用于漁業(yè)資源調(diào)查評(píng)估的兩種聲學(xué)手段的比較

沈 蔚，陳 明，童劍鋒，張 進(jìn)，張華臣

(上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

目前，水聲學(xué)的方法已經(jīng)大量運(yùn)用于漁業(yè)資源調(diào)查與評(píng)估之中，主要儀器有數(shù)字回聲探測儀與雙頻識(shí)別聲吶。與其它的漁業(yè)資源調(diào)查方法相比，漁業(yè)水聲學(xué)方法具有探測范圍廣、調(diào)查效率高、對(duì)調(diào)查區(qū)域的生態(tài)環(huán)境無損害、數(shù)據(jù)連續(xù)、魚群位置定位精準(zhǔn)、魚類密度和資源量評(píng)估精度高等優(yōu)點(diǎn)。我國的漁業(yè)水聲學(xué)是從20世紀(jì)80年代開始發(fā)展推廣。1985年，SIMRAD EK500回聲探測儀被應(yīng)用于“北斗”號(hào)調(diào)查船[1-2]。王崇瑞等[3]于2011年5月使用BioSonics DT-X (210 kHz)型回聲探測儀對(duì)青海湖的裸鯉資源量及其空間分布進(jìn)行了探測評(píng)估，獲得了青海湖裸鯉在青海湖全湖區(qū)的平均密度、總尾數(shù)和可捕撈資源量以及水平密度分布。孫明波等[4]利用BioSonics DT-X (208 kHz)型回聲探測儀對(duì)太湖東部和北部湖區(qū)進(jìn)行了走航式的調(diào)查，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)對(duì)相關(guān)湖區(qū)的魚類空間分布、大小組成和資源量進(jìn)行了評(píng)估。DIDSON也應(yīng)用于魚群跟蹤和計(jì)數(shù)，童劍鋒等[5]利用DIDSON高效地對(duì)溯河洄游幼香魚進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算出向上游移動(dòng)香魚的數(shù)量。張進(jìn)[6]于2011年運(yùn)用DIDSON定量評(píng)估了滴水湖的漁業(yè)資源分布。眾多研究結(jié)果表明，利用聲學(xué)手段評(píng)估漁業(yè)資源是有效可靠的，但雙頻識(shí)別聲吶與數(shù)字回聲探測儀對(duì)漁業(yè)資源的評(píng)估也存在一定區(qū)別。同時(shí)使用雙頻識(shí)別聲吶與數(shù)字回聲探測儀對(duì)青草沙水庫的漁業(yè)資源進(jìn)行評(píng)估和比較，分析兩種儀器進(jìn)行漁業(yè)資源評(píng)估時(shí)的不同特點(diǎn)及優(yōu)劣，確定兩種儀器各自的適用情形，將來在不同的情境下更有針對(duì)性地從兩種儀器中選擇其一，可以降低成本和提高漁業(yè)資源評(píng)估的精度。

1 數(shù)字回聲探測儀與雙頻識(shí)別聲吶

1.1 數(shù)字回聲探測儀(BioSonics DT-X)

回聲探測儀檢測水中目標(biāo)時(shí)，通過目標(biāo)物體的物理特性和水介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于目標(biāo)物體，回聲探測儀換能器發(fā)射的聲波在水中傳播，當(dāng)遇到目標(biāo)物體時(shí)，由于物體的聲阻抗率與水不同，該物體會(huì)對(duì)入射聲波產(chǎn)生散射及反射作用，部分聲波反射至換能器，被換能器接收，被稱為回聲信號(hào)(Echo Signal)[7]。根據(jù)聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，可以用來測量目標(biāo)到換能器之間的距離，除此之外，利用回波信號(hào)的強(qiáng)度等物理特征，可以估計(jì)目標(biāo)的數(shù)量和分布情況等。

常用的回聲探測儀系統(tǒng)皆為探魚儀、積分儀和目標(biāo)強(qiáng)度測定儀于一體的集成式回聲-積分系統(tǒng)[8]，典型的分裂波束探魚儀為美國的BioSonics系列的BioSonics DT-X。其換能器內(nèi)置四個(gè)發(fā)射陣列，若在換能器的探測范圍內(nèi)有目標(biāo)物，則四個(gè)發(fā)射陣列均能接收到目標(biāo)物反射回來的聲波，即可得目標(biāo)物的位置、大小等信息。同時(shí)該系統(tǒng)自帶的軟件提供內(nèi)置的單一目標(biāo)分析算法來估算魚類密度(Fish Density)和目標(biāo)強(qiáng)度(target strength)[9-10]。它還提供回聲積分(Echo integration)和底面追蹤(Bottom tracking)的算法。內(nèi)置的目標(biāo)強(qiáng)度算法可使用單一目標(biāo)分析的結(jié)果來量化回聲積分，也可以使用其它的手動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)來進(jìn)行這一量化。BioSonics DT-X的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BioSonics DT-X主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of BioSonics DT-X

1.2 雙頻識(shí)別聲吶(DIDSON)

雙頻識(shí)別聲吶 DIDSON (Dual-frequency Identification Sonar)是由美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，由Sound Metrics 公司制造，目的是為美國“空間與海上戰(zhàn)爭系統(tǒng)中心”提供技術(shù)支持[11-12]。DIDSON 主要有體積小、重量輕、方便攜帶及安裝和成像清晰等優(yōu)點(diǎn)。DIDSON是目前唯一應(yīng)用聲學(xué)透鏡模塊的聲吶，其主體由電子艙及聲透鏡組成，主要通過聲透鏡的聲波聚焦原理形成的狹窄波束，即利用聲透鏡對(duì)聲波波束進(jìn)行壓縮，可以在沒有光源且能見度較低的水中生成高清的聲學(xué)圖像。

雙頻識(shí)別聲吶分為標(biāo)準(zhǔn)型(DIDSON-S)和遠(yuǎn)距型(DIDSON-LR)兩個(gè)型號(hào)，本次調(diào)查所使用的儀器為標(biāo)準(zhǔn)型雙頻識(shí)別聲吶。DIDSON有低頻1.1 MHz和高頻1.8 MHz兩種工作頻率，其工作視角在水平方向上為29°，在垂直方向上為14°，同時(shí)能夠?qū)?～40 m范圍內(nèi)的觀測目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，保證觀測范圍內(nèi)目標(biāo)圖像的清晰度[13]。當(dāng)DIDSON工作在1.8 MHz高頻的時(shí)候，水平方向共發(fā)射96條波束，探測范圍為1～10 m，可提供的圖像分辨率較高，為0.3°；其工作在1.1 MHz低頻的時(shí)候水平方向共發(fā)射48條波束，探測范圍約為1-40 m，其圖像分辨率約為0.6°。DIDSON 的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2 漁業(yè)資源聲學(xué)調(diào)查背景及方法

2.1 研究區(qū)概況

青草沙水庫位于長江口處南北港分流口的下游，西北方?jīng)_積沙洲青草沙上，分為若干水域，主要由長興島頭部和北部外側(cè)的中央沙、青草沙及北小泓、東北小泓等水域組成[14]。該水庫總面積約67.2 km2，平均水深約為8 m，最深可達(dá)18 m。整個(gè)水庫大致可分為3個(gè)區(qū)域：中部區(qū)域是全庫的過渡性區(qū)域，水深處在全庫中等水平，水流平緩，透明度也處在西部納水的淺水區(qū)和東部取水的深水區(qū)之間；西部是納水區(qū)，水深較淺、且水流急，水質(zhì)渾濁；東部區(qū)域水深、澄清、透明度高。青草沙水庫的地理位置如圖1所示。

表2 DIDSON主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of DIDSON

青草沙水庫在水庫建成前后，對(duì)生物結(jié)構(gòu)關(guān)注在逐步加強(qiáng)。胡忠軍等[15]在2010年青草沙水庫正式供水以前，對(duì)該水域進(jìn)行魚類群落結(jié)構(gòu)特征分析。研究表明當(dāng)時(shí)青草沙水庫的魚類相比長江口水域淡水魚類的占比更高。在臨近的長江口附近數(shù)個(gè)水域的調(diào)查顯示，水庫以外的長江口水域中，魚類的優(yōu)勢種以近海魚類的鱸形目最多，而在同時(shí)期進(jìn)行的青草沙水庫中只采集到了一種河口性的鱸形目魚類。推測可能是因?yàn)樗畮斓慕ǔ筛綦x了水庫水域與長江口流域的水體交換，導(dǎo)致了青草沙水庫中的河口性魚類和近海魚類逐漸減少，同時(shí)青草沙水庫的淡水性魚類越來越多。通過這幾年的研究發(fā)現(xiàn)青草沙水庫魚類以淡水鯉科魚類為主，雖然水庫中有河口性魚類，但種類和數(shù)目均很少。原因主要是青草沙水庫處于長江口相對(duì)低鹽度區(qū)，且其取水口設(shè)置在北港上游，在咸潮來臨之前會(huì)關(guān)閉進(jìn)水口，使水庫保持較低的鹽度，導(dǎo)致半咸水魚類和近海魚類的減少，除此之外水庫內(nèi)禁漁政策又給淡水魚類生長提供了良好的棲息和保護(hù)場所[16]。

圖1 青草沙水庫地理位置示意圖Fig.1 Location map of Qingcaosha Reservoir

2.2 聲學(xué)調(diào)查方法

聲學(xué)調(diào)查采用雙頻識(shí)別聲吶DIDSON和BioSonics DT-X分裂波束探魚儀同時(shí)進(jìn)行。本次調(diào)查采用“之”字型調(diào)查航線，累計(jì)有效探測時(shí)間為7.52 h，調(diào)查航線總長為60.14 km，航行速度約為3～4節(jié)(如圖2)，探測效果較為理想。漁獲物主要利用3層絲網(wǎng)和地籠網(wǎng)獲取。

根據(jù)漁獲物及水庫捕撈隊(duì)捕撈取樣可獲得青草沙水庫中魚類的體長、體重等相關(guān)信息，由此可求得水庫魚類平均體長與體重關(guān)系。采用冪函數(shù)回歸的方法，即W=aLb，得到體重與體長的關(guān)系，由此得出水庫中魚類的平均體長與體重的關(guān)系式為：W=0.000 03L2.738 1，R2=0.942 8

數(shù)據(jù)采集過程中，兩種儀器的換能器都固定于探測船右側(cè)前舷離發(fā)動(dòng)機(jī)約8 m處，避免發(fā)動(dòng)機(jī)噪音對(duì)儀器的影響，入水深約 0.5 m，換能器垂直向下發(fā)射聲波(如圖3)。在探測過程中，根據(jù)水深的變化情況，手動(dòng)調(diào)節(jié)DIDSON的頻率。當(dāng)水深小于10 m時(shí)，使用1.8 MHz的頻率進(jìn)行探測，以獲得更高的分辨率；當(dāng)水深大于10 m時(shí)，則將DIDSON的頻率切換到1.1 MHz，以探測更長的距離。

圖2 調(diào)查航線示意圖Fig.2 Map of survey route

圖3 儀器安裝示意圖Fig.3 Instrument installation diagram

在Echoview軟件處理上，DIDSON是多波束系統(tǒng)，其映象中檢測目標(biāo)的與單波束系統(tǒng)不同，在Echoview中首先使用Multibeam target detection進(jìn)行多波束目標(biāo)檢測，經(jīng)篩選符合體長的目標(biāo)后，使用Target conversion將多波束檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)數(shù)據(jù)的Echogram，進(jìn)而可跟蹤每個(gè)目標(biāo)的深度，回波強(qiáng)度等信息，利用分裂波束的單目標(biāo)跟蹤檢測方法導(dǎo)出所需要的信息。

本次調(diào)查對(duì)BioSonics DT-X數(shù)據(jù)以 300 Pings 為一個(gè)采樣單元，共獲得 452 個(gè)采樣單元。采用Echoview 6 中的回聲積分法計(jì)算每個(gè)采樣單元魚類密度，以此研究青草沙魚群在湖中的分布狀況。再根據(jù)各個(gè)采樣單元密度求整個(gè)水庫的平均密度，結(jié)合青草沙水庫的水域面積估算青草沙魚類數(shù)量。調(diào)查水域上海市青草沙水庫的總面積約為67.2 km2，除去水庫中心島嶼面積，其水域面積約為40 km2。青草沙水庫魚類的平均密度為 0.27 ind./m2；根據(jù)Love的魚類體長與目標(biāo)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式以及漁獲物的體長與體重的關(guān)系估算青草沙水庫魚類的平均體重約為0.56 kg。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算BioSonics DT-X測得的魚類數(shù)量約為1 079萬尾，總的資源量約為604.24萬kg。

圖4 DIDSON探測效果圖Fig.4 Detection diagram of DIDSON

對(duì)于DIDSON數(shù)據(jù)，本次青草沙水庫漁業(yè)資源總量可通過平均密度法來估算。分為兩步進(jìn)行，首先根據(jù)探測得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來估算水庫內(nèi)魚類總的數(shù)量。其次，根據(jù)捕撈隊(duì)捕獲的魚類樣本來獲得水庫內(nèi)魚類平均體長與體重的關(guān)系式，從而求得水庫內(nèi)魚類平均體重。水庫內(nèi)魚類總的數(shù)量乘以魚類的平均體重即可得水庫內(nèi)魚總的資源量。根據(jù)DIDSON統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，本次航線內(nèi)魚類的平均密度約為0.23 ind./m2，水庫魚類總數(shù)約為936萬，總的資源量為約為705萬kg。

3 兩種聲學(xué)手段的對(duì)比分析

3.1 體長分布頻率對(duì)比

根據(jù)Echoview對(duì)BioSonics DT-X數(shù)據(jù)進(jìn)行單體檢測的結(jié)果，青草沙水庫魚類的平均TS值為-49.36 dB，TS值集中分布于-60～-45 dB。根據(jù)青草沙水庫的歷史數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場捕捉到的魚類，青草沙水庫的魚類全為有鰾魚類，且通過Love公式計(jì)算得到的最大體長與捕撈得到的魚類的最大體長值大致相同，故本次研究采用Love提出的有鰾魚類目標(biāo)強(qiáng)度與體長的經(jīng)驗(yàn)公式。通過經(jīng)驗(yàn)公式換算后發(fā)現(xiàn)青草沙水庫魚類體長主要分布在0～30 cm之間，其中體長0～10 cm的魚類數(shù)量最多，體長50 cm以上的魚類占比較小。

根據(jù)Echoview通過DIDSON圖像提取出的魚類信息分析可知青草沙水庫魚類體長主要為0～30 cm，其中體長為10～20 cm的魚類最多(如圖5)。兩種儀器的測得魚類體長結(jié)果的相關(guān)系數(shù)約為77%。

盡管DIDSON和BioSonics DT-X的探測結(jié)果都顯示青草沙水庫的魚類體長大小都集中分布于0～30 cm之間，但0～10 cm和10～20 cm這兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，兩種儀器的差別較大。原因在于體長較小的魚在DIDSON中難以識(shí)別，造成DIDSON測得的魚類體長分布在0～10 cm的區(qū)間內(nèi)較低。在測量體長較小且密集分布的魚類時(shí)，單頻回聲探測儀較DIDSON更具有優(yōu)勢。

圖5 DIDSON和BioSonics DT-X魚類體長頻率分布對(duì)比圖Fig.5 Comparison of fish length and frequency distribution resulted by DIDSON and BioSonics DT-X

3.2 水平密度分布對(duì)比

對(duì)DIDSON數(shù)據(jù)中提取的魚類位置分布，先將水庫在ArcGIS中網(wǎng)格化，計(jì)算航線經(jīng)過的網(wǎng)格中的魚群的平均密度，最后利用反距離加權(quán)插值法(IDW)預(yù)測庫區(qū)的魚群密度分布(如圖6)。對(duì)BioSonics DT-X各個(gè)采樣單元的密度使用反距離加權(quán)插值法(IDW)得到整個(gè)庫區(qū)的魚群密度分布(如圖7)。

通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，青草沙水庫的東部和中部區(qū)域魚群密度較高而西北部區(qū)域魚群密度較低，兩種儀器評(píng)估出的魚群水平密度分布基本吻合。從青草沙水庫本身的環(huán)境看，東部為取水區(qū)，水深；中部為過渡區(qū)，水位中等，這兩個(gè)區(qū)域更適合魚類棲息；而西部為納水區(qū)，水淺、渾濁，魚群密度較低。兩種儀器的評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

但在西北部的少數(shù)地區(qū)，通過BioSonics DT-X計(jì)算的魚群密度較DIDSON計(jì)算得到的魚群密度更大。推測可能是由于西北部地區(qū)水淺且流速快，船在航行過程中可能會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，BioSonicsDT-X在探測過程中受氣泡影響較大，使得計(jì)算結(jié)果比實(shí)際情況偏高。這也說明在淺水地帶，DIDSON所受干擾較回聲探測儀更小。

圖6 DIDSON航線上魚群密度水平分布圖Fig.6 Horizontal density distribution of fish resulted by DIDSON

圖7 BioSonics DT-X魚群密度水平分布圖Fig.7 Horizontal density distribution of fish resulted by BioSonics DT-X

3.3 垂直密度分布對(duì)比

本次調(diào)查中探測到的青草沙水庫最大水深為18.06 m，平均水深為8.87 m。為了方便地表示出魚群在青草沙水庫中的垂直分布，人為地把每5 m作為一個(gè)水層單元，整個(gè)水庫共分為3層，分別為：水庫上層(<5 m)，水庫中層(5～10 m)和水庫底層(>10 m)。

對(duì)DIDSON和BioSonics DT-X的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)兩種儀器都顯示水庫中層的魚群密度較大，而水庫底層的魚群密度較小(如圖8)。但DIDSON在各層的密度值上較數(shù)字回聲探測儀小。原因可能為在處理DIDSON數(shù)據(jù)時(shí)體長較小的魚易被忽略，導(dǎo)致DIDSON評(píng)估的魚群密度較BioSonics DT-X偏低。

圖8 DIDSON和BioSonics DT-X不同水層魚群密度分布對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the fish density distribution in different water layers by DIDSON and BioSonics DT-X

3.4 兩種儀器的適用場景分析

數(shù)字回聲探測儀和雙頻識(shí)別聲吶DIDSON都可以用于評(píng)估漁業(yè)資源，但兩種儀器各自擁有不同的適用場景。

對(duì)于數(shù)字回聲探測儀如BioSonics DT-X，在魚群集群現(xiàn)象比較突出以及調(diào)查區(qū)域魚類體長普遍較小的時(shí)候，可以發(fā)揮比較大的優(yōu)勢。與此同時(shí)，當(dāng)調(diào)查涉及到更多的項(xiàng)目，如沉水植物與底質(zhì)等，使用回聲探測儀更加方便。但在測區(qū)水深較淺時(shí)，其受氣泡等因素干擾較大。

對(duì)于雙頻識(shí)別聲吶DIDSON，當(dāng)調(diào)查區(qū)域魚類大多為單體分布，且魚類的體長普遍較大時(shí)，較為適用。當(dāng)測區(qū)平均水深較淺時(shí)，也適合適用DIDSON進(jìn)行漁業(yè)資源評(píng)估，以排除氣泡影響。同時(shí)由于DIDSON可以直觀地反映水下物體包括魚類，因此它更適用于定點(diǎn)觀測和對(duì)魚類的行為學(xué)調(diào)查。

兩種儀器的原理、性能指標(biāo)和價(jià)格有很大差異，應(yīng)針對(duì)具體條件選擇使用。

[1]Zhao X Y，Wang Y，Dai F.Depth-dependent target strength of anchovy (Engraulisjaponicus)measured in situ [J].ICES J Mar Sci，2008，65(6)：882-888.

[2]唐啟升,王為祥,陳毓楨,等.北太平洋狹鱈資源聲學(xué)評(píng)估調(diào)查研究[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào),1995,19(1):8-20.

[3]王崇瑞，張 輝，杜 浩，等.采用BioSonics DT-X超聲波回聲儀評(píng)估青海湖裸鯉資源量及其空間分布[J].淡水漁業(yè)，2011,41(3):15-21.

[4]孫明波，谷孝鴻，曾慶飛，等.基于水聲學(xué)方法的太湖魚類空間分布和資源量評(píng)估[J].湖泊科學(xué)，2013，25(1)：99-107.

[5]童劍鋒，韓 軍，淺田昭，等.基于聲學(xué)攝像儀的溯河洄游幼香魚計(jì)數(shù)[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2009，36(2)：29-33.

[6] 張 進(jìn).基于雙頻識(shí)別聲吶 DIDSON的魚群定量評(píng)估技術(shù)[D].上海：上海海洋大學(xué)，2012.

[7] 葉昌臣,黃 斌.漁業(yè)生物數(shù)學(xué)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1990：171-180.

[8] 張慧杰.長江宜昌和宜賓江段魚類資源的水聲學(xué)初步調(diào)查[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[9] Traynor J J，Ehrenberg J E.Fish and standard sphere target sthren-gth measurements obtained with a dual-beam and split-beam eco-sounding system[J].Rapports et Proces-Verbauxdex Reunions,ICES，1990，189：325-335.

[10]Brede R，Kristensen F H，Solli H，et al.Target tracking with a split-beam echo sounder[J].Rapports et Proces-Verbauxdex Reunions,ICES,1990，189:254～263.

[11]劉立昕.前視聲吶目標(biāo)跟蹤技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[12]王曉峰.成像聲吶波束形成新技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[13]劉慧杰，王從鋒，劉德富，等.雙頻識(shí)別聲吶在魚類資源調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)展[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，37(3)：28-34.

[14]劉歆璞，王麗卿，張 寧，等.青草沙水庫后生浮游動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32(5):1238-1248.

[15]胡忠軍,吳 昊,陳立僑，等.長江口青草沙水庫正式供水前的魚類群落結(jié)構(gòu)特征[J].水產(chǎn)學(xué)報(bào)，2012，36(8):1234-1241.

[16]王紹祥,高春霞,田思泉,等.青草沙水庫中上層魚類群落組成及多樣性分析[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2014,23(4):594-601.