Vesiallisen havaintolaitteiston rooli nykyaikaisessa kalastuksen hallinnassa

Ilmiö: Siirtyminen teknologiaan perustuviin kalastuskäytäntöihin

Kalastusteollisuus on muuttunut melkoisesti vuodesta 2020 lähtien. Noin kaksi kolmasosaa suurista kaupallisista kalastusaluksista käyttää nykyisin vesiallisia sensoreita ja muuta teknistä varustusta tehokkaamman kalastuksen ja ympäristösäädösten noudattamisen tueksi. Miksi? No, vuonna 2024 julkaistu uusi tutkimus osoittaa, että kun kalastajat ottavat nämä teknologiat käyttöön, he saavat kiinni 41 prosenttia vähemmän nuoria kaloja verrattuna niiden kalastajien kanssa, jotka käyttävät vanhoja menetelmiä. Useimmat nykyajan kapteenit luottavat esimerkiksi monisäteisiin soraarjärjestelmiin sekä tietokoneohjelmiin, jotka pystyvät erottamaan eri kalamait toisistaan. Näillä työkaluilla he voivat nähdä kalojen laumoja kaikissa suunnissa, mikä helpottaa säädösten noudattamista, erityisesti vähimmäiskalakoon osalta ennen saaliin nostamista.

Periaate: Miten soraari parantaa kantakalastuksen arviointia

Uusin kuvantamissonaaritekniikka pystyy tunnistamaan yksittäisten kalojen muodot tiheistä kalojen laumoista lähettämällä 1,8 MHz:n taajuuskupeja. Kalibrointitestit osoittavat, että mittaukset ovat melko tarkkoja, noin ±7 cm kalojen pituuksissa. Näiden järjestelmien erottuvuuden takia on niiden kaksisuuntainen skannauskyky. Perinteisten ekolokatorien sijaan, jotka tarkastelevat vain pintakerrosta, nämä laskevat biomassan perustuen tilavuusmittauksiin koko vesipatsaan alueella. Kalastajat ja tutkijat ovat testanneet tätä todellisten pyyntien kanssa, ja tulokset vastaavat toisiaan noin 89 %:n tarkkuudella avovesien ja pohjakalojen lajien tunnistamisessa.

Trendi: Reaaliaikainen datan integrointi kaupallisessa kalastuksessa

Kalastajat voivat nyt saada sonaarien lukemat käsiteltyä ja näytettyä satelliittiyhteydellä varustettuihin kojelautoihin noin 90 sekunnissa veden skannauksen jälkeen, mikä auttaa heitä hallitsemaan saalismääriä reaaliaikaisesti. Uusi järjestelmä mahdollistaa veneiden kapteenien keskittyä alueisiin, joilla on runsaasti kypsiä kaloja, samalla kun vältetään suojeltuja alueita ja paikkoja, joissa kalat ovat liian pieniä. Aikaiset tulokset Pohjois-Atlantin silakka-alueilta osoittavat myös mielenkiintaista kehitystä. Kun venepitiä yhdistävät nämä reaaliaikaiset sonaarikartat automaattiseen lajittelulaitteistoon, he pystyvät säilyttämään noin 23 prosenttia enemmän oikeanlaista kalaa. Tämä on loogista, koska kukaan ei halua tuhlata aikaa vääränlaisen kalaston perässä merellä.

Kuvasonaarin avulla voidaan arvioida kalojen pituus tarkasti

Kuvaavat ääniaaltosysteemit ovat vallankumouuttaneet kalan biomassan arvioinnin tarjoamalla ei-invasiivisia pituusmittausmahdollisuuksia. Viimeaikaiset edistysaskeleet signaalinkäsittelyssä ja anturiteknologiassa mahdollistavat näiden järjestelmien saavuttaa millimetritason tarkkuuden myös haastavissa vesialueilla.

Algoritmiset lähestymistavat ja kalibrointi kalan pituuden estimoinnissa käyttäen kuvaavia ääniaaltojärjestelmiä

Nykyisten kuvantamissonaarijärjestelmien toiminta perustuu reunantunnistustekniikoiden yhdistämiseen koneoppimiseen, jotta voidaan tulkita vaikeasti havaittavia akustisia varjoja ja havaita kalojen kellolimakalat. Viime vuonna tehdyt testit osoittivat, että nämä järjestelmät pystyvät saavuttamaan melkein täydellisiä tuloksia, noin 97 prosentin tarkkuudella kuuden eri kaupallisesti tärkeän kalamuodon mitatuissa arvoissa, mutta vain silloin, kun ne on kalibroitu huolellisesti tunnettujen viiteobjektien, kuten standardimittaisten metallisauvojen, avulla. Useimmat asiantuntijat suosittelevat päivittäistä kalibrointia, johon sisältyvät sekä kiinteät metallisauvat että varsinaiset elävät kalat, joita pidetään vangittuina. Tämä auttaa kompensoimaan lämpötilamuutosten vaikutusta sonaarilaitteeseen ajan myötä. Oikein tehty kalibrointi on ratkaisevan tärkeää luotettavan tiedon keräämiseksi vesialueilla.

Korkean resoluution sonaarimittausten kenttävalidointi

Testitoiminnot Beringinmerellä osoittivat, että sonaarin mittaamien kalapituuksien ja verkosta otettujen todellisten mittausten välillä oli noin 92 prosentin yhteensopivuus (kuten NOAA raportoi vuonna 2022), kun tarkasteltiin noin 15 000 yksittäistä kalanäytettä. Loput 8 prosenttia eroa johtui pääasiassa nopeasti liikkuvista avomerikalalajeista, koska sonaari tallentaa kuvia vain 30 kuvakehyksen tahtiin sekunnissa ja jättää joskus huomiotta, kun nämä eliöt venyvät täysin liikkuessaan. Nykyaikaiset laitteet pyrkivät korjaamaan ongelman käyttämällä erityisiä tietokoneohjelmia, jotka tarkastelevat kalakantojen muotoa useista eri kulmista sekä veden pinnan yläpuolelta että alapuolelta saadakseen tarkempia arvioita.

Kiistanalainen analyysi: Erimielisyydet visuaalisen tunnistuksen ja sonaariin perustuvien mittausten välillä

Kuvaussonaari poistaa ehdottomasti ne ikävät mittaushajonnat, joita sukeltajat voivat aiheuttaa, mutta kysymys siitä, kuinka hyvin se toimii litteiden kalalajien, kuten kampeloiden, kanssa, on edelleen kiistanalainen. Viime vuonna julkaistu tutkimus osoitti jotain mielenkiintoista – litteillä kaloilla oli noin 22 % suuremmat erot mitatuissa koossa verrattuna pyöreämpään muotoisiin kaloihin. Ongelma vaikuttaa johtuvan siitä, että sonaarialusta hämmentyy näiden litteiden olentojen mukaan asettumisesta merenpohjaan ja sekoittaa niiden asennon todellisiin pituudenmuutoksiin. Mutta tässä hyvä uutinen: kun ihmiset alkoivat käyttää kehittyneitä kaksisäteisiä järjestelmiä, jotka tarkistavat mittaukset sekä vaaka- että pystysuuntaisissa skannauksissa, virhemäärät putosivat alle 5 %. On helppo ymmärtää, miksi yhä useammat tutkijat siirtyvät käyttämään tätä teknologiaa huolimatta satunnaisista ongelmista.

ARIS-sonaari monimutkaisissa ympäristöissä: tarkka kalantunnistus ja koon mittaaminen

ARIS-sonaarin käyttöedut kalantunnistuksessa ja koon mittaamisessa sameissa vesissä

Adaptiivinen resoluutio kuvantamissoNAR-järjestelmä, joka tunnetaan nimellä ARIS, toimii erittäin hyvin, kun näkyvyys on heikko ja tavalliset optiset menetelmät eivät enää riitä. SoNAR-laitteisto lähettää noin 1,8 MHz:n taajuisia signaaleja, jotka pystyvät näkemään läpi veden mutan ja saven. Se tuottaa niin yksityiskohtaisia kuvia, että niistä voidaan erottaa yksittäisten kalojen muodot melko tarkasti, noin 0,3 asteen tarkkuudella säteen leveydeltä. Tämä on erittäin tärkeää pohjakalojen, kuten makeiden ja karppien, koon määrittämisessä sumuisissa joissa, joissa kaikki näyttää samalta. Vuonna 2021 julkaistussa Fisheries Research -tutkimuksessa esitettiin myös mielenkiintoinen havainto. ARIS-järjestelmää testattiin pilvisissä akvaariolimissä, ja se tunnisti eri kalalajeja oikein noin 82 prosentissa tapauksista. Sen sijaan, että luottaisiin väreihin, jotka haihtuvat likaisessa vedessä, järjestelmä tarkastelee kalan liikkeitä ja kehon muotoa. Käytännön työntekijät, jotka ovat käyttäneet tätä teknologiaa, sanovat, että arviointi vie noin 40 prosenttia vähemmän aikaa verrattuna verkkoräisintään samassa vedessä, mikä on erityisen tärkeää hankalissa kenttätutkimuksissa, joissa jokainen minuutti ratkaisee.

Tapaus: ARIS-järjestelmän käyttö Mississippi-joen kalanseurannoissa

Vuonna 2022 tutkijat asentivat kehittyneet ARIS 3000 -järjestelmät noin 15 mailin matkalle erittäin sameita vesialueita, jotka johtavat Mississippi-joelle. Löytö oli varsin yllättävä. Äänilaitteet pystyivät erottamaan yksittäisten makeankalakalojen koot jopa 2 senttimetrin tarkkuudella, vaikka koko koiruudet olivat tiiviisti kasassa kuin maissileipä. Selvisi, että siellä oli lisääntymään kykeneviä aikuisia kaloja noin 18 700, paljon enemmän kuin kukaan oli aiemmin arvellut. Tutkijat tarkistivat luvut myöhemmin myös valikoivilla verkko-operaatioilla. Parasta koko menetelmässä oli se, ettei sitä vaikuttanut lainkaan kutualueilta, mikä on erittäin tärkeää luonnonsuojelun kannalta. Lisäksi kalastusviranomaisille saatiin välittömästi tietoa todellisesta kantamäärästä ilman, että piti odottaa perinteisiin kyselyihin liittyviä viikkoja.

Strategia: Lähetinvahvistimen sijoituksen ja kuvataajuuden optimointi koiruiden erottamiseksi

Parhaat tulokset saavutetaan sijoittamalla ARIS-anturit noin 1,2–1,5 metrin syvyydelle veden pinnan alapuolelle. Tämä syvyys tarjoaa hyvän tasapainon järjestelmän havaitsemisalueen (noin 40 metriä maksimissaan) ja kuvien yksityiskohtaisuuden välillä, joka voi olla noin 2 mm pikseliä kohti. Voimakkaiden virtausten yhteydessä kehysnopeuden nostaminen 15 ruutuun sekunnissa tekee suuren eron. Olemme huomanneet, että muuten selkeät mittaukset hämärtyvät liikemyrskyn vuoksi, kun kalojen pituuksia lasketaan nopeasti virtaavassa vedessä. Kenttäkokemuksemme on osoittanut myös jotain mielenkiintoista. Kaistan suuntaaminen noin 30 astetta virtauksen suuntaan parantaa merkittävästi kykyämme erottaa yksittäiset kalat kalojen kouluista. Tämä toimii erityisen hyvin sumuisessa vedessä, jossa sedimenttien määrä on korkea, ja testikäyntiemme mukaan erotuskyky paranee noin yhdellä kolmasosalla.

Tekniset rajat ja edistysaskeleet suuritaajuisen tutkan tarkkuudessa

Aallonpituuden ja kohderesoluution väliset kompromissit suuritaajuisessa äänimeren mittauksessa

Yli 1 MHz:llä toimivat vesiallisen havaintolaitteet saavuttavat millimetrin tarkkuuden, mutta kohtaavat käänteisen suhteen taajuuden ja tehollisen kantomatkan välillä. Lyhyemmät aallonpituudet (2,3 mm 1,6 MHz:llä) mahdollistavat tarkan kalan selkärangan mittaamisen, kun taas alle 500 kHz:n järjestelmät luopuvat yksityiskohdista saadakseen 30 % suuremman tunkeutumissyvyyden. Kalastusteollisuus käyttää nyt 1,2–2 MHz järjestelmiä, joissa alle 25 metrin syvyydet mahdollistavat 0,5 cm:n kohderesoluution tasapainottamisen 85 %:n signaalin säilyttämisen kanssa. Viimeaikaiset algoritmiuudistukset voittavat sameuden aiheuttaman häirinnän vaihe-eron sekvenssianalyysillä.

Datakohta: 92 % korrelaatio verkko-otosten ja 1,6 MHz:n äänimeren lukemien välillä (NOAA, 2022)

NOAA:n vertaileva tutkimus Chesapeakenlahden rannikkoalueilla vahvisti sonaarilla mitattuja kalapituuksia veto-vedolla 12 lajilla. 1,6 MHz järjestelmät saavuttivat: - 2,8 % keskimääräisen absoluuttisen virheen viirukaloille (35–80 cm vaihteluväli) - 91,7 % päällekkäisyyden kokojakaumien histogrammeissa. Poikkeamat ilmenivät pääasiassa vesissä yli 18 m syvyydessä, joissa akustiset varjot heikensivät mittausten johdonmukaisuutta 14 %.

Teollisuuden paradoksi: Korkeampi taajuus – aina parempi – signaalin vaimennus syvässä vedessä

Vaikka 2,4 MHz järjestelmät erottavat 0,3 cm yksityiskohdat, niiden tehollinen kantama romahtaa 48 % jokaista 10 metrin syvyyden lisäystä kohti pallosironnan vuoksi. 40 metrin syvyyksissä 400–700 kHz vaihtoehdot säilyttävät 72 %:n tuntotunnistustarkkuuden verrattuna korkeataajuisten laitteiden 29 %:iin. Kylmät vesikerrokset heikentävät vielä lisää korkeataajuisia signaaleja – vuoden 2023 kenttätestit osoittivat 1,8 MHz säteen vaimennusnopeuden kolminkertaistuvan alle 10 °C kerroksissa.

Kenttäpohjainen ja perinteinen kalakoon mittaus: käytännön vertailu

Kenttäpohjaisten kalan koon mittaustekniikoiden kannettavuus- ja nopeusetu

Tutkijat käyttävät nykyään varsin tehokasta uppoamiskykyistä laitteistoa, jolla voidaan laskea kalat näillä pienillä käsikäyttöisillä säteilylaitteilla, joiden paino on alle 4 kg. Näitä laitteita voidaan heittää pieneen veneeseen tai jopa maalta, mikä on suuri parannus vanhaan menetelmään, jossa suuret joukot viettivät koko päivän vedessä vetämällä verkkoja ja sitten lajittelivat saaliita tunneittain. Uudet kenttälaitteet antavat välittömät lukemat koko koiran koosta usein alle 10 minuutissa. Testit osoittivat, että nämä kannettavat kuvasonarit saavuttivat noin 89 %:n tarkkuuden, vaikka näkyvyys oli huono, ja niiden suorituskyky oli yhtä hyvä kuin kalliiden laboratoriolaitteiden, mutta ilman sitä, että tulosten odottamiseen kului päiviä, kun näytteet piti toimittaa takaisin laboratorioon.

Sonarin vertailu perinteisiin kalan mittausmenetelmiin: saaliipohjainen näytteenotto vs. ei-invasiivinen kuvantaminen

Kun tutkijat pyytävät kalaa tutkiakseen sitä, he itse asiassa häiritsevät ekosysteemiä ja jättävät huomiotta tärkeitä yksityiskohtia koon osalta. Sukeltajat saattavat jättää huomioimatta suurempia kalloja mitattaessa riuttikantoja, ja tutkimukset stereo-ääniaallotekniikalla ovat osoittaneet pituuden aliarvioinnin olevan noin 12 %. Ei-invasiiviset kuvantamismenetelmät tarjoavat parempia tuloksia tappamatta tai vahingoittamatta vesielämää. Otetaan esimerkkinä tutkimus, joka julkaistiin Fisheries Research -julkaisussa, jossa havaittiin, että aallonmittauslukemat snapper-kannalle olivat noin 5 % tarkempia kuin sukeltajien visuaaliset silmämääräiset arviot vedessä. Silti vanhat menetelmät säilyvät, koska ne ovat välttämättömiä tietyntyyppisen biologisen tiedon keräämisessä, jota ääniaalto ei vielä pysty sieppaamaan, kuten niitä arvokkaita ikärenkaita kalojen luissa, jotka kertovat niin paljon historiasta ja kasvumallista.

Strategia: Sonarilla ja fyysisillä pyydyksillä yhdistetyt seurantaojelmat

Kalastuksen hallintaryhmät yhdistävät yhä useammin säännöllisiä tutkaskanneja, jotka kattavat noin 2–5 neliökilometriä päivässä, valikoivaan pyyntiin, jota tehdään noin 10 prosentin intensiteetillä perinteiseen verrattuna. Yhdistelmä vähentää meriympäristön vahinkoja noin 40–60 prosentilla, ja se mahdollistaa tutkien näyttämien tietojen vertaamisen verkossa todellisuudessa saaliiksi jääneisiin kaloihin. Viime vuoden NOAA:n kokeilun tulosten mukaan tämä yhdistetty menetelmä johti noin 18 prosenttia vähemmän takaisin mereen heitettyihin kuolleisiin kaloihin verrattuna perinteisiin trawlin-tutkimuksiin. Itse asiassa eri tekniikoiden yhdistäminen vaikuttaa toimivan paremmin sekä ekosysteemien suojelussa että kalakantojen tarkan tiedon saamisessa.