼类识别主要依赖手工设计的特征提取方法。研究者模拟分类专家的视觉判断逻辑,从预处理后的图像中提取四类核心特征:颜色特征(颜色直方图、颜色矩)用于区分体色差异明显的鱼种;纹理特征(灰度共生矩阵、小波变换)捕捉鱼鳞和鱼皮的纹理模式;形状特征提取鱼体轮廓信息;斑点模式特征识别具有独特斑纹的鱼类。

其中形状特征因具有显著的鱼种特异性,成为传统方法中最关键的识别依据。欧利国等提出了基于8方位Freeman链码和椭圆傅里叶变换的高精度轮廓提取方法,通过链码跟踪描述轮廓边缘,再经椭圆傅里叶变换计算形态系数 [2]。研究表明,低谐次系数表征鱼类整体轮廓,高谐次系数则反映背鳍、尾鳍等局部细节。提取完成后,将特征输入SVM、随机森林等分类器进行分类,其中SVM在小样本数据集上表现最优。但手工特征依赖专家经验,难以捕捉细微差异,在复杂水下场景中准确率有限。

图2 鱼类形态轮廓特征自动提取流程图

三、深度学习(主流方法)

深度学习算法现已成为鱼类自动识别与分类的主流技术手段。相较于传统人工提取特征的方式,卷积神经网络(CNN)能够自主学习鱼类图像中的轮廓、纹理、形态等关键视觉特征,有效规避人工特征选取片面、泛化能力弱的缺陷,大幅提升鱼种识别的智能化水平。目前鱼类识别任务中应用最为广泛的网络模型包括 ResNet、VGG、Inception 等经典卷积网络,能够适配常规图像识别场景。

图3  ResNet网络整体结构

其中 MobileNet 凭借轻量化、运算速度快、占用资源少的优势,更适用于水下采集设备、嵌入式终端的现场轻量部署,实用性更强。为解决实际识别中的难点问题,相关算法持续优化升级。通过引入注意力机制强化图像局部特征提取能力,实现细粒度图像分类,能够精准区分外形高度相似的近缘鱼种。同时结合 YOLO、Faster R-CNN 等目标检测算法,可在光线不均、背景杂乱的复杂水下场景中,先精准定位鱼类目标位置,再完成鱼种分类,显著提升复杂水环境下的识别准确率与稳定性。

图4 CNN目标检测工作流

四、跟踪与行为分析

静态图像识别难以满足动态渔业监测需求,因此结合视频跟踪算法开展动态识别成为重要拓展方向。将 DeepSORT 目标跟踪算法与鱼类分类模型融合应用,可对水下视频流中的鱼类个体进行持续追踪,稳定识别画面中移动、游动的同一条鱼类,避免重复识别与漏识别问题。动态跟踪技术不仅能够辅助提升连续场景下的鱼种分类精度,还可以依托持续识别数据,进一步分析鱼类游动状态、聚集规律等行为特征,为渔业资源动态监测、鱼类习性研究提供智能化数据支撑。

图5 基于YOLOX与卡尔曼滤波的鱼类目标跟踪流程示意图

五、鱼类自动识别分类的现存挑战与优化方案

水下复杂环境给鱼类智能识别分类带来诸多阻碍,水体浑浊、光照不均、鱼类游动遮挡、同类鱼种外形高度相似等问题,都会大幅降低算法识别精度,成为技术落地的主要难题。针对以上痛点,行业主流采用多重技术手段进行优化:首先运用图像增强、去噪、色彩校正等预处理技术修复低质量水下画面,同时借助数据扩充算法丰富样本多样性,提升模型环境适应性。其次广泛使用迁移学习,依托成熟预训练模型结合水下鱼类数据集微调参数,减少训练成本,解决水下标注数据不足的问题。此外,引入注意力机制、可变形卷积等模块,帮助模型聚焦鱼类纹理、鳞片、体态等细微特征,有效区分形态相近的鱼种,结合目标跟踪算法还能持续锁定游动个体,避免重复识别与漏检。

图6 水下鱼类图像预处理效果对比图

六、人工智能鱼类识别分类的实际应用场景

依托成熟的算法体系,鱼类智能识别分类技术已全面走进渔业生产、生态保护、资源监测等多个领域。在水产养殖场景中,鱼类智能识别分类技术搭配水下监控设备,可实时统计鱼池内鱼类品种、数量,结合识别结果指导智能投饵、病害预警,助力精细化养殖管理。在远洋捕捞与水产加工环节,智能设备能够自动完成渔获分拣、品类统计,替代人工分拣,提升作业效率。在渔业资源调查与水域生态保护领域,水下监测网络结合识别算法,可长期监测野生鱼类种群分布、种群数量变化,实时预警外来物种入侵,为水生生物多样性保护、渔业政策制定提供数据支撑。同时,该技术也应用于科普场馆、休闲渔业等场景,实现鱼类实时识别讲解,拓展了渔业数字化应用边界。

图7 人工智能鱼类识别技术渔业应用现场

结语

人工智能算法在鱼类自动识别与分类中的应用,已从实验室走向复杂水域现场,成为推动智慧渔业发展的核心引擎。无论是静态图像的高精度分类,还是动态视频中的持续跟踪识别,AI技术正不断突破水下环境的限制,提升识别稳定性与实用性。未来,随着更轻量化模型、更智能的注意力机制以及更丰富的数据集不断涌现,鱼类智能识别有望在远洋捕捞、生态保护、智慧养殖等场景中发挥更广泛、更深入的作用。技术赋能之下,智慧渔业的蓝海正徐徐展开。

参考文献:

[1]贾壮.计算机视觉实战: 语义分割与目标检测[M].中国铁道出版社:2024.

[2]欧利国,蓝振峰,刘必林,等.基于计算机视觉的鱼类形态轮廓特征自动提取[J].水产学报,2024,48(12):63-73.

[3]王文成,蒋慧,乔倩,等. 基于ResNet50网络的十种鱼类图像分类识别研究[J]. 农村经济与科技,2019,30(19):60-62.

[4]周鹏,李昌永,步雨馨,等. 全球尺度下的海洋鱼类图像智能分类研究进展[J]. 电子与信息学报,2024,46(5):1853-1864.

[5]林明旺. 深度学习在鱼类图像识别与分类中的应用[J]. 数字技术与应用,2017(4):96-97.

[6]邹梦晴. 基于ResNet网络的鱼类图像识别方法研究[D]. 广东:广东海洋大学,2024.

[7]汤永华,张志鹏,林森,等. 基于深度学习的鱼类识别相关技术研究现状及展望[J]. 海洋渔业,2024,46(2):246-256.

图片来源于网络 非商用

作者|何俊娴、阿迪兰木、徐佳慧、岳婷

编辑|唐仟

审核|唐琴

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