Non-Invasive Fish Biometrics for Enhancing Precision and Understanding of Aquaculture Farming through Statistical Morphology Analysis and Machine Learning.

Aquaculture requires precise non-invasive methods for biomass estimation. This research validates a novel computer vision methodology that uses a signature function-based feature extraction algorithm combining statistical morphological analysis of the size and shape of fish and machine learning to improve the accuracy of biomass estimation in fishponds and is specifically applied to tilapia (Oreochromis niloticus). These features that are automatically extracted from images are put to the test against previously manually extracted features by comparing the results when applied to three common machine learning methods under two different lighting conditions. The dataset for this analysis encompasses 129 tilapia samples. The results give promising outcomes since the multilayer perceptron model shows robust performance, consistently demonstrating superior accuracy across different features and lighting conditions. The interpretable nature of the model, rooted in the statistical features of the signature function, could provide insights into the morphological and allometric changes at different developmental stages. A comparative analysis against existing literature underscores the competitiveness of the proposed methodology, pointing to advancements in precision, interpretability, and species versatility. This research contributes significantly to the field, accelerating the quest for non-invasive fish biometrics that can be generalized across various aquaculture species in different stages of development. In combination with detection, tracking, and posture recognition, deep learning methodologies such as the one provided in the latest studies could generate a powerful method for real-time fish morphology development, biomass estimation, and welfare monitoring, which are crucial for the effective management of fish farms.

Characterization of Rice Yield Based on Biomass and SPAD-Based Leaf Nitrogen for Large Genotype Plots.

The use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) images for biomass and nitrogen estimation offers multiple opportunities for improving rice yields. UAV images provide detailed, high-resolution visual information about vegetation properties, enabling the identification of phenotypic characteristics for selecting the best varieties, improving yield predictions, and supporting ecosystem monitoring and conservation efforts. In this study, an analysis of biomass and nitrogen is conducted on 59 rice plots selected at random from a more extensive trial comprising 400 rice genotypes. A UAV acquires multispectral reflectance channels across a rice field of subplots containing different genotypes. Based on the ground-truth data, yields are characterized for the 59 plots and correlated with the Vegetation Indices (VIs) calculated from the photogrammetric mapping. The VIs are weighted by the segmentation of the plants from the soil and used as a feature matrix to estimate, via machine learning models, the biomass and nitrogen of the selected rice genotypes. The genotype IR 93346 presented the highest yield with a biomass gain of 10,252.78 kg/ha and an average daily biomass gain above 49.92 g/day. The VIs with the highest correlations with the ground-truth variables were NDVI and SAVI for wet biomass, GNDVI and NDVI for dry biomass, GNDVI and SAVI for height, and NDVI and ARVI for nitrogen. The machine learning model that performed best in estimating the variables of the 59 plots was the Gaussian Process Regression (GPR) model with a correlation factor of 0.98 for wet biomass, 0.99 for dry biomass, and 1 for nitrogen. The results presented demonstrate that it is possible to characterize the yields of rice plots containing different genotypes through ground-truth data and VIs.

Allometry of the babassu palm growing on a slash-and-burn agroecosystem of the eastern periphery of Amazonia / Allometria da palmeira babaçu em um agroecossistema de derruba-e-queima na periferia este da Amazônia

Babassu (Attalea speciosa C.Martius, Arecaceae) is a palm with extraordinary socioeconomic and ecologic importance in large areas of tropical Brazil, especially in frequently burned and degraded landscapes. Nevertheless, surprisingly little is known about this keystone species. This paper investigates the allometry of babassu, in order to improve understanding on palm architecture and to provide researchers with an efficient tool for aboveground biomass estimation of juvenile and adult palms. Juvenile leaf biomass can be accurately predicted with the easily measurable minimum diameter of rachis at 30 cm extension. Adult palm biomass can be estimated based on woody stem height, a variable fairly easily measurable on-field. Leaf biomass of adult palms was highly variable, averaged 31.7 percent of aboveground biomass and can be estimated only indirectly through the relationships between wood:leaf-ratio and total aboveground biomass. Carbon contents varied little in the babassu palm, without size- or growth-stage related differences, suggesting the general applicability of values (42.5 percent C for stems, 39.8 percent C for leaves). As a consequence of the limited secondary diameter growth inherent to palms, stem diameter of adult palms is unrelated to palm height and biomass. Stem tapering decreases with increasing palm height. This is partially compensated by increasing wood density in near cylindrical stems. Nevertheless, maximum babassu palm height of about 30 meters appears to be dictated by mechanical stability constraints. All allometric relationships of babassu described in this study are not affected by vegetation stand age, indicating the general applicability of these relationships.

A palmeira babaçu (Attalea speciosa C.Martius, Arecaceae) tem grande importância socioeconômica e ecológica em grande parte da área tropical brasileira, especialmente em áreas degradadas por queimadas freqüentes na Amazônia. No entanto, ainda pouco se sabe sobre as características ecológicas desta espécie-chave. Este estudo investiga a alometria do babaçu com o objetivo de estabelecer uma metodologia eficiente na estimativa da biomassa aérea de palmeiras juvenis e adultas e para um melhor entendimento da sua arquitetura. A biomassa de palmeiras juvenis pode ser estimada facilmente e com precisão com o diâmetro mínimo das ráquis das folhas a 30 cm de extensão. A biomassa de palmeiras adultas pode ser estimada com base na altura do tronco lenhoso, também relativamente de fácil medição em campo. A biomassa foliar das palmeiras adultas foi em media 31,7 por cento da biomassa aérea, porém houve uma alta variação e, portanto, somente pode ser estimada indiretamente através da relação entre a razão madeira:folha e biomassa aérea total. Os teores de carbono no babaçu apresentaram baixa variação, sem diferenças sistemáticas em relação ao tamanho ou estágio de crescimento, o que aponta à aplicabilidade geral dos valores 42.5 por cento C para troncos, 39.8 por cento C para folhas. Em conseqüência do limitado crescimento secundário do diâmetro inerente de palmeiras, não houve relação do diâmetro de tronco com a altura e a biomassa das palmeiras adultas. Observou-se que o afilamento do caule diminui com o aumento da altura das palmeiras, o que é parcialmente compensado pelo incremento da densidade de madeira em troncos quase-cilíndricos. No entanto, a altura máxima do babaçu, de cerca de 30 metros, aparentemente está definida por limitações na estabilidade mecânica. Todas as relações alométricas aqui descritas são independentes da idade da vegetação, indicando a aplicabilidade geral das relações encontradas.

Allometry of the babassu palm growing on a slash-and-burn agroecosystem of the eastern periphery of Amazonia

Babassu (Attalea speciosa C.Martius, Arecaceae) is a palm with extraordinary socioeconomic and ecologic importance in large areas of tropical Brazil, especially in frequently burned and degraded landscapes. Nevertheless, surprisingly little is known about this keystone species. This paper investigates the allometry of babassu, in order to improve understanding on palm architecture and to provide researchers with an efficient tool for aboveground biomass estimation of juvenile and adult palms. Juvenile leaf biomass can be accurately predicted with the easily measurable minimum diameter of rachis at 30 cm extension. Adult palm biomass can be estimated based on woody stem height, a variable fairly easily measurable on-field. Leaf biomass of adult palms was highly variable, averaged 31.7% of aboveground biomass and can be estimated only indirectly through the relationships between wood:leaf-ratio and total aboveground biomass. Carbon contents varied little in the babassu palm, without size- or growth-stage related differences, suggesting the general applicability of values (42.5% C for stems, 39.8% C for leaves). As a consequence of the limited secondary diameter growth inherent to palms, stem diameter of adult palms is unrelated to palm height and biomass. Stem tapering decreases with increasing palm height. This is partially compensated by increasing wood density in near cylindrical stems. Nevertheless, maximum babassu palm height of about 30 meters appears to be dictated by mechanical stability constraints. All allometric relationships of babassu described in this study are not affected by vegetation stand age, indicating the general applicability of these relationships.

A palmeira babaçu (Attalea speciosa C.Martius, Arecaceae) tem grande importância socioeconômica e ecológica em grande parte da área tropical brasileira, especialmente em áreas degradadas por queimadas freqüentes na Amazônia. No entanto, ainda pouco se sabe sobre as características ecológicas desta espécie-chave. Este estudo investiga a alometria do babaçu com o objetivo de estabelecer uma metodologia eficiente na estimativa da biomassa aérea de palmeiras juvenis e adultas e para um melhor entendimento da sua arquitetura. A biomassa de palmeiras juvenis pode ser estimada facilmente e com precisão com o diâmetro mínimo das ráquis das folhas a 30 cm de extensão. A biomassa de palmeiras adultas pode ser estimada com base na altura do tronco lenhoso, também relativamente de fácil medição em campo. A biomassa foliar das palmeiras adultas foi em media 31,7% da biomassa aérea, porém houve uma alta variação e, portanto, somente pode ser estimada indiretamente através da relação entre a razão madeira:folha e biomassa aérea total. Os teores de carbono no babaçu apresentaram baixa variação, sem diferenças sistemáticas em relação ao tamanho ou estágio de crescimento, o que aponta à aplicabilidade geral dos valores 42.5% C para troncos, 39.8% C para folhas. Em conseqüência do limitado crescimento secundário do diâmetro inerente de palmeiras, não houve relação do diâmetro de tronco com a altura e a biomassa das palmeiras adultas. Observou-se que o afilamento do caule diminui com o aumento da altura das palmeiras, o que é parcialmente compensado pelo incremento da densidade de madeira em troncos quase-cilíndricos. No entanto, a altura máxima do babaçu, de cerca de 30 metros, aparentemente está definida por limitações na estabilidade mecânica. Todas as relações alométricas aqui descritas são independentes da idade da vegetação, indicando a aplicabilidade geral das relações encontradas.

Allometric models for estimating the phytomass of a secondary Atlantic Forest area of southeastern Brazil / Modelos alométricos para estimativa de fitomassa de Floresta Atlântica secundária no sudeste do Brasil

The purpose of this study was to develop and validate equations to estimate the aboveground phytomass of a 30 years old plot of Atlantic Forest. In two plots of 100 m², a total of 82 trees were cut down at ground level. For each tree, height and diameter were measured. Leaves and woody material were separated in order to determine their fresh weights in field conditions. Samples of each fraction were oven dried at 80 ºC to constant weight to determine their dry weight. Tree data were divided into two random samples. One sample was used for the development of the regression equations, and the other for validation. The models were developed using single linear regression analysis, where the dependent variable was the dry mass, and the independent variables were height (h), diameter (d) and d²h. The validation was carried out using Pearson correlation coefficient, paired t-Student test and standard error of estimation. The best equations to estimate aboveground phytomass were: lnDW = -3.068+2.522lnd (r² = 0.91; s y/x = 0.67) and lnDW = -3.676+0.951ln d²h (r² = 0.94; s y/x = 0.56).

O objetivo deste estudo foi desenvolver e validar modelos preditores para a fitomassa epigéa de uma área de Floresta Atlântica secundária. Em duas parcelas de 100m², 82 árvores foram cortadas, ao nível do solo, e anotadas suas medidas de altura e diâmetro. As folhas foram separadas dos ramos para determinação do massa fresca da porção foliar e lenhosa. Amostras de cada fração foram secas em estufa a 80 ºC, até massa constante, para determinação do massa seca. As árvores foram distribuídas em duas amostras aleatórias, sendo uma utilizada para o desenvolvimento das equações de regressão, e a outra para validá-las. Os modelos foram desenvolvidos através da análise de regressão linear simples, tendo como variável dependente a massa seca (DW) e, como variáveis independentes a altura (h), o diâmetro (d) e o quadrado do diâmetro multiplicado pela altura (d²h). A validação foi analisada através da comparação entre os valores obtidos em campo e os estimados pelas equações, através da análise de correlação intraclasse de Pearson e teste t-Sudent pareado. As melhores equações para estimar o massa seca das árvores foram: lnDW = -3,068+2,522lnd (r² = 0,91; s y/x = 0,67) e lnDW = -3,676+0,951ln d²h (r² = 0,94; s y/x = 0,56).

Close relationship between diameters at 30cm height and at breast height (DBH)

This paper proposes the establishment of a second diameter measuring standard at 30cm shoot extension ('diam30') as input variable for allometric biomass estimation of small and mid-sized plant shoots. This diameter standard is better suited than the diameter at breast height (DBH, i.e. diameter at 1.30m shoot extension) for adequate characterization of plant dimensions in low bushy vegetation or in primary forest undergrowth. The relationships between both diameter standards are established based on a dataset of 8645 tree, liana and palm shoots in secondary and primary forests of central Amazonia (ranging from 1-150mm dbh). Dbh can be predicted from the diam(30) with high precision, the error introduced by diameter transformation is only 2-3 percent for trees and palms, and 5 percent for lianas. This is well acceptable for most field study purposes. Relationships deviate slightly from linearity and differ between growth forms. Relationships were markedly similar for different vegetation types (low secondary regrowth vs. primary forests), soils, and selected genera or species. This points to a general validity and applicability of diameter transformations for other field studies. This study provides researchers with a tool for the allometric estimation of biomass in low or structurally heterogeneous vegetation. Rather than applying a uniform diameter standard, the measuring position which best represents the respective plant can be decided on shoot-by-shoot. Plant diameters measured at 30cm height can be transformed to dbh for subsequent allometric biomass estimation. We recommend the use of these diameter transformations only for plants extending well beyond the theoretical minimum shoot length (i.e., >2m height). This study also prepares the ground for the comparability and compatability of future allometric equations specifically developed for small- to mid-sized vegetation components (i.e., bushes, undergrowth) which are based on...

Este estudo propõe o estabelecimento de um segundo padrão de medição de diâmetro a 30 cm de extensão do tronco ('diam30') para a estimativa alométrica da biomassa de plantas de pequeno até médio porte. Considera-se este padrão de diâmetro mais adequado do que o diâmetro à altura do peito ('DAP', a 1,30m de extensão do tronco) para a caracterização das dimensões de plantas em vegetação baixa ou no sub-bosque da mata primária. O presente trabalho investiga as relações entre os dois padrões de diâmetro, baseado em 8645 troncos de árvores, cipós e palmeiras arbóreas (com diâmetros entre 1 e 150mm DAP) em capoeiras e mata primária da Amazônia Central. Conclui-se que se pode estimar o DAP do diam30 com alta precisão, o erro causado pela transformação dos diâmetros é somente 2-3 por cento para árvores e palmeiras e 5 por cento para os cipós, níveis bem aceitáveis para a maioria dos estudos de campo. As relações entre os diâmetros desviaram levemente da linearidade e são diferentes para os três hábitos de crescimento. No entanto, as equações são bastante similares entre os diferentes tipos de vegetação (capoeira baixa vs. mata primária), solos e gêneros ou espécies, indicando sua aplicabilidade e validade geral para outros estudos de campo. Esse trabalho fornece ao pesquisador de campo uma ferramenta para a estimativa alométrica da biomassa de vegetação baixa ou estruturalmente heterogênea. Em vez de utilizar um único padrão uniforme de diâmetro pode-se escolher livremente e individualmente qual posição de diâmetro melhor representa cada tronco. Os diâmetros a 30 cm de extensão do tronco podem ser transformados para o dap para uma subseqüente estimação alométrica da sua biomassa. Recomenda-se o uso destas transformações de diâmetros somente acima de uma extensão mínima do tronco (>2m de altura). Os resultados do presente trabalho também preparam a base para a comparabilidade e compatibilidade de futuras equações alométricas baseadas no diam(30)...

Close relationship between diameters at 30cm height and at breast height (DBH)

This paper proposes the establishment of a second diameter measuring standard at 30cm shoot extension ('diam30') as input variable for allometric biomass estimation of small and mid-sized plant shoots. This diameter standard is better suited than the diameter at breast height (DBH, i.e. diameter at 1.30m shoot extension) for adequate characterization of plant dimensions in low bushy vegetation or in primary forest undergrowth. The relationships between both diameter standards are established based on a dataset of 8645 tree, liana and palm shoots in secondary and primary forests of central Amazonia (ranging from 1-150mm dbh). Dbh can be predicted from the diam(30) with high precision, the error introduced by diameter transformation is only 2-3% for trees and palms, and 5% for lianas. This is well acceptable for most field study purposes. Relationships deviate slightly from linearity and differ between growth forms. Relationships were markedly similar for different vegetation types (low secondary regrowth vs. primary forests), soils, and selected genera or species. This points to a general validity and applicability of diameter transformations for other field studies. This study provides researchers with a tool for the allometric estimation of biomass in low or structurally heterogeneous vegetation. Rather than applying a uniform diameter standard, the measuring position which best represents the respective plant can be decided on shoot-by-shoot. Plant diameters measured at 30cm height can be transformed to dbh for subsequent allometric biomass estimation. We recommend the use of these diameter transformations only for plants extending well beyond the theoretical minimum shoot length (i.e., >2m height). This study also prepares the ground for the comparability and compatability of future allometric equations specifically developed for small- to mid-sized vegetation components (i.e., bushes, undergrowth) which are based on the diam(30) measuring standard.

Este estudo propõe o estabelecimento de um segundo padrão de medição de diâmetro a 30 cm de extensão do tronco ('diam30') para a estimativa alométrica da biomassa de plantas de pequeno até médio porte. Considera-se este padrão de diâmetro mais adequado do que o diâmetro à altura do peito ('DAP', a 1,30m de extensão do tronco) para a caracterização das dimensões de plantas em vegetação baixa ou no sub-bosque da mata primária. O presente trabalho investiga as relações entre os dois padrões de diâmetro, baseado em 8645 troncos de árvores, cipós e palmeiras arbóreas (com diâmetros entre 1 e 150mm DAP) em capoeiras e mata primária da Amazônia Central. Conclui-se que se pode estimar o DAP do diam30 com alta precisão, o erro causado pela transformação dos diâmetros é somente 2-3% para árvores e palmeiras e 5% para os cipós, níveis bem aceitáveis para a maioria dos estudos de campo. As relações entre os diâmetros desviaram levemente da linearidade e são diferentes para os três hábitos de crescimento. No entanto, as equações são bastante similares entre os diferentes tipos de vegetação (capoeira baixa vs. mata primária), solos e gêneros ou espécies, indicando sua aplicabilidade e validade geral para outros estudos de campo. Esse trabalho fornece ao pesquisador de campo uma ferramenta para a estimativa alométrica da biomassa de vegetação baixa ou estruturalmente heterogênea. Em vez de utilizar um único padrão uniforme de diâmetro pode-se escolher livremente e individualmente qual posição de diâmetro melhor representa cada tronco. Os diâmetros a 30 cm de extensão do tronco podem ser transformados para o dap para uma subseqüente estimação alométrica da sua biomassa. Recomenda-se o uso destas transformações de diâmetros somente acima de uma extensão mínima do tronco (>2m de altura). Os resultados do presente trabalho também preparam a base para a comparabilidade e compatibilidade de futuras equações alométricas baseadas no diam(30) para uma melhor estimação da biomassa dos componentes de vegetação baixa e média (arbustos, sub-bosque da mata primária).