نقش تجهیزات تشخیص زیرآبی در مدیریت مدرن ماهیگیری

پدیده: گذار به سمت شیوه‌های ماهیگیری مبتنی بر فناوری

صنعت ماهیگیری از حدود سال 2020 تاکنون تغییرات قابل توجهی داشته است. در حال حاضر حدود دو سوم قایق‌های بزرگ صیادی تجاری از حسگرهای زیرآبی و سایر تجهیزات فناوری برای بهتر شکار کردن ماهی و رعایت قوانین محیط‌زیستی استفاده می‌کنند. چرا؟ خوب، تحقیقات جدیدی که در سال 2024 منتشر شده نشان می‌دهد که هنگامی که ماهیگیران از این فناوری‌ها استفاده می‌کنند، 41 درصد کمتر از ماهیان جوان نسبت به کسانی که از روش‌های قدیمی استفاده می‌کنند، صید می‌کنند. اکثر کاپیتان‌های فعال در دریا امروزه به ابزارهایی مانند سیستم‌های سونار چند پرتوهای و همچنین برنامه‌های کامپیوتری که می‌توانند انواع مختلف ماهی را از یکدیگر تشخیص دهند، متکی هستند. این ابزارها به آن‌ها کمک می‌کنند تا محل تجمع ماهی‌ها را در تمام جهات مشاهده کنند و بدین ترتیب رعایت مقررات مربوط به حداقل اندازه مجاز ماهی قبل از برداشت را آسان‌تر کنند.

اصل: چگونه سونار ارزیابی ذخایر ماهی را بهبود می‌بخشد

جدیدترین فناوری سونار تصویربرداری با ارسال پرتوهای فرکانسی 1.8 مگاهرتز می‌تواند اشکال تک‌تک ماهی‌ها را در دسته‌های متراکم ماهی تشخیص دهد. آزمایش‌های کالیبراسیون نشان می‌دهند که این سیستم اندازه‌گیری‌های بسیار دقیقی انجام می‌دهد و خطای آن در اندازه‌گیری طول ماهی حدود مثبت یا منفی 7 سانتی‌متر است. آنچه این سیستم‌ها را متمایز می‌کند، قابلیت اسکن دو محوره آنهاست. به جای آنکه فقط سطح آب را بررسی کنند—مانند دستگاه‌های صوتی سنتی—این سیستم‌ها زیست‌توده را بر اساس اندازه‌گیری حجم در تمامی ستون آب محاسبه می‌کنند. ماهیگیران و محققان این فناوری را با صیدهای واقعی ترال مقایسه کرده‌اند و نتایج نشان می‌دهد در حدود 89 درصد از موارد، نوع ماهی‌های موجود در آب‌های آزاد و گونه‌های بسترنشین به خوبی با یافته‌های سیستم همخوانی دارد.

روند: یکپارچه‌سازی داده‌های لحظه‌ای در عملیات ماهیگیری تجاری

ماهیگیران اکنون می‌توانند خوانش‌های سونار خود را پردازش کرده و در داشبوردهای متصل به ماهواره تنها حدود ۹۰ ثانیه پس از اسکن آب‌ها مشاهده کنند، که به آن‌ها کمک می‌کند تا سهمیه صید خود را به صورت پویا مدیریت کنند. سیستم جدید به فرماندهان قایق اجازه می‌دهد تا بر مناطقی تمرکز کنند که ماهی‌های بالغ زیادی در آن وجود دارد، در حالی که از مناطق حفاظت‌شده و نقاطی که ماهی‌ها در آن بسیار کوچک هستند، دوری می‌کنند. نتایج اولیه از مناطق صید ساردین خزری در اقیانوس اطلس شمالی چیز جالبی را نشان می‌دهد. وقتی قایق‌ها این نقشه‌های سوناری لحظه‌ای را با تجهیزات مرتب‌کننده خودکارشان ترکیب می‌کنند، حدود ۲۳ درصد بیشتر از ماهی‌های مناسب را نگه می‌دارند. این موضوع منطقی است، چون هیچ‌کس نمی‌خواهد در دریا وقت خود را صرف تعقیب ماهی‌های نامناسب کند.

چگونه سونار تصویربرداری امکان تخمین دقیق طول ماهی را فراهم می‌کند

سیستم‌های سونار تصویربرداری با ارائه قابلیت اندازه‌گیری غیرتهاجمی طول، ارزیابی زیست‌توده ماهی را دگرگون کرده‌اند. پیشرفت‌های اخیر در پردازش سیگنال و فناوری ترانسدوسروها به این سیستم‌ها اجازه می‌دهد تا حتی در شرایط زیرآبی چالش‌برانگیز نیز به دقتی در سطح میلی‌متر دست یابند.

رویکردهای الگوریتمی و کالیبراسیون در تخمین طول ماهی با استفاده از سونار تصویربرداری

سیستم‌های امروزی سونار تصویربرداری با ترکیب تکنیک‌های تشخیص لبه و یادگیری ماشین، قادر به خواندن سایه‌های آکوستیک پیچیده و تشخیص کیسه شنا در ماهی‌ها هستند. برخی آزمایش‌های انجام‌شده در سال گذشته نشان داده‌اند که این سیستم‌ها به دقت‌های بسیار بالایی نزدیک شده‌اند و در اندازه‌گیری شش نوع مختلف از ماهی‌های مهم تجاری به دقت حدود ۹۷ درصد دست یافته‌اند، اما فقط در صورتی که نسبت به اجسام مرجع استاندارد با طول مشخص، به‌درستی کالیبره شده باشند. اکثر متخصصان پیشنهاد می‌کنند که کالیبراسیون روزانه‌ای انجام شود که شامل میله‌های فلزی ثابت و همچنین ماهی‌های زنده واقعی که در شرایط اسارت نگهداری می‌شوند، باشد. این امر به جبران تأثیرات تغییرات دما بر روی تجهیزات سونار در طول زمان کمک می‌کند. انجام دقیق این کالیبراسیون‌ها تفاوت عمده‌ای در تضمین جمع‌آوری قابل اعتماد داده‌ها در محیط زیرآبی ایجاد می‌کند.

اعتبارسنجی میدانی تخمین‌های اندازه سونار با وضوح بالا

آزمایش‌های انجام‌شده در دریای برینگ نشان داد که حدوداً تطابق ۹۲ درصدی (همان‌طور که توسط سازمان ملی اقیانوس‌ها و جو در سال ۲۰۲۲ گزارش شد) بین اندازه‌های ماهی‌های اندازه‌گیری‌شده توسط صوتار و اندازه‌های واقعی به‌دست‌آمده از تورها وجود داشت، که بر اساس حدود ۱۵ هزار نمونه ماهی انفرادی ارزیابی شد. تفاوت ۸ درصدی باقی‌مانده عمدتاً به دلیل نوع ماهی‌های سریع‌حرکت دریای باز بود، زیرا صوتار تنها با نرخ ۳۰ فریم در ثانیه تصاویر را ضبط می‌کند و گاهی اوقات در هنگام حرکت کامل و کشیده‌شدن این موجودات، آن‌ها را از قلم می‌اندازد. تجهیزات مدرن سعی دارند این مشکل را با اجرای برنامه‌های کامپیوتری خاصی که از زوایای مختلفی از دسته‌های ماهی، هم از بالا و هم از پایین سطح آب نگاه می‌کنند، رفع کنند تا تخمین‌های دقیق‌تری به‌دست آورند.

تحلیل اختلاف نظر: تفاوت‌های بین شناسایی بصری و اندازه‌گیری‌های به‌دست‌آمده از صوتار

سونار تصویربرداری قطعاً آن خطاهای اندازه‌گیری مزاحمی را که غواصان ممکن است ایجاد کنند، از بین می‌برد، اما هنوز هم بحث‌هایی دربارهٔ عملکرد آن برای ماهی‌های تختی مانند کف‌ماهی وجود دارد. یک مطالعه از سال گذشته چیز جالبی نشان داد: ماهی‌های تخت حدود ۲۲٪ تفاوت بیشتری در اندازه‌گیری‌های خود نسبت به انواع ماهی‌های گردتر داشتند. مشکل به این نظر می‌رسد که تجهیزات سونار در تشخیص نحوه قرارگیری این موجودات تخت روی بستر دریا سردرگم می‌شوند و زاویه آن‌ها را اشتباهی به عنوان تغییر در طول واقعی تفسیر می‌کنند. اما این خبر خوب است: وقتی افراد شروع به استفاده از آن سیستم‌های پیشرفته دوپرتو کردند که اندازه‌گیری‌ها را در اسکن‌های افقی و عمودی بررسی می‌کنند، نرخ خطا به کمتر از ۵٪ کاهش یافت. درک می‌شود چرا علی‌رغم گاه‌به‌گاه بروز مشکلات، تحقیق‌گران بیشتری دارند به استفاده از این فناوری روی می‌آورند.

سونار ARIS در محیط‌های پیچیده: تشخیص و اندازه‌گیری دقیق ماهی

مزایای عملیاتی سونار ARIS برای تشخیص و اندازه‌گیری ماهی در آب‌های کدر

سیستم سونار تصویربرداری با وضوح تطبیقی، که به ARIS معروف است، زمانی که دید کم است و روش‌های نوری معمولی دیگر جوابگو نیستند، عملکرد بسیار خوبی دارد. این سونار سیگنال‌های فرکانس بالایی در حدود 1.8 مگاهرتز منتشر می‌کند که می‌تواند از طریق همه آن لجن و رسوبات آب دیده شود. این سیستم تصاویری ایجاد می‌کند که آنقدر دقیق هستند که قادر به تشخیص اشکال انفرادی ماهی‌ها با دقت قابل توجهی، حدود 0.3 درجه دقت در عرض پرتو، می‌باشند. این موضوع برای تعیین اندازه ماهیان قاعده‌نشین مانند ماهی گربه‌ماهی و کپور در رودخانه‌های کدر که همه چیز یکسان به نظر می‌رسد، اهمیت زیادی دارد. مطالعه‌ای که در سال 2021 در مجله Fisheries Research منتشر شد، یافته جالبی نشان داد. آنها ARIS را در شرایط آب‌های کدر آکواریوم آزمایش کردند و به حدود 82 درصد شناسایی صحیح از گونه‌های مختلف ماهی دست یافتند. به جای تکیه بر رنگ‌ها که در آب کثیف محو می‌شوند، این سیستم به حرکت ماهی‌ها و اشکال بدنی‌شان توجه می‌کند. کارشناسان میدانی که از این فناوری استفاده کرده‌اند، می‌گویند ارزیابی‌ها حدود 40 درصد زمان کمتری نسبت به کشیدن تور در همان مناطق آبی طول می‌کشد که این امر به ویژه در طی بررسی‌های میدانی پیچیده که هر دقیقه مهم است، حائز اهمیت است.

مطالعه موردی: استقرار ARIS در بررسی ماهیان کپور در رودخانه می‌سی‌سی‌پی

در سال ۲۰۲۲، دانشمندان این سیستم‌های پیشرفته ARIS 3000 را در حدود ۱۵ مایل از آبراهه‌های بسیار کدری که به رودخانه می‌سی‌سی‌پی می‌ریختند، مستقر کردند. آنچه کشف شد در واقع قابل توجه بود. تجهیزات سوناری آنها قادر بودند تفاوت اندازه ماهیان کپور را حتی زمانی که کل گروه‌ها به هم فشرده بودند—مثل نان ذرت—تا حدود ۲ سانتی‌متر تشخیص دهند. مشخص شد که تقریباً ۱۸٬۷۰۰ ماهی بزرگسال در حال تولیدمثل در آنجا وجود دارند، خیلی بیشتر از حدس قبلی هرکسی. آنها بعداً این اعداد را با انجام عملیات انتخابی تور انداختن نیز بررسی کردند. بهترین بخش این بود؟ این روش هیچ آسیبی به مناطق تخم‌ریزی وارد نکرد، که برای تلاش‌های حفاظتی بسیار مهم است. علاوه بر این، به متخصصان شیلات داده‌های فوری درباره تعداد واقعی ماهیان موجود را ارائه داد بدون آنکه نیاز باشد هفته‌ها منتظر نتایج بررسی‌های سنتی بمانند.

استراتژی: بهینه‌سازی جایگذاری ترانسدوسرو نرخ فریم برای تشخیص گروه‌های ماهی

برای بهترین نتایج، فرستنده های ARIS را در حدود 1.2 تا 1.5 متر زیر سطح آب قرار دهید. این عمق به ایجاد تعادل خوبی بین فاصله ای که سیستم می تواند اشیاء را تشخیص دهد (حداقل 40 متر به حداکثر) کمک می کند در حالی که هنوز تصاویر دقیق را تا حدود 2 میلی متر در هر پیکسل دریافت می کند. در صورت برخورد با جریان های آب قوی، افزایش سرعت فریم به 15 فریم در ثانیه تفاوت بزرگی ایجاد می کند. متوجه شدیم که در صورت دیگر، قراءات واضح با عدم شفافیت حرکت هنگام محاسبه طول ماهی در آب سریع، مختل می شوند. تجربه ی ما در این زمینه هم چیز جالبی رو نشون داده به اندازه ی ۳۰ درجه پایین رود، توانایی ما برای تشخیص ماهی های مختلف در درون دسته ها را افزایش می دهد. این کار به ویژه در آب های گل آلود که سطح رسوب آن بالاست، کار می کند، و به ما تقریبا یک سوم توانایی تشخیص بهتر بر اساس آزمایش های ما می دهد.

محدودیت های فنی و پیشرفت در دقت سوناژ فرکانس بالا

مبادله بین طول موج و وضوح هدف در اندازه‌گیری سونار با فرکانس بالا

تجهیزات تشخیص زیرآبی که در فرکانس بالای 1 مگاهرتز کار می‌کنند، به وضوح در مقیاس میلی‌متری دست می‌یابند اما با رابطه معکوس بین فرکانس و برد مؤثر مواجه هستند. طول موج‌های کوتاه‌تر (2.3 میلی‌متر در 1.6 مگاهرتز) امکان اندازه‌گیری دقیق ستون فقرات ماهی را فراهم می‌کنند، در حالی که سیستم‌های زیر 500 کیلوهرتز به جای جزئیات، نفوذ عمقی تا 30 درصد بیشتری قربانی می‌کنند. اکنون صیادی‌ها از سیستم‌های 1.2 تا 2 مگاهرتز در مناطقی استفاده می‌کنند که عمق کمتر از 25 متر اجازه تعادل بین وضوح هدف 0.5 سانتی‌متری و حفظ 85 درصدی سیگنال را می‌دهد. پیشرفت‌های اخیر در الگوریتم‌ها با استفاده از تحلیل دنباله تفاوت فاز، مداخله کدورت آب را برطرف کرده‌اند.

نقطه داده: همبستگی 92 درصدی بین نمونه‌برداری با تور و خواندن‌های سونار 1.6 مگاهرتز (NOAA، 2022)

مطالعه تطبیقی NOAA در آب‌های ترکیبی خلیج چسیپیک، طول ماهی‌های تشخیص‌داده‌شده با سونار را در برابر صیدهای تراول در ۱۲ گونه اعتبارسنجی کرد. سیستم‌های ۱.۶ مگاهرتز به این دقت دست یافتند: - خطای مطلق میانگین ۲.۸٪ برای ماهی بس (در محدوده ۳۵ تا ۸۰ سانتی‌متر) - همپوشانی ۹۱.۷٪ در نمودارهای توزیع اندازه اختلافات عمدتاً در آب‌های عمیق‌تر از ۱۸ متر رخ داد، جایی که سایه‌های صوتی، ثبات اندازه‌گیری را ۱۴٪ کاهش دادند.

پارادوکس صنعت: فرکانس بالاتر – همیشه بهتر – تضعیف سیگنال در آب عمیق

اگرچه سیستم‌های ۲.۴ مگاهرتز قادر به تشخیص ویژگی‌های ۰.۳ سانتی‌متری هستند، اما برد مؤثر آن‌ها به ازای هر ۱۰ متر افزایش عمق، به دلیل تلفات پراکندگی کروی، ۴۸٪ کاهش می‌یابد. در عمق ۴۰ متری، گزینه‌های ۴۰۰ تا ۷۰۰ کیلوهرتز دقت شناسایی هدف را در حد ۷۲٪ حفظ می‌کنند، در حالی که واحدهای فرکانس بالا تنها به ۲۹٪ دقت می‌رسند. لایه‌های سردآبی (ترموکلین) نیز سیگنال‌های فرکانس بالا را بیشتر تضعیف می‌کنند — آزمایش‌های میدانی سال ۲۰۲۳ نشان داد که نرخ تضعیف پرتو ۱.۸ مگاهرتزی در زیر لایه‌های با دمای کمتر از ۱۰ درجه سانتی‌گراد، سه برابر می‌شود.

مقایسه عملی: اندازه‌گیری اندازه ماهی به روش میدانی در مقابل روش سنتی

مزایای قابلیت حمل و سرعت در تکنیک‌های اندازه‌گیری اندازه ماهی در محل

محققان امروزه به تجهیزات زیرآبی بسیار پیشرفته‌ای دسترسی دارند که به آنها امکان می‌دهد با استفاده از این دستگاه‌های سونار کوچک دستی که وزن آنها کمتر از ۴ کیلوگرم است، ماهی‌ها را شمارش کنند. این وسایل را می‌توان از قایق‌های کوچک یا حتی از خشکی پرتاب کرد که بهبود بزرگی نسبت به روش‌های قدیمی است که در آن تیم‌های بزرگ تمام روز را صرف کشیدن تورهای ماهیگیری در آب می‌کردند و سپس ساعت‌ها وقت می‌گذاشتند تا صید خود را مرتب کنند. سیستم‌های جدید میدانی خوانش فوریی از اندازه کل دسته ماهی ارائه می‌دهند و اغلب ظرف تنها ۱۰ دقیقه به نتیجه می‌رسند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این سونارهای تصویربرداری قابل حمل تا حدود ۸۹٪ دقت دارند، حتی زمانی که شفافیت آب بسیار پایین باشد، و عملکردی مشابه دستگاه‌های آزمایشگاهی گران‌قیمت دارند، بدون آنکه لازم باشد چندین روز پس از ارسال نمونه‌ها به آزمایشگاه برای نتایج صبر کرد.

مقایسه سونار با روش‌های سنتی اندازه‌گیری ماهی: نمونه‌برداری مبتنی بر صید در مقابل تصویربرداری غیرتهاجمی

وقتی دانشمندان ماهی صید می‌کنند تا آنها را مطالعه کنند، در واقع اکوسیستم را مختل می‌کنند و در نهایت برخی جزئیات مهم درباره اندازه را از قلم می‌اندازند. غواصان تمایل دارند ماهی‌های بزرگتر را هنگام اندازه‌گیری جمعیت مرجان‌ها از قلم بیندازند و طبق مطالعات انجام‌شده با فناوری سونار استریو، طول ماهی‌ها را حدود ۱۲٪ کم‌برآورد می‌کنند. روش‌های تصویربرداری غیرتهاجمی نتایج بهتری ارائه می‌دهند بدون آنکه به حیات دریایی آسیبی وارد شود یا آنها کشته شوند. به عنوان مثال، کاری که در مجله Fisheries Research منتشر شده است، نشان می‌دهد که خواندن‌های سونار برای جمعیت ماهی سنپر حدود ۵٪ دقیق‌تر از شمارش دیداری غواصان در زیر آب بوده است. با این حال، روش‌های قدیمی همچنان پابرجا هستند، زیرا برای بدست آوردن برخی اطلاعات بیولوژیکی خاص لازم هستند که سونار هنوز قادر به ثبت آنها نیست، مانند حلقه‌های سن مهمی که در داخل استخوان ماهی وجود دارند و اطلاعات زیادی درباره تاریخچه و الگوهای رشد آنها در اختیار ما قرار می‌دهند.

استراتژی: برنامه‌های هیبریدی نظارتی که از ترال‌های فیزیکی و سونار استفاده می‌کنند

گروه‌های مدیریت صیادی به طور فزاینده‌ای در حال ترکیب اسکن‌های منظم سونار که روزانه حدود ۲ تا ۵ کیلومتر مربع را پوشش می‌دهند با تراولینگ انتخابی هستند که با حدود ۱۰ درصد از شدت معمول انجام می‌شود. این ترکیب باعث کاهش حدود ۴۰ تا ۶۰ درصدی خسارت به زیستگاه‌های دریایی می‌شود و علاوه بر این، به محققان اجازه می‌دهد آنچه را که روی صفحه‌های سونار مشاهده می‌کنند، با ماهی‌های واقعی گرفته شده در تورها مقایسه کنند. بر اساس نتایج آزمایش سال گذشته NOAA، این روش ترکیبی منجر به حدود ۱۸ درصد کاهش ماهی‌های مرده‌ای شد که نسبت به بررسی‌های سنتی صرفاً با تراولینگ، دوباره به اقیانوس بازگردانده می‌شدند. بنابراین، در عمل، ترکیب روش‌های مختلف به نظر می‌رسد هم برای حفاظت از اکوسیستم‌ها و هم برای به دست آوردن اطلاعات دقیق درباره جمعیت ماهیان عملکرد بهتری داشته باشد.