渔业声学数据后处理软件现状评述与展望:以Sonar5-Pro为例

渔业声学数据解析是渔业资源声学调查研究和应用的关键所在。目前全球渔业声学数据后处理的代表性软件主要有挪威Sonar5-Pro和澳大利亚Echoview。以Sonar5-Pro为例,开展了5个方面的研究:1)回顾了该软件自1994年以来近30年的发展历史;2)介绍了软件对声学数据进行处理的总体思路,即前处理、数据分析和结果展示3个步骤及贯穿始终的数据检视功能,以及软件的5项重要设计理念;3)介绍了该软件9项代表性功能特性的实现思路和具体方法;4)以主流分析应用鱼类生物量分析过程为例,介绍了软件的数据处理流程;5)对该软件的3项核心关键技术,即多目标跟踪(multiple target tracking)、交叉过滤跟踪(crossfilter tracker)和图像分析工具(image analysis)进行了详细介绍。研究发现,一个成熟的渔业声学数据后处理系统庞大而复杂,涉及渔业、物理学和计算机多学科知识的融合,着力加强相关领域交叉学科人才培养,充分借鉴吸收国外已有先进理念和成熟技术,基于各种应用场景需求研发具有自主知识产权的分析软件,采用引进消化吸收再逐点突破最终集成创新的方式,可以作为未来提升中国渔业声学数据解析能力和水平的重要发展途径。

采用渔业声学方法和GIS模型对楠溪江鱼类资源量及空间分布的评估

采用快捷、直接、经济的渔业声学调查方法,结合GIS模型对温州楠溪江4个主要渔业作业区域的鱼类空间分布及资源量进行了评估。结果表明,4个区域的鱼类平均目标强度为(-55.03±5.44)dB,平均体长约为7cm,范围3—10cm,各区域的鱼类大小没有显著的统计学差异(P>0.05)。同时4个区域的鱼类平均密度为8.87ind./1000m3,95%置信区间为1.66—16.09ind./1000m3。其中区域Ⅲ的鱼类密度最高,平均密度为(20.06±9.34)ind./1000m3。通过鱼类分布的GIS图形得知,鱼类的空间分布呈现斑块状的分布形式。按照ArcGIS对鱼类密度进行的栅格化数据,并结合各个栅格所代表的水体体积,进行鱼类资源量的估算,结果为4个探测区域的鱼类总尾数为2.5万尾,各个区域的鱼类资源量分别为:3971ind.、11478ind.、6587ind.、2978ind.。

基于文献计量的渔业声学研究状况分析

渔业声学方法作为研究水下生物资源的重要手段之一,近年来被广泛应用于淡水与海洋生物的研究中。为探明渔业声学研究热点及未来研究发展方向,采用文献计量方法分析了渔业声学发表论文数量、主要研究机构、研究热点及其历史演变。分析结果表明:渔业声学研究2007年开始进入快速增长期,论文数量及引用量呈现激增趋势;美国在渔业声学研究领域占绝对优势地位,其次为加拿大、挪威等国家;近10年来,渔业声学的发展呈现出多学科交叉特征,目标强度与噪声等仍是目前研究的重点内容,种类判别技术及生态保护等领域的应用研究是当前世界各国学者关注的热点,也是未来渔业声学发展的重点方向。研究结果可为我国渔业声学研究和未来发展提供基础资料。

渔业声学数据后处理中噪声剔除的研究进展

渔业资源声学评估以其无选择性、覆盖面积大、快速准确、不伤资源等优点被应用到多种水生生物的资源评估工作中。但是,在使用回声积分系统采集水体声学信号时,由于受声学仪器、调查船只、周围环境、混在生物等因素影响,会产生很多噪声和混响等干扰信号。在使用声学数据进行资源评估之前,应将数据中的噪声和混响进行剔除,避免对资源量评估产生影响。文章将国内外所使用的各种噪声剔除方法归纳总结为三类:设定积分阈值法、科学渔探仪被动模式噪声剔除法和科学渔探仪主动模式噪声剔除法,并指出了这些方法的优缺点,希望对渔业资源声学评估的数据后处理过程有所帮助。

海洋渔业声学装备关键技术研究进展

海洋渔业声学装备在海洋渔业精准探测、高效捕捞中有着重要应用,其关键技术的改进对于装备性能提升至关重要。本研究分析了海洋渔业声学装备关键技术国内外研究现状,论述了单波束、双波束、分裂波束和多波束关键技术的研究进展,并重点阐述了近十年来多波束、多频和宽带关键技术在海洋渔业声学装备方面取得的重大进展。研究表明,国内渔业声学装备关键技术虽取得了一定进展,但与国外先进技术还存在较大差距,文章最后对国内渔业声学装备关键技术未来发展进行了展望。

商业渔船渔业声学数据采集及应用研究进展

近年来,渔业资源的管理模式从以单一物种为基本单位逐步转变为基于生态系统的综合管理模式,对于获取大时空尺度内的生物、环境数据的需求愈来愈强,以传统科考船为平台进行声学调查已经不能满足大空间尺度下的资源量变动研究。基于渔船鱼探仪等声学设备作为资源环境调查手段,可以在降低成本的情况下提升数据获取的完整性,同时提高调查的空间覆盖率。为此,梳理商业渔船采集声学数据的主要设备类别,总结商业声学数据的分析和应用方法,以期为我国日后利用渔船开展资源调查与评估工作提供参考,同时为我国未来利用渔船进行生态系统资源管理提供科学依据。

中国渔业资源声学评估研究与进展

中国现代水产业的快速发展是建立在渔业资源可持续利用基础上的。近年来,随着中国渔业资源声学评估技术水平的提高,对精准把握渔业资源现存量和制定合理有效的捕捞计划起到了重要的作用,同时也为海洋牧场和淡水大水面合理制定鱼类增殖放流计划提供了强有力的技术支撑和保障。本文在简述渔业资源声学评估发展历程和渔业资源声学技术的基础上,综述了近年来中国在渔业资源声学评估领域的研究现状,包括远洋、极地、陆架海域和淡水水域的渔业资源声学调查评估,相关重要经济鱼类目标强度,以及渔业资源空间统计分析等,并针对国内目前研究中存在的不足,提出无人平台声学调查技术和高性能声学装备研发,以及中国多鱼种声学散射目标库建设等未来重点研究方向,以期为中国渔业资源声学评估研究与技术应用提供科学参考。

塞拉利昂海域雨季深海声学散射层生物垂直迁移现象分析

应用2021年5月西北非塞拉利昂海域中上层渔业资源与环境调查的船载Simrad EK60科学渔探仪(38 kHz)数据,对深海声学散射层生物的垂直迁移过程和迁移量进行分析研究。结果表明:EK60探测范围内,277~563 m水层存在深海声学散射层;该层部分生物日落时分上升、日出时分下降,上升和下降活动持续时间均约为3.10 h;迁移活动以变速运动形式分2~5层进行,且迁移中会发生层间的分离与聚合现象;净垂直下降速率均值为4.30 cm·s^(-1),大于净垂直上升速率均值3.41 cm·s^(-1);上升后,深海声学散射层内NASC值减少62.63%~92.70%,绝大部分进入96 m以浅的浅水层中;下降后,深海声学散射层内NASC值增加45.59%~79.79%,占浅水层内减少NASC值的32.71%~98.67%。

南海渔业资源声学调查与研究进展

本文概述了渔业声学探测的基本原理以及南海渔业资源的特点。总结近年来南海渔业资源声学调查情况,结合现阶段国内外渔业声学研究现状,从目标强度的测量、影像分析和积分值分配等方面分析了目前待改进之处。结合南海海区渔业资源特点,探讨多鱼种调查中存在的难点以及解决方法,提出了声学评估技术在南海海区的研究发展方向,为今后南海海区科学地组织渔业,根据渔场和捕捞对象的资源状况,合理安排渔船,制定切合实际的生产计划,编制渔业发展的远景规划提供参考依据。

獐子岛海洋牧场秋季渔业资源声学调查与评估

为准确评估獐子岛海洋牧场的渔业资源量,科学评价人工鱼礁的建设效果,2016年11月12日利用獐子岛科研船载双频分裂波束科学鱼探仪系统(Simrad EK60型,120 k Hz、200 k Hz,挪威)结合定置网具对獐子岛海洋牧场的深水鱼礁区进行了渔业资源声学调查,并利用回波积分法分析人工鱼礁区内外的渔业资源空间分布和资源量。结果表明:生物采样共采集鱼类36种,其中虾蟹类、头足类共11种;鱼礁区内捕获鱼类29种,其中虾蟹类、头足类11种,鱼礁区外捕获鱼类24种,其中虾蟹类、头足类9种;鱼礁区内生物资源量平均密度为0.046 ind./m^2,而鱼礁区外生物资源量平均密度为0.033 ind./m^2;鱼礁区内单体目标强度为-65～-53 d B的目标物主要分布于20 m以浅水层,单体目标强度为-47～-29 d B的目标物主要分布于30 m以深的底层;鱼礁区外单体目标强度为-65～-57 d B的目标物分布于各水层,目标强度为-55～-25 d B的目标物主要分布于23～30 m水层,底层个体较少。研究表明,人工鱼礁区内水域平均生物资源量密度比鱼礁区外水域高39.4%,人工鱼礁区内生物种类比鱼礁区外水域高20.8%,人工鱼礁对渔业资源的养护效果较好。

南海鸢乌贼水声学测量和评估相关技术研究

利用双频（38 kHz、120 kHz）Simrad EK60和频率分别为70 kHz和120 kHz的2部Simrad EY60科学探鱼仪于2013年获得的南海鸢乌贼（Sthenoteuthis oualaniensis）声学调查资料,对鸢乌贼的目标强度（TS）和空间分布、浮游动物的干扰、频差技术的应用等内容进行了分析。结果表明,以灯光罩网取样对鸢乌贼TS进行现场测量是可行途径;自然条件下鸢乌贼声学映像不明显,光诱条件下鸢乌贼开始聚集,22：00前主要分布于10～50m和55～80m水层,22：00后主要分布于10～35m、50～75m和115～155m水层;浮游动物和深海鱼类是鸢乌贼声学探测的重要干扰,尤其是夜间,设置积分阈要考虑不同时间段的影响;频差技术是鸢乌贼声学映像鉴别的重要方法,应深入研究。

南海外海大洋性渔业资源调查评估进展

南海深水区蕴藏着丰富的大洋性渔业资源。当前,南海北部近海渔业资源被过度捕捞,外海大洋性渔业资源却尚未充分利用,南海大洋性渔业资源评估资料不足成为限制外海渔业研究和合理利用的瓶颈之一。为进一步掌握南海外海渔业资源潜力、渔场和渔汛等信息,2011年以来,中国水产科学研究院南海水产研究所对南海大洋性渔业资源作了持续调查,获得了大量基础资料、重要研究结果和重大发现,首次采用渔业声学并结合灯光罩网同步开展大洋性中上层鱼类资源调查,基于渔业声学-灯光罩网方法评估了主要大洋性渔业类群的资源量和分布,探捕到多处大型渔场并证实了南海大洋性渔业资源巨大的开发潜力等。文章主要报道了近年来中国在南海外海大洋性渔业资源调查评估领域的最新阶段性研究成果,总结了存在的问题和未来的研究方向。

基于水声学探测的镜泊湖鱼类时空分布特征及资源量评估

2020年5、7和10月,采用多网目复合刺网调查和水声学探测相结合的方式对镜泊湖鱼类群落时空动态和资源量进行调查.渔获物调查共采集鱼类4目6科29种,其中鲤科鱼类最多,主要经济鱼类为鲢(Hypophthalmichthys molitrix)、鳙(Aristichthys nobilis)、蒙古鲌(Chanodichthys mongolicus)、瓦氏雅罗鱼(Leuciscus waleckii)、鲤(Cyprinus carpio)、翘嘴鲌(Culter alburnus).蒙古鲌和■(Hemiculter leucisculus)为优势种.水声学探测结果表明,镜泊湖鱼类密度在春季、夏季和秋季分别为836、7216和2724 ind./hm^(2),其中夏季鱼类密度最高且主要集中于中部和南部区域,春季和秋季鱼类密度则呈现从南至北递减的趋势.春、夏、秋季鱼类的平均目标强度为-43.4、-50.0和-46.5 dB,估算的平均全长分别为34.0、18.0和25.2 cm,推算的平均体重分别为272.7、43.7和135.2 g.结合各季节平均密度,估算出春、夏、秋季镜泊湖鱼类资源量分别为2052、2835和3313 t.镜泊湖鱼类密度与环境因子之间的冗余分析结果表明,水体总悬浮物、叶绿素a、水温和溶解氧是影响鱼类群落结构变化的关键环境因子.从水声学探测和刺网调查的结果来看,镜泊湖渔获物小型化问题突出,鱼类资源呈现衰退趋势,渔业资源的不合理利用是造成镜泊湖鱼类资源衰退的主要因素.因此建议强化对自然捕捞的管理,严格控制捕捞数量和规格,保障鱼类资源自然增殖,结合牡丹江流域污染防治、改善鱼类栖息地环境等鱼类生境修复措施,以促进鱼类资源的恢复.

基于水声学探测的香溪河鱼类资源时空分布特征评估

为了掌握三峡水库香溪河鱼类资源时空分布特征,2013年5月和11月运用Simrad EY60型分裂波束回声探测仪在香溪河进行了水声学探测,辅以常规渔获物分析方法。渔获物调查共发现鱼类7科41种,其中似鳊、贝氏、、银和蛇等小型鱼类在数量上占据优势地位。水声学探测结果表明,香溪河春季鱼类密度显著高于秋季,采用加权平均法求得2013年5月和11月探测的鱼类密度分别为53.4和15.4 ind./1000 m3。鱼类资源在空间上不均匀分布,从高岚河至香溪河口鱼类密度逐渐降低;在垂直方向上,春季和秋季水声学探测的鱼类密度显示出相同的趋势,即表层>中层>底层。在运用鱼类生物操纵改善水质途径方面,建议通过壮大肉食性鱼类种群来控制小型鱼类资源量,同时通过增殖放流鲢、鳙以加强对浮游植物的滤食作用。

三峡库区香溪河鱼类资源水声学探测效果的昼夜差异研究

三峡大坝的建设和运行很大程度上改变了库区的生态环境,如水文特征、水生生物等,势必影响到鱼类群落结构及分布。由于受到空间范围和生境复杂性等因素的制约,传统的鱼类资源调查方法在大型深水水库实施时存在费时费力、误差大等问题,而水声学探测法作为一种新型评估方法具有高效快捷、不损伤调查对象等优点。

三亚蜈支洲岛热带海洋牧场渔业资源现状及季节变动

蜈支洲岛海洋牧场为海南省首个国家级海洋牧场示范区,为评估蜈支洲岛海洋牧场的资源养护效果,进而为下一步海洋牧场的渔业资源科学管理提供依据。采用渔业资源水声学调查方法,对蜈支洲海洋牧场近岛人工鱼礁区及海棠湾湾区的渔业资源现状及其季节变动进行了研究。2019年4月、8月、12月进行了3次调查,结果显示:4月近岛人工鱼礁区域共捕获游泳生物63种,平均资源量密度为63.71t/km^(2),8月、12月海棠湾湾区共捕获游泳生物68种和120种,平均资源量密度分别为8.29 t/km^(2)和7.21 t/km^(2)。4-12月物种多样性指数(H′)均值分别为3.532、3.478、4.414。三次调查中,鱼类优势种中多齿蛇鲻(Sauridatumbil)、短鳄齿鱼(Champsodonsnyderi)、宽条鹦天竺鯛(Ostorhinchus fasciatus)均出现2次,其余种类均只出现一次。4-12月重要经济生物占总资源量的比重依次为72.46%、64.74%、57.59%。综上所述,蜈支洲岛海洋牧场近岛人工礁区及海棠湾湾区渔业资源丰富、物种多样性高,尤其是海洋牧场建设对于渔业资源的聚集起到了积极的作用,但仍存在重要经济鱼类少,个体较小等问题。

博斯腾湖鱼类密度季节变化及其环境影响因素

为了解博斯腾湖鱼类资源现状及其与环境因素的关系,于2019年5月(春季)、7-8月(夏季)、10月(秋季),采用分裂波束回声探测仪(Simrad EY60,120 kHz)开展全湖水声学探测,并对水环境指标进行现场测量。结果显示,博斯腾湖鱼类密度在夏季最高,平均值为(8783±2611)ind./hm^(2);春季和秋季间无显著性差异,平均值分别为(709±141)、(743±499)ind./hm^(2)。根据目标强度与体长关系经验公式推算,春季、夏季和秋季鱼类的平均体长分别为8.8、4.0和5.1 cm。相关分析结果显示,博斯腾湖鱼类密度与水温和电导率呈极显著正相关(P<0.01),而与透明度呈显著负相关(P<0.05)。随机森林模型的特征重要性排序结果显示,电导率是鱼类密度最重要的预测因子,其次为溶解氧、盐度和水温等。推测鱼类密度的季节变化与环境变化、食物来源、繁殖习性等因素密切相关,环境因子可能通过直接或间接的方式影响鱼类的生态环境需求。

近岸4种鱼的声散射特征提取及融合实验研究

为了有效地提取表征鱼类间差异的声散射特征参数,该文通过绳系法实验研究了近岸4种经济鱼类的声散射信号特征提取及融合方法。首先,通过自研双频鱼探仪采集花鲈、许氏平鲉、黑鲷和斑石鲷的个体鱼声散射信号;然后,分别测定200 kHz和450 kHz换能器下鱼体的目标强度,同时提取鱼声散射信号的时频域统计特征;最后,将降维后的时频特征与频差特征融合组成新的特征向量。该文通过实验验证了该方法的有效性,基于组合特征的支持向量机识别准确率达93%。结果表明,鱼的频率响应特性和鱼声散射信号的时频域统计特征能一定程度上反映鱼的固有属性,有效地增加判别依据能显著提高以上4种鱼类的识别准确率。

中东大西洋中部海域小型中上层鱼类集群形态与时空分布特征

利用2014年11月17日~12月2日我国拖网渔船在中东大西洋部分区域(塞内加尔共和国专属经济区)作业时获取的FURUNO FCV-292型船载探鱼仪声学映像资料,结合渔业声学原理与水文环境数据,分析了该海域小型中上层鱼类的集群分布特征。结果显示:调查期间该海域底拖网渔船捕获主要小型中上层渔业资源为北梭鱼(Albula vulpes)、斑鳍圆鰺(Decapterus rhonchus)与黑斑十指马鲅(Galeoides decadactylus)等鱼类,分别占总渔获量的11.23%、11.34%,5.78%,其它捕捞种基本为底栖鱼类;将鱼群集群类型分为散点状、短带状、散带状、块状与带状等5种集群类型,统计了每种集群类型出现的站位地理信息,5种集群类型占比依次为22.4%、15.3%、27.6%、22.4%与12.2%;在水平尺度上,鱼群集中分布于海表温度为27℃与28℃等温线之间的水域,且集中现象明显,两个集中区域分别位于近岸海域中部与南部;鱼群主要栖息水层深度为10~30 m,占整个水层的90%以上;受水温垂直梯度变化影响较小,对盐度的垂直变化有一定的应激行为;鱼群的形态在夜间分散日间聚集,夜间多表现为散点状集群,日间多表现为短带状、块状与带状等聚集程度高的集群类型;集群数量表现出明显的日间多夜间低的变化趋势。结合历史研究讨论了该海域主要中上层鱼类资源情况;分析了鱼群集群类型与生物量的内在关系,发现在生物量上表现出较高水平的集群类型为散带状与带状,此结论可在一定程度上指导渔船的瞄准捕捞。

鸢乌贼目标强度绳系控制法测量

2017年9月在南海北部(18°42.9′N,113°05.5′E)附近的深海海域,利用Simrad EY60型便携式分裂波束科学探鱼仪(120 kHz)和自制的鸢乌贼绳系控制装置对25尾鸢乌贼 逐尾进行了单体目标强度(TS/dB)的测量,探讨了鸢乌贼单体目标探测中脉冲长度决定水 平(PLDL/dB)、最小标准脉宽(min NPL)、最大标准脉宽(max NPL)和短轴角度最大标准偏 差(MIA)等参数的变化对鸢乌贼单体目标强度测量的影响,分析了鸢乌贼单体TS的变化 规律,并归纳了鸢乌贼TS与胴长的关系。结果显示,①随着PLDL增大,所探测鸢乌贼 单体目标的数量呈先增加后减少的特征,并在PLDL=6 dB时达到峰值,而平均TS则呈单 调增加趋势;随着min NPL增大,鸢乌贼单体目标的数量减少,在min NPL<0.7范围内, 平均TS呈明显的上升趋势;当max NPL<1.2时,鸢乌贼单体目标的数量随max NPL的增 大而增加,但平均TS却随之减小,当1.2<max NPL<1.8时,鸢乌贼单体目标的数量呈缓 慢增加趋势,但平均TS 则基本保持稳定;鸢乌贼单体目标数量随MIA的增大而增加, 但平均TS则随之减小。②本研究中鸢乌贼单体目标探测参数的优化组合为PLDL=6.00 dB,min NPL=0.7 dB,max NPL=1.8 dB,MIA=0.8°。③活体鸢乌贼单体平均TS的最大值 和最小值分别为 48.6 dB和 63.63 dB,其对应鸢乌贼的胴长(ML/cm)分别为25.2 cm和12.4 cm, 鸢乌贼TS与其ML的关系为TS=34.22 lg ML 98.23 (N=16,R2=0.603)。本实验首次尝试利 用绳系控制法海上现场测量活体鸢乌贼的目标强度,为今后继续深入研究鸢乌贼声学散 射特性积累了资料,亦能为其他头足类或鱼类目标强度的海上现场测量提供参考。