Die Rolle von Unterwasserdetektionsausrüstung im modernen Fischereimanagement

Phänomen: Der Wandel hin zu technologiegestützten Fischereipraktiken

Die Fischereiindustrie hat sich seit etwa 2020 ziemlich verändert. Ungefähr zwei Drittel der großen kommerziellen Fischereifahrzeuge nutzen heute Unterwassersensoren und andere technische Ausrüstungen, um effizienter zu fischen und Umweltvorschriften einzuhalten. Warum? Nun, neue Forschungsergebnisse aus dem Jahr 2024 zeigen, dass Fischer, die diese Technologien einsetzen, 41 Prozent weniger junge Fische fangen als jene, die noch traditionelle Methoden verwenden. Die meisten Kapitäne auf See verlassen sich heute auf Dinge wie Multibeam-Sonaranlagen sowie Computerprogramme, die verschiedene Fischarten unterscheiden können. Diese Werkzeuge helfen ihnen, die räumliche Verteilung von Fischschwärmen in alle Richtungen zu erkennen, wodurch es einfacher wird, die gesetzlichen Mindestgrößenbestimmungen für Fische vor der Ernte einzuhalten.

Prinzip: Wie Sonar die Bestandserfassung von Fischen verbessert

Die neueste Bildgebungs-Sonartechnologie kann tatsächlich einzelne Fischformen innerhalb dichter Fischschwärme erkennen, indem sie Frequenzstrahlen von 1,8 MHz aussendet. Kalibrierungstests zeigen, dass die Messungen sehr genau sind und eine Abweichung von etwa plus/minus 7 cm bei der Länge der Fische aufweisen. Was diese Systeme besonders macht, ist ihre zweiaxige Abtastfähigkeit. Anstatt nur die Oberfläche wie herkömmliche Echolote zu betrachten, berechnen sie die Biomasse anhand von Volumenmessungen entlang der gesamten Wassersäule. Fischer und Forscher haben dies mit tatsächlichen Schleppnetzfängen verglichen, und die Ergebnisse stimmen in Bezug auf die Identifizierung der im offenen Wasser sowie in bodennahen Populationen vorhandenen Fischarten zu etwa 89 % überein.

Trend: Integration von Echtzeitdaten in kommerziellen Fischereioperationen

Fischer können ihre Sonar-Daten nun etwa 90 Sekunden nach der Abtastung des Wassers auf satellitengestützten Anzeigen verarbeitet und dargestellt bekommen, was ihnen hilft, ihre Fangquoten flexibel zu verwalten. Das neue System ermöglicht es den Bootskapitänen, sich auf Gebiete mit vielen ausgewachsenen Fischen zu konzentrieren, gleichzeitig aber geschützte Zonen und Stellen mit zu kleinen Fischen zu meiden. Erste Ergebnisse aus den Heringfischgründen im Nordatlantik zeigen zudem eine interessante Entwicklung. Wenn die Boote diese Echtzeit-Sonarkarten mit ihrer automatischen Sortierausrüstung kombinieren, behalten sie etwa 23 Prozent mehr der gewünschten Fischarten. Das ist sinnvoll, denn niemand möchte auf See Zeit damit verschwenden, die falschen Fische zu jagen.

Wie bildgebendes Sonar eine genaue Schätzung der Fischlänge ermöglicht

Bildgebende Sonarsysteme haben die Beurteilung der Fischbiomasse revolutioniert, indem sie nicht-invasive Längenmessmöglichkeiten bieten. Neuere Fortschritte in der Signalverarbeitung und Transdizertechnologie ermöglichen diesen Systemen, selbst unter anspruchsvollen Unterwasserbedingungen eine millimetergenaue Präzision zu erreichen.

Algorithmische Ansätze und Kalibrierung bei der Fischlängenbestimmung mithilfe bildgebender Sonarverfahren

Heutige Bildgebungs-Sonarsysteme funktionieren, indem sie Kantenerkennungstechniken mit maschinellem Lernen kombinieren, um jene schwierigen akustischen Schatten zu analysieren und Fischschwimmblasen zu erkennen. Einige Tests aus dem vergangenen Jahr zeigten, dass diese Systeme nahezu perfekte Messungen erzielen können und bei sechs verschiedenen Arten wirtschaftlich bedeutender Fische eine Genauigkeit von etwa 97 % erreichen – allerdings nur, wenn sie korrekt an standardisierten Referenzobjekten bekannter Länge kalibriert wurden. Die meisten Experten empfehlen tägliche Kalibrierungen, die sowohl feste Metallstäbe als auch tatsächlich lebende, in Gefangenschaft gehaltene Fische umfassen. Dies hilft, Temperaturschwankungen auszugleichen, die sich im Laufe der Zeit auf die Sonarausrüstung auswirken können. Eine korrekte Kalibrierung ist entscheidend, um zuverlässige Datensammlung unter Wasser sicherzustellen.

Feldvalidierung von hochauflösenden Sonar-Größenschätzungen

Tests in der Beringsee ergaben, dass die Übereinstimmung zwischen den von dem Sonar gemessenen Fischlängen und den tatsächlichen Messungen aus Netzfängen bei etwa 92 Prozent lag (wie NOAA 2022 berichtete), basierend auf rund 15.000 einzelnen Fischproben. Der restliche Unterschied von 8 Prozent resultierte hauptsächlich aus schnell bewegten offenen Ozeanfischarten, da das Sonar nur mit 30 Bildern pro Sekunde arbeitet und manchmal verpasst, wenn sich diese Tiere während der Bewegung vollständig strecken. Moderne Geräte versuchen dieses Problem zu beheben, indem spezielle Computerprogramme mehrere Blickwinkel von Fischschwärmen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Wasseroberfläche analysieren, um insgesamt genauere Schätzungen zu erhalten.

Kontroversanalyse: Diskrepanzen zwischen visueller Identifizierung und sonargeschätzten Messungen

Die bildgebende Sonar-Technologie beseitigt definitiv jene lästigen Messungenauigkeiten, die Taucher verursachen können, doch besteht weiterhin Uneinigkeit darüber, wie gut sie bei flachen Fischen wie beispielsweise Schollen funktioniert. Eine Studie aus dem vergangenen Jahr zeigte etwas Interessantes: Plattfische wiesen etwa 22 % größere Abweichungen bei den gemessenen Größen im Vergleich zu runderen Fischarten auf. Das Problem scheint darin zu liegen, dass die Sonarausrüstung durch die Art und Weise verwirrt wird, wie diese flachen Tiere am Meeresboden liegen, und den Winkel irrtümlich als Längenänderung interpretiert. Doch hier ist die gute Nachricht: Sobald Forscher begannen, hochentwickelte Zwei-Strahl-Systeme einzusetzen, die Messungen sowohl in horizontalen als auch vertikalen Scans überprüfen, sanken die Fehlerquoten unter 5 %. Es ist daher verständlich, warum immer mehr Forscher diese Technologie nutzen, trotz gelegentlicher Probleme.

ARIS-Sonar in komplexen Umgebungen: Präzise Fischdetektion und Größenbestimmung

Betriebliche Vorteile des ARIS-Sonars für die Fischdetektion und Größenbestimmung in trüben Gewässern

Das Adaptive Resolution Imaging Sonar-System, bekannt als ARIS, funktioniert besonders gut, wenn die Sichtbedingungen schlecht sind und herkömmliche optische Verfahren nicht mehr ausreichen. Das Sonar sendet hochfrequente Signale von etwa 1,8 MHz aus, die tatsächlich durch Schlamm und Schwebstoffe im Wasser hindurch „sehen“ können. Es erzeugt derart detaillierte Bilder, dass einzelne Fischformen mit einer ziemlich hohen Präzision erkannt werden können – eine Genauigkeit von etwa 0,3 Grad bei der Strahlbreite. Dies ist besonders wichtig, um die Größen bodenlebender Fische wie Welse und Karpfen in trüben Flüssen zu bestimmen, in denen alles gleich aussieht. Eine 2021 in der Fachzeitschrift Fisheries Research veröffentlichte Studie zeigte zudem ein interessantes Ergebnis: Bei Tests unter trüben Bedingungen in Aquarien konnten etwa 82 Prozent der verschiedenen Fischarten korrekt identifiziert werden. Anstatt auf Farben zu setzen, die im verschmutzten Wasser verloren gehen, analysiert das System die Schwimmweise und Körperform der Fische. Feldforscher, die diese Technologie bereits eingesetzt haben, berichten, dass die Bestandsaufnahmen ungefähr 40 Prozent weniger Zeit in Anspruch nehmen als das Abschleppen von Netzen durch dieselben Gewässer – besonders wichtig bei anspruchsvollen Felduntersuchungen, bei denen jede Minute zählt.

Fallstudie: ARIS-Einsatz bei Welsuntersuchungen im Mississippi-Fluss

Im Jahr 2022 setzten Wissenschaftler die hochmodernen ARIS 3000-Systeme entlang etwa 15 Meilen trüber Gewässer ein, die in den Mississippi River münden. Was sie dabei fanden, war ziemlich überraschend. Ihre Sonarausrüstung konnte selbst dann zwischen einzelnen Welsgrößen unterscheiden, die bis auf etwa 2 Zentimeter genau waren, wenn ganze Schwärme dicht wie Maismehl zusammengepackt waren. Es stellte sich heraus, dass dort rund 18.700 ausgewachsene Fische laichten – weit mehr, als zuvor vermutet. Später überprüften sie diese Zahlen durch gezielte Netzfangaktionen. Das Beste daran? Dieses Verfahren störte keinerlei Laichgebiete, was für den Artenschutz von großer Bedeutung ist. Außerdem erhielten die Fischereibehörden sofortige Daten darüber, wie viele Fische tatsächlich vorhanden waren, ohne wochenlang auf traditionelle Erhebungen warten zu müssen.

Strategie: Optimierung der Schallwandler-Positionierung und Bildrate zur Unterscheidung von Fischschwärmen

Für optimale Ergebnisse sollten ARIS-Sensoren etwa 1,2 bis 1,5 Meter unter der Wasseroberfläche platziert werden. Diese Tiefe ermöglicht ein gutes Gleichgewicht zwischen der maximalen Erkennungsreichweite des Systems (etwa 40 Meter) und gleichzeitig detaillierten Aufnahmen mit einer Auflösung von etwa 2 mm pro Pixel. Bei starken Wasserströmungen macht eine Erhöhung der Bildrate auf 15 Bilder pro Sekunde einen großen Unterschied. Wir haben festgestellt, dass ansonsten klare Messungen durch Bewegungsunschärfe beeinträchtigt werden, wenn Fischlängen in schnell fließendem Wasser berechnet werden. Unsere praktischen Erfahrungen haben zudem etwas Interessantes gezeigt: Wenn das Sonargerät um etwa 30 Grad stromabwärts geneigt wird, verbessert sich unsere Fähigkeit, einzelne Fische innerhalb von Schwärmen zu unterscheiden, erheblich. Dies wirkt sich besonders in trüben Gewässern mit hohem Sedimentgehalt positiv aus und erhöht nach unseren Testläufen die Unterscheidungsfähigkeit um etwa ein Drittel.

Technische Grenzen und Fortschritte bei der Genauigkeit von Hochfrequenz-Sonar

Wellenlängen- und Zielauflösungs-Kompromisse bei hochfrequenten Sonarmessungen

Unterwasser-Detektionsgeräte, die oberhalb von 1 MHz arbeiten, erreichen eine millimetergenaue Auflösung, stehen jedoch vor einer umgekehrten Beziehung zwischen Frequenz und effektiver Reichweite. Kürzere Wellenlängen (2,3 mm bei 1,6 MHz) ermöglichen präzise Messungen von Fischgräten, während Systeme unterhalb von 500 kHz Details zugunsten einer um 30 % größeren Tiefeneindringung opfern. In der Fischerei werden derzeit 1,2–2-MHz-Systeme eingesetzt, wo bei Wassertiefen unter 25 m eine Balance zwischen einer Zielauflösung von 0,5 cm und einer Signalretention von 85 % möglich ist. Jüngste Fortschritte bei Algorithmen überwinden Trübungsstörungen durch Phasendifferenz-Sequenzanalyse.

Datenpunkt: 92 % Korrelation zwischen Netzprobennahme und 1,6-MHz-Sonarmessungen (NOAA, 2022)

Die vergleichende Studie der NOAA in den Ästuaren der Chesapeake Bay validierte mittels Sonar ermittelte Fischlängen anhand von Schleppnetzfängen über 12 Arten hinweg. Die 1,6-MHz-Systeme erreichten: - 2,8 % mittlerer absoluter Fehler bei Streifendorschen (Bereich 35–80 cm) - 91,7 % Überschneidung in den Größenverteilungs-Histogrammen. Abweichungen traten hauptsächlich in Wassertiefen >18 m auf, wo akustische Schatten die Messkonsistenz um 14 % verringerten.

Industrie-Paradox: Höhere Frequenz – Immer besser – Signalabschwächung in tiefem Wasser

Während 2,4-MHz-Systeme Strukturen von 0,3 cm auflösen können, bricht ihre effektive Reichweite pro 10 m Tiefenzunahme um 48 % zusammen, bedingt durch sphärische Ausbreitungsverluste. In 40 m Tiefe behalten Alternativen im Bereich 400–700 kHz eine Zielerkennungsgenauigkeit von 72 %, während Hochfrequenzeinheiten nur noch 29 % erreichen. Kaltwasser-Thermoklinen verschlechtern Hochfrequenzsignale zusätzlich – Feldtests aus 2023 zeigten, dass sich die Dämpfungsraten eines 1,8-MHz-Strahls unterhalb von 10 °C-Schichten verdreifachten.

Feldbasierte vs. traditionelle Fischgrößenmessung: Ein praktischer Vergleich

Tragbarkeits- und Geschwindigkeitsvorteile von feldbasierten Verfahren zur Fischgrößenmessung

Forscher verfügen heute über beeindruckende Unterwasserausrüstung, mit der sie Fische mithilfe kleiner handgehaltener Sonargeräte zählen können, die weniger als 4 kg wiegen. Diese Geräte können von kleinen Booten oder sogar vom Ufer aus ins Wasser geworfen werden, was eine enorme Verbesserung gegenüber den alten Methoden darstellt, bei denen große Teams tagelang Netze durch das Wasser ziehen und anschließend stundenlang die gefangenen Tiere sortieren mussten. Die neuen Feldsysteme liefern unmittelbare Angaben zur Größe des gesamten Fischschwarms, oft bereits innerhalb von nur 10 Minuten. Tests zeigten, dass diese tragbaren Bildgebungs-Sonargeräte etwa 89 % Genauigkeit erreichen, selbst bei sehr schlechter Sicht, und dabei genauso gut abschneiden wie teure Labormessgeräte – ohne jedoch mehrere Tage auf Ergebnisse warten zu müssen, nachdem Proben ins Labor geschickt wurden.

Vergleich von Sonar mit traditionellen Methoden zur Fischvermessung: Fangbasierte Stichprobenentnahme vs. nicht-invasive Bildgebung

Wenn Wissenschaftler Fische fangen, um sie zu untersuchen, stören sie tatsächlich das Ökosystem und verpassen wichtige Details bezüglich der Größe. Taucher neigen dazu, größere Fische zu übersehen, wenn sie Riffpopulationen vermessen, und unterschätzen die Längen laut Studien mit Stereo-Sonartechnologie um etwa 12 %. Nicht-invasive Abbildungstechniken liefern bessere Ergebnisse, ohne Meerestiere zu töten oder zu schädigen. Ein Beispiel ist die in Fisheries Research veröffentlichte Arbeit, in der festgestellt wurde, dass Sonarmessungen bei Rotbarsch-Populationen etwa 5 % genauer waren als die visuellen Unterwasserzählungen durch Taucher. Dennoch halten sich traditionelle Methoden, da sie für bestimmte biologische Informationen notwendig sind, die die Sonartechnik bisher nicht erfassen kann, wie beispielsweise die wertvollen Altersringe in den Knochen der Fische, die uns viel über ihre Entwicklungsgeschichte und Wachstumsmuster verraten.

Strategie: Hybride Überwachungsprogramme, die Sonar und physische Schleppnetzfänge kombinieren

Fischereimanagementgruppen kombinieren zunehmend regelmäßige Sonar-Scans, die täglich etwa 2 bis 5 Quadratkilometer abdecken, mit selektivem Trawl-Fischen, das mit etwa 10 % der üblichen Intensität durchgeführt wird. Diese Kombination reduziert Schäden an marinen Lebensräumen um rund 40 bis 60 Prozent und ermöglicht es Forschern, die auf den Sonarbildschirmen sichtbaren Fische mit tatsächlich in Netzen gefangenen Exemplaren zu vergleichen. Laut den Ergebnissen des Testlaufs der NOAA im vergangenen Jahr führte diese gemischte Methode zu etwa 18 % weniger toten Fischen, die zurück ins Meer geworfen wurden, im Vergleich zu traditionellen Trawl-Umfragen allein. Im Grunde scheint die Kombination verschiedener Techniken sowohl zum Schutz der Ökosysteme als auch zur genauen Erfassung der Fischbestände besser geeignet zu sein.