海洋漁業(yè)資源聲學(xué)評(píng)估技術(shù)及在南極磷蝦資源聲學(xué)評(píng)估中的應(yīng)用

楊 洋， 朱國平, 2, 3

(1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306； 2. 國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 3.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，極地海洋生態(tài)系統(tǒng)研究室，上海 201306)

1 前言

水聲學(xué)方法最初被用于戰(zhàn)爭中水下潛艇的探測，經(jīng)過長達(dá)百年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于水下導(dǎo)航、探魚、測深及海底地形測繪等方面。目前，水聲學(xué)技術(shù)已是開發(fā)海洋和研究海洋必不可少的手段。作為水聲學(xué)在漁業(yè)資源研究領(lǐng)域的應(yīng)用分支，漁業(yè)聲學(xué)利用水聲學(xué)方法進(jìn)行水下生物探測或漁業(yè)資源評(píng)估和管理[1-2]，現(xiàn)已發(fā)展成為漁業(yè)資源研究領(lǐng)域重要的方法之一。南極磷蝦作為人類蛋白質(zhì)資源的巨大寶庫，其資源評(píng)估意義重大。南極磷蝦聲學(xué)資源調(diào)查具有較長的發(fā)展歷史，并已建立了一套較為完善的評(píng)估方法體系，但實(shí)際研究中仍存在一些亟待解決的問題。本文討論了聲學(xué)資源評(píng)估方法及在南極磷蝦研究中的一些熱點(diǎn)問題，著重對(duì)南極磷蝦聲學(xué)研究中數(shù)據(jù)采集、目標(biāo)強(qiáng)度研究、后處理方法等方面進(jìn)行了總結(jié)和歸納，旨在為南極磷蝦的資源管理和科學(xué)研究提供參考。

2 漁業(yè)聲學(xué)在海洋生物資源評(píng)估中的應(yīng)用

海洋生物資源評(píng)估是利用科學(xué)的方法研究海洋生物資源種群變動(dòng)和數(shù)量變化，從而為漁業(yè)資源管理提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。評(píng)估海洋生物資源量的方法有很多，從漁業(yè)資源評(píng)估角度來講，一般將這些方法分為兩類，即傳統(tǒng)資源評(píng)估方法和聲學(xué)資源評(píng)估方法。

2.1 傳統(tǒng)資源評(píng)估方法

傳統(tǒng)漁業(yè)資源評(píng)估方法大體上分為兩類。一類是用調(diào)查資料進(jìn)行概算，另一類是用漁業(yè)統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行概算。調(diào)查資料方法包括魚卵仔魚法、拖網(wǎng)掃海面積法、標(biāo)志重捕法、營養(yǎng)動(dòng)態(tài)法等；漁業(yè)統(tǒng)計(jì)資料法包括年齡結(jié)構(gòu)的實(shí)際種群分析(TVPA)、基于漁獲物年齡結(jié)構(gòu)的股分析(TCA)、基于漁獲物體長結(jié)構(gòu)的股分析(LCA)等。利用傳統(tǒng)資源評(píng)估方法進(jìn)行漁業(yè)資源評(píng)估時(shí)，不僅要有完整的漁業(yè)統(tǒng)計(jì)資料或海上調(diào)查資料，還需要滿足一定的條件。一般來說，漁業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際條件往往相距甚遠(yuǎn)，在此情況下，估算資源量的準(zhǔn)確性可能較差。另外，傳統(tǒng)資源評(píng)估方法限制因子較多，如魚卵仔魚調(diào)查法只適用于產(chǎn)漂流性卵魚類的資源量估算；拖網(wǎng)掃海面積法主要適用于底層和近底層漁業(yè)資源，對(duì)中上層魚類的資源評(píng)估誤差較大；標(biāo)志重捕法要求標(biāo)志魚和未標(biāo)志魚具有相同的死亡率；體長頻率分析法多應(yīng)用于熱帶魚類和無脊椎動(dòng)物的資源評(píng)估中。漁業(yè)統(tǒng)計(jì)資料方法中所用的數(shù)據(jù)測量和收集較為困難，且數(shù)量巨大，計(jì)算比較費(fèi)力。

2.2 聲學(xué)資源評(píng)估方法

聲學(xué)資源評(píng)估指利用水聲學(xué)方法對(duì)水生生物資源量、種群變動(dòng)進(jìn)行評(píng)估和評(píng)價(jià)，對(duì)集群性較強(qiáng)、資源結(jié)構(gòu)較為簡單的中上層魚類開展資源評(píng)估具有較高的準(zhǔn)確性。開展生物資源評(píng)估研究需具有濃厚的物理學(xué)背景和嚴(yán)格的物理學(xué)基礎(chǔ)[3]。聲學(xué)方法評(píng)估資源量的步驟通常包括調(diào)查設(shè)計(jì)、聲學(xué)儀器校正、數(shù)據(jù)采集、目標(biāo)強(qiáng)度確定、數(shù)據(jù)處理及生物量估算等。

2.2.1 航線設(shè)計(jì)

開展聲學(xué)資源調(diào)查時(shí)，設(shè)計(jì)走航路線需要盡量以垂直于目標(biāo)生物密度梯度線為原則，盡量保證航線的平行，以便于分區(qū)計(jì)算。從生態(tài)學(xué)考慮，大部分海洋生物的分布與地形和水深有著密切的關(guān)系，因此航線方向應(yīng)以垂直于岸線為主[4]?？紤]到一些復(fù)雜地形以及定點(diǎn)拖網(wǎng)取樣的因素，航線可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2 聲學(xué)儀器校正

早期聲學(xué)調(diào)查階段，儀器校正精度是資源豐度評(píng)估誤差的主要來源。1981年，F(xiàn)OOTE等[5]發(fā)現(xiàn)，60 mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)銅球?qū)?8 kHz始終保持穩(wěn)定的目標(biāo)強(qiáng)度。利用銅球校準(zhǔn)方法精度高達(dá)0.1分貝，完全滿足漁業(yè)調(diào)查評(píng)估的要求[1, 5]。校正的主要參數(shù)包括系統(tǒng)收發(fā)增益以及等效波束角等。聲速的數(shù)據(jù)可以通過溫鹽深儀(CTD)測得的溫度和鹽度計(jì)算得出。校正時(shí)要選定海流較為穩(wěn)定的地點(diǎn)，盡量避開魚群的干擾，標(biāo)準(zhǔn)球位置要位于換能器近場區(qū)之外。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集包括聲學(xué)數(shù)據(jù)和生物學(xué)數(shù)據(jù)的采集。聲學(xué)數(shù)據(jù)采集時(shí)，利用聲學(xué)探測系統(tǒng)對(duì)換能器以下的水體進(jìn)行連續(xù)的探測并記錄；生物學(xué)取樣根據(jù)預(yù)設(shè)的拖網(wǎng)站位進(jìn)行拖網(wǎng)，并對(duì)漁獲物進(jìn)行分類和生物學(xué)信息的記錄。聲學(xué)映像較好時(shí)，可以適當(dāng)增加拖網(wǎng)的數(shù)量。

2.2.4 目標(biāo)強(qiáng)度確定

魚類的目標(biāo)強(qiáng)度(Target Strength, TS)為將聲學(xué)回波積分值轉(zhuǎn)化成資源密度和絕對(duì)資源量的關(guān)鍵參數(shù)[3]，因此不同種類海洋生物的目標(biāo)強(qiáng)度研究一直是聲學(xué)資源評(píng)估中的熱點(diǎn)。目標(biāo)強(qiáng)度的定義為在距離目標(biāo)的聲學(xué)中心1 m處，由目標(biāo)反射回來的聲強(qiáng)與同一方向上入射聲強(qiáng)之比[6]。目標(biāo)強(qiáng)度跟魚類的聲學(xué)散射截面密切相關(guān)。實(shí)際情況中，魚類的聲學(xué)散射截面并非恒值，而是隨魚的種類(有無魚鰾及形態(tài)差異)、體長和姿勢(魚體縱軸與換能器聲軸之間的夾角)而變，一般采用對(duì)數(shù)形式的目標(biāo)強(qiáng)度值代替反向散射截面的值，

TS=10log10(σ/4π)=10log10(σbs)

式中，σ和σbs分別為魚類的聲學(xué)散射截面和反向聲學(xué)散射截面，單位為m2[7]。

目標(biāo)強(qiáng)度的測定方法主要分為實(shí)驗(yàn)測定法和模型研究法。實(shí)驗(yàn)測定法可分為自然條件測定和網(wǎng)箱控制測定；模型法主要包括DCM(Deformed Cylinder Model)、KRM(The Kirchoff Ray-mode Approximation)、DWBA(Distorted Wave Born Approximation)等。由于理論模型研究不受實(shí)驗(yàn)測定條件的限制，具有靈活、方便的特點(diǎn)，是對(duì)目標(biāo)強(qiáng)度測定方法的有效補(bǔ)充，因此也得到越來越廣泛的應(yīng)用[8]。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括聲學(xué)映像分析和積分值分配?；夭〝?shù)據(jù)中不但包含了目標(biāo)群的信號(hào)，也可能包含來自船體和海底海表的背景噪聲和混響信號(hào)。聲學(xué)映像分析利用后處理方法盡可能剔除回波數(shù)據(jù)中非目標(biāo)生物的信號(hào)；積分值分配則將回波信號(hào)的積分值分配到各個(gè)生物種，然后將單元格內(nèi)目標(biāo)生物的回波信號(hào)輸出用于目標(biāo)群密度的計(jì)算。傳統(tǒng)的積分值分配主要依賴于拖網(wǎng)驗(yàn)證和經(jīng)驗(yàn)判定生物種比例，具有較大的不確定性。近些年來，由于后處理方法的逐步完善，可通過技術(shù)手段直接分析回波信號(hào)以判定生物群的種類和比例，減少了對(duì)拖網(wǎng)驗(yàn)證的依賴，并提高了積分值分配的準(zhǔn)確性。

2.2.6 生物量估算

群生物量的估算，首先需要根據(jù)生物種類的特性選擇積分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法。一般分為回波計(jì)數(shù)法和回聲積分法。回波計(jì)數(shù)法為在一定范圍內(nèi)對(duì)聲學(xué)波束掃描區(qū)域內(nèi)回波個(gè)數(shù)進(jìn)行檢測和計(jì)數(shù)，根據(jù)波束擴(kuò)展采樣角度計(jì)算掃描水域的體積，獲得該范圍內(nèi)生物群的平均密度，回波計(jì)數(shù)法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中占絕對(duì)優(yōu)勢的單一種類，且分布較為離散的魚種調(diào)查較為準(zhǔn)確；回聲積分法基于體積混響測量原理，將波束掃描區(qū)域內(nèi)的單體生物和生物群回波均視為體積散射，通過積分和平均一定測量區(qū)間的體積散射強(qiáng)度(Backscattering Volume Strength, Sv)，然后利用它與生物目標(biāo)強(qiáng)度、生物群的密度成正相關(guān)，即平均Sv可被視為單體魚聲學(xué)散射截面的非相干疊加[9]，區(qū)域的生物資源密度可表示為：

ρ = /<σbs>

式中，和<σbs>分別為平均Sv和生物個(gè)體的平均聲學(xué)反向散射截面。根據(jù)已知的Sv、TS或σbs值可得出目標(biāo)生物的面積密度，進(jìn)而得到整個(gè)調(diào)查區(qū)域的資源量。

3 漁業(yè)聲學(xué)在南極磷蝦資源研究中的應(yīng)用

南極磷蝦廣泛分布于南大洋水域，資源儲(chǔ)量豐富，是全球海洋中最大的單種可捕生物資源。同時(shí)，南極磷蝦也是須鯨、企鵝及魚類和海鳥的主要食物，是南大洋生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵物種[10-11]。由于南極磷蝦在南大洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位，南極磷蝦的資源量分布及其變動(dòng)對(duì)南大洋生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)水平的影響，準(zhǔn)確掌握南極磷蝦資源量及變化將有利于南大洋海洋生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)視。同時(shí)，南極磷蝦資源調(diào)查研究也是南極磷蝦反饋式漁業(yè)管理(Feedback Management，F(xiàn)BM)機(jī)制的重要組成部分[12]。

3.1 南極磷蝦特征

3.1.1 分布特征

南極磷蝦具有明顯的環(huán)南極分布特征，主要分布于50°S以南海域，但其分布并不均勻，呈顯著的斑塊狀分布[13]，50%以上的南極磷蝦分布在南大西洋南極繞極流海域[14]，而南印度洋區(qū)豐度較低。南極磷蝦資源豐度與海冰的面積有一定的相關(guān)性，冬季海冰可以為南極磷蝦提供覓食、棲息、躲避敵害的場所，海冰的減少會(huì)對(duì)南極磷蝦種群的生存和發(fā)展產(chǎn)生較大的影響[15-16]。南極磷蝦在一定條件下和其它物種存在空間重疊。NICOL[17]在南極極鋒以南、南極半島海域觀察到南極磷蝦與紐鰓樽(Salpathompsoni)的空間分布存在重疊，這為基于聲學(xué)手段評(píng)估南極磷蝦資源帶來了較大的困難。此外，據(jù)筆者登臨我國南極磷蝦漁船時(shí)觀察，布蘭斯菲爾德海峽內(nèi)南極磷蝦與紐鰓樽存在大量的空間重疊，且僅通過漁探儀圖像無法區(qū)分。

3.1.2 集群特征

南極磷蝦存在晝夜垂直移動(dòng)現(xiàn)象，且集群特征跟光照條件、攝食行為及環(huán)境因子相關(guān)[18-20]。白天南極磷蝦遷移至較深水層，夜晚上升至海表[21]。蝦群密度的趨勢也表現(xiàn)出明顯的晝夜變化規(guī)律，南極磷蝦在白天似乎具有相對(duì)較高的集群密度[22]。南極磷蝦屬于弱泳生物，水平尺度運(yùn)動(dòng)能力有限，基本上屬于隨波逐流[23]，攝食狀態(tài)或海流的變化會(huì)影響南極磷蝦的游泳姿態(tài)，而對(duì)于當(dāng)前南極磷蝦研究中的大多數(shù)目標(biāo)強(qiáng)度模型來說，傾角參數(shù)的確定十分重要。

3.1.3 個(gè)體特征

魚體含脂量是影響魚體目標(biāo)強(qiáng)度的因素之一。南極磷蝦的個(gè)體生長和含脂量存在季節(jié)性變化。IKEDA等[24]和朱國平[25]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若冬季停止攝食，南極磷蝦個(gè)體將會(huì)出現(xiàn)負(fù)生長。聶玉晨[26]發(fā)現(xiàn)，自南極的初夏到秋末，南設(shè)得蘭群島海域的南極磷蝦脂肪含量呈逐漸上升趨勢，且雄體南極磷蝦與抱卵雌體含脂量存在差異。MORRIS[27]發(fā)現(xiàn)，相同體長的南極大磷蝦雌性與雄性體重存在約9.5%的差異，南極磷蝦集群密度較大，種群結(jié)構(gòu)的差異可能導(dǎo)致不同集群之間積分值產(chǎn)生難以預(yù)料的偏差。另外，在將聲學(xué)數(shù)據(jù)處理所得南極磷蝦密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生物量時(shí)，個(gè)體特征的差異也是誤差的來源之一。

3.2 南極磷蝦聲學(xué)評(píng)估的發(fā)展

南大洋距離人類生活的大陸遙遠(yuǎn)，且南極磷蝦分布范圍較廣，一次完整的聲學(xué)調(diào)查需要較高的成本。歷史上只進(jìn)行過兩次大規(guī)模的南極磷蝦資源多國聯(lián)合調(diào)查，第一次為1979/1980和1984/1985年進(jìn)行的BIOMASS項(xiàng)目[28]，其中FIBEX(First International BIOMASS Experiments)主要針對(duì)南大洋的大西洋扇區(qū)和印度洋扇區(qū)進(jìn)行了南極磷蝦分布范圍調(diào)查[29]，SEBEX(Second International BIOMASS Experiments)主要對(duì)南極半島海域的南極磷蝦分布和資源量進(jìn)行了調(diào)查[30-31]。2000年，基于漁業(yè)管理的需要，由CCAMLR(Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources)組織的斯科舍海及南極半島海域多船多國聯(lián)合調(diào)查開展[32]。該調(diào)查重點(diǎn)對(duì)商業(yè)捕撈區(qū)域的磷蝦資源量進(jìn)行了評(píng)估，并收集了用于分析環(huán)境和生態(tài)變化對(duì)于南極磷蝦生長、分布影響的寶貴資料。

南極磷蝦的聲學(xué)評(píng)估發(fā)展中，其目標(biāo)強(qiáng)度和后處理方法一直是研究的熱點(diǎn)。目標(biāo)強(qiáng)度方面，研究人員最初采用經(jīng)驗(yàn)公式法和DWBA模型的方法結(jié)合拖網(wǎng)數(shù)據(jù)確定目標(biāo)強(qiáng)度，后通過對(duì)南極磷蝦自然狀態(tài)下傾角變化以及其它聲學(xué)特性的研究，引入了磷蝦游泳傾角以及磷蝦與海水之間密度比、聲速比等參數(shù)，優(yōu)化了目標(biāo)強(qiáng)度模型，即當(dāng)前被廣泛采用的SDWBA模型；后處理方法上，主要包括噪聲剔除和目標(biāo)信號(hào)提取方面的研究。COX[33]在2017年的CCAMLR聲學(xué)小組(Subgroup On Acoustic Survey And Analysis Methods，SG-ASAM)會(huì)議上提出了一種基于磷蝦集群識(shí)別的數(shù)據(jù)處理方法。與傳統(tǒng)的積分法相比，集群法基于一種對(duì)磷蝦群特征分析算法識(shí)別回波圖像中的蝦群，只針對(duì)目標(biāo)蝦群信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算和區(qū)域密度計(jì)算。相較于以往的通過頻差識(shí)別后積分柵格處理方法，集群法不需要對(duì)蝦群以外的回波信號(hào)進(jìn)行噪聲處理等操作，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)處理時(shí)間，未來可能成為南極磷蝦資源評(píng)估中數(shù)據(jù)處理的主要方法。

3.3 聲學(xué)評(píng)估面臨的問題

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

南極磷蝦聲學(xué)調(diào)查成本較高，一方面要考慮數(shù)據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，還要兼顧經(jīng)濟(jì)方面的因素。因此，南極磷蝦的聲學(xué)調(diào)查要求盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)獲取準(zhǔn)確有效的聲學(xué)資料。而由于南極磷蝦存在晝夜垂直移動(dòng)的行為，夜晚蝦群上升至海表，白天下沉到較深水層。南極磷蝦調(diào)查船吃水多在6 m以上，調(diào)查所用頻率換能器近場區(qū)范圍在1～11 m之間。因此，海表20 m以內(nèi)聲學(xué)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性往往較差，而夜間蝦群可能會(huì)聚集在表層區(qū)間。因此，南極磷蝦的聲學(xué)調(diào)查多在黎明至黃昏時(shí)段進(jìn)行[34-35]。這無疑會(huì)增加調(diào)查時(shí)間和調(diào)查成本。未來在調(diào)查設(shè)備和分析方法上的進(jìn)步可能會(huì)突破這些限制。

3.3.2 背景噪聲剔除

噪聲是任何存在于傳播介質(zhì)中的與發(fā)射脈沖無關(guān)的信號(hào)，包括背景噪聲、儀器自身的電噪聲和船舶噪聲等[36]。海表風(fēng)浪的變化、船體自身噪聲以及儀器之間的干擾、海底的劇烈變化等引起的噪聲均屬于聲學(xué)信號(hào)中的“污染”。背景噪聲的處理是影響南極磷蝦資源評(píng)估準(zhǔn)確性的重要因素之一。

南極磷蝦集群特性較為復(fù)雜，密度和集群大小在時(shí)間和空間上的不確定性較大，加上環(huán)境以及船體噪聲的復(fù)雜變化，使得南極磷蝦集群聲學(xué)信號(hào)的信噪比變化較大[37]。目前國際通用的南極磷蝦聲學(xué)信號(hào)背景噪聲處理方法為2007年ROBERTIS等提出的基于噪聲修正和SNR閾值(Signal-to-noise-based Thresholds)的快速去噪方法[38]。這種方法需要人為的設(shè)置信噪比上限值，去噪效果依賴于人的主觀意識(shí)[36]。因此，有關(guān)南極磷蝦聲學(xué)數(shù)據(jù)后處理中噪聲方面需要更多的研究。

3.3.3 種類鑒別

聲學(xué)方法評(píng)估生物資源量離不開對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行精確的分類識(shí)別。目前，聲學(xué)調(diào)查中海洋生物的目標(biāo)識(shí)別仍然是一個(gè)難題[38]。由于南大洋復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性，一定條件下與磷蝦集群具有相似體積散射強(qiáng)度的非磷蝦物種(如，紐鰓樽)以及其它弱散射體的存在，往往會(huì)對(duì)資源量評(píng)估帶來偏差[39]。而傳統(tǒng)的依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和漁獲物比例進(jìn)行回波圖象判別和積分值分配的方法過于主觀[40]。當(dāng)前較為流行的南極磷蝦分類鑒別方法為多頻差分技術(shù)[41]，即頻差法(dB Difference)。頻差法是利用不同頻率下蝦群平均體積散射強(qiáng)度差值，將差值范圍內(nèi)的信號(hào)視為目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行積分輸出。然而頻差法對(duì)于浮游動(dòng)物之間以及無鰾魚類分類判別效果并不理想[42]，DEMER等[43]在利用頻差法對(duì)南極磷蝦進(jìn)行資源量評(píng)估時(shí)，發(fā)現(xiàn)高頻率下得出的生物量比低頻率多出55%之多，HEWITT等[32]認(rèn)為這可能是由于頻差法將一些浮游動(dòng)物和其它物種誤判為南極磷蝦所致。

FALLON[44]利用隨機(jī)森林法(Random Forest，RF)對(duì)南極磷蝦、冰魚以及其它弱散射魚類集群進(jìn)行了物種判別，分類結(jié)果總精確度達(dá)到了94%。隨機(jī)森林法可以高效地處理多維的龐大數(shù)據(jù)，且分類的準(zhǔn)確性不受變量之間相關(guān)性的影響和限制，但對(duì)一些低密度的集群，分類效果會(huì)受到限制。WOODD-WALKER[42]對(duì)集群散射和形態(tài)特征做了統(tǒng)計(jì)，并利用線性分類函數(shù)分析技術(shù)(Discriminant-function Analysis，DFA)和人工神經(jīng)網(wǎng)模型(Artificial Neural Network，ANN)對(duì)三種浮游動(dòng)物集群進(jìn)行了種類鑒別，并將效果與頻差法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示相對(duì)于魚群識(shí)別效果DFA和ANN方法較為理想，但對(duì)于南極磷蝦和紐鰓樽之間的鑒別效果不佳。另外,這些基于統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)的方法相較于和頻差法需要更復(fù)雜的分析和更大的工作量，對(duì)于以往用柵格積分法評(píng)估資源來說具有一定的難度。然而，對(duì)于利用集群法進(jìn)行資源評(píng)估來說，將上述集群鑒別方法與集群法結(jié)合進(jìn)行資源評(píng)估，或許會(huì)成為今后南極磷蝦資源評(píng)估中的有效途徑。

目前對(duì)于南極磷蝦的判別和分類方法較多，但目前多具有一定的局限性。對(duì)南極磷蝦和多種海洋生物集群信號(hào)進(jìn)行分類和判別仍然是未來聲學(xué)評(píng)估工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容[45]。

3.3.4 目標(biāo)強(qiáng)度

目標(biāo)強(qiáng)度研究是聲學(xué)方法進(jìn)行資源調(diào)查評(píng)估的重要內(nèi)容。不同于有鰾魚類，南極磷蝦個(gè)體較小，單體目標(biāo)強(qiáng)度較小且集群情況下體積散射強(qiáng)度存在復(fù)雜變化。最初，南極磷蝦的目標(biāo)強(qiáng)度是使用由GREENE[46]提出的經(jīng)驗(yàn)公式來表示：

TSf= 34.85log10L- 127.45 + 10log10(kf/k120kHz)

式中，k=2πf/c，k為波數(shù)，f為所求頻率，c為聲速(m·s-1)，L為南極磷蝦的體長(mm)。后來經(jīng)過對(duì)活體磷蝦的測量驗(yàn)證，此經(jīng)驗(yàn)公式適用于成體南極磷蝦，適用體長范圍較窄，并且可能高估了南極磷蝦的目標(biāo)強(qiáng)度。當(dāng)前南極磷蝦目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算多使用SDWBA(Stochastic Distorted Wave Born Approximation)模型。在SDWBA模型中，南極磷蝦的分布傾角和聲學(xué)特性(磷蝦和海水的密度比、磷蝦和海水的聲速比)是影響目標(biāo)強(qiáng)度的重要參數(shù)[47]，DEMER等[43]分別采用不同的傾角參數(shù)對(duì)斯科舍海域南極磷蝦資源量進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果分別為1.094×108t(變異系數(shù)CV=10.4%)、1.374×108t(CV=10.8%)、1.924×108t(CV= 11.7%)。在利用模型法對(duì)南極磷蝦資源量進(jìn)行評(píng)估時(shí)，自然狀態(tài)下的傾角分布較大程度上影響著評(píng)估的準(zhǔn)確性。而當(dāng)前對(duì)南極磷蝦自然條件下分布傾角又缺乏現(xiàn)場的調(diào)查研究[35]。此外，自然狀態(tài)下南極磷蝦是否對(duì)調(diào)查船或是探測設(shè)備存在逃避行為尚無明確的定論。

3.4 我國南極磷蝦聲學(xué)評(píng)估工作

自1984年首次開展南極考察，中國就將南極磷蝦的研究作為一項(xiàng)重要的考察內(nèi)容。1989年，第6次南極考察對(duì)普里茲灣及其外海進(jìn)行了以南極磷蝦生態(tài)為主的考察[24]。1993年，郭南麟等[48]利用第6、7次南極考察期間探魚儀獲得的磷蝦映像資料，利用WT-2圖像處理系統(tǒng)，對(duì)普利茲灣外海南極磷蝦的分布狀況和生物量進(jìn)行了估算。2001年，“雪龍”號(hào)極地考察船利用EK 500-BI500科研用回聲探測-積分系統(tǒng)對(duì)南極磷蝦進(jìn)行了聲學(xué)調(diào)查與評(píng)估。近年來，隨著我國南極海洋生物資源開發(fā)利用項(xiàng)目的開展，國內(nèi)對(duì)于南極磷蝦研究也逐漸增多。王新良等[22]對(duì)南極磷蝦數(shù)據(jù)后處理中儀器干擾信號(hào)的消除進(jìn)行了研究；屈泰春[49]研究了南極磷蝦聲學(xué)數(shù)據(jù)噪聲處理并對(duì)普利茲灣南極磷蝦資源量進(jìn)行了評(píng)估。

自2010年開始，我國每年派出數(shù)艘大型拖網(wǎng)漁船前往南極海域開展生產(chǎn)作業(yè)及探捕調(diào)查。部分漁船已裝備了先進(jìn)的科學(xué)探魚儀，具備了按照CCAMLR標(biāo)準(zhǔn)采集科學(xué)有效聲學(xué)數(shù)據(jù)的能力。目前南極磷蝦作業(yè)漁船聲學(xué)數(shù)據(jù)難以用于科學(xué)研究，一方面是因?yàn)閿?shù)據(jù)覆蓋過于集中，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)查區(qū)域全覆蓋。另一方面就是儀器校準(zhǔn)不能夠規(guī)范化，以及數(shù)據(jù)采集過程中參數(shù)設(shè)置一成不變，很難適應(yīng)于調(diào)查過程中復(fù)雜的環(huán)境條件變化。有效利用漁船聲學(xué)數(shù)據(jù)，可以較低的成本獲取豐富的漁業(yè)資源時(shí)空分布信息[24]。2012年，CCAMLR聲學(xué)小組開始將目光投向了如何使用漁船提供的聲學(xué)數(shù)據(jù)為南極磷蝦和其它浮游物種的分布和相對(duì)豐度提供定性和定量的信息[50]。2016年的聲學(xué)小組會(huì)議上討論了當(dāng)前南極作業(yè)漁船聲學(xué)儀器多種校準(zhǔn)方法的有效性，并提出了改善聲學(xué)數(shù)據(jù)的收集方法[35]。我國漁船每年記錄聲學(xué)資料數(shù)據(jù)量大，針對(duì)以上問題，應(yīng)該加強(qiáng)漁船聲學(xué)數(shù)據(jù)規(guī)范化管理以及發(fā)展更為便捷的數(shù)據(jù)處理方法和工具。

4 總結(jié)與展望

南極磷蝦的聲學(xué)調(diào)查評(píng)估不同于近海和淡水調(diào)查。首先，南極調(diào)查所需時(shí)間較長，花費(fèi)人力物力巨大。這就要求調(diào)查過程準(zhǔn)確而有效，這依賴于調(diào)查設(shè)備、技術(shù)、儀器校正方法以及調(diào)查環(huán)境等因素。其次，南極磷蝦自身聲學(xué)特性復(fù)雜，評(píng)估的準(zhǔn)確性受限于其體積散射、目標(biāo)強(qiáng)度、噪聲剔除的研究。近年來，多種研究方法和新技術(shù)在南極磷蝦聲學(xué)調(diào)查評(píng)估研究中得到嘗試，例如AMAKASU[45]利用寬帶回聲探測系統(tǒng)和DWBA-PSM(Distorted-wave Born Approximation-Based Prolate Spheroid Model)模型，通過對(duì)蝦群寬帶信號(hào)散射特征進(jìn)行分析和單個(gè)頻率信噪比估算反推出蝦群體長頻率分布；COX[51]利用多波束技術(shù)對(duì)自然狀態(tài)下南極磷蝦集群的觀測，提出了基于蝦群識(shí)別進(jìn)行資源量評(píng)估的集群法等。近年來，寬帶技術(shù)發(fā)展較快，且在一些有鰾魚類和浮游動(dòng)物領(lǐng)域取得了一定成果[52-53]。寬帶技術(shù)通過對(duì)聲學(xué)信號(hào)特性進(jìn)行分析，可以區(qū)分調(diào)查生物的種類，并可解讀出目標(biāo)信號(hào)的大小、豐度及傾角信息[54-55]，具有很大的發(fā)展前景。因此，發(fā)展寬帶技術(shù)將是今后南極磷蝦聲學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。此外，考慮到南極磷蝦經(jīng)常與其它浮游動(dòng)物(如，紐鰓鱒)和中上層魚類(如，冰魚和南極電燈魚等)，發(fā)展區(qū)分這些物種的方法和技術(shù)也將是今后精確評(píng)估南極磷蝦資源需要解決的重要問題。最后，當(dāng)前我國利用聲學(xué)方法對(duì)南極海洋生物資源進(jìn)行調(diào)查研究和國外尚有一定差距，需要吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和更進(jìn)一步的探索發(fā)展。

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