현대 어업 관리에서 수중 탐지 장비의 역할

현상: 기술 주도형 어업 관행으로의 전환

2020년경부터 어업 산업은 상당히 많이 변화했다. 현재 대형 상업용 어선의 약 3분의 2가 수중 센서와 기타 기술 장비를 사용하여 더 효과적으로 어획하고 환경 규제를 준수하고 있다. 그 이유는 무엇일까? 2024년에 발표될 새로운 연구에 따르면, 어업 종사자들이 이러한 기술을 도입할 경우 기존 전통 방식을 사용하는 어선보다 미성숙 어류를 41퍼센트 덜 어획하게 된다고 한다. 오늘날 대부분의 선장들은 다중 빔 음향 탐지 시스템과 다양한 물고기를 구분해내는 컴퓨터 프로그램을 의존하고 있다. 이러한 도구들은 모든 방향으로 어군이 어디에 위치해 있는지를 확인할 수 있게 해주며, 이로 인해 어획 전 최소한의 어류 크기에 관한 규정을 준수하기가 훨씬 쉬워진다.

원리: 음향 탐지 기술이 어족 자원 평가를 향상시키는 방법

최신 영상 소나 기술은 1.8MHz 주파수 빔을 발사하여 굵은 어군 내에서도 개별 물고기의 형태를 구분할 수 있다. 교정 테스트 결과, 이 기술은 물고기 길이 측정 시 약 ±7cm 정도의 정확도를 보이며 상당히 정밀한 측정이 가능하다. 이러한 시스템의 독특한 점은 양축(듀얼 액시스) 스캔 기능에 있다. 기존의 초음파 탐지기처럼 수면만을 관찰하는 것과 달리, 수심 전반에 걸친 부피 측정을 통해 생물량을 계산한다. 어업 종사자들과 연구진들이 실제 그물 어획 결과와 비교하여 검증한 결과, 개방수역 및 저서성 어류 집단 모두에서 어종 식별 정확도가 약 89% 수준으로 일치했다.

트렌드: 상업 어업 운영에서의 실시간 데이터 통합

어부들은 이제 수중을 스캔한 지 약 90초 만에 음파 탐지 결과를 위성 연결 대시보드에서 처리하고 확인할 수 있게 되었으며, 이를 통해 어획 할당량을 실시간으로 관리할 수 있습니다. 새로운 시스템을 통해 선장들은 성숙한 물고기가 풍부한 지역에 집중하면서 보호 구역이나 물고기가 너무 작은 지역은 피할 수 있습니다. 북대서양의 청어 어업 지역에서 나온 초기 결과는 흥미로운 현상을 보여주고 있습니다. 배들이 실시간 음파 맵을 자동 분류 장비와 함께 활용할 경우 올바른 종류의 물고기를 약 23퍼센트 더 많이 포획할 수 있는 것으로 나타났습니다. 바다에서 잘못된 대상만 쫓아다니며 시간을 낭비하고 싶어 하는 사람은 아무도 없기 때문에 이는 매우 합리적인 결과입니다.

이미징 소나가 어떻게 정확한 물고기 길이 측정을 가능하게 하는가

이미징 소나 시스템은 비침습적인 길이 측정 기능을 제공함으로써 어류 생체량 평가를 혁신해왔다. 신호 처리 및 송수신기 기술의 최근 발전으로 인해 이러한 시스템은 열악한 수중 환경에서도 밀리미터 수준의 정밀도를 달성할 수 있게 되었다.

이미징 소나를 이용한 어류 길이 추정에서의 알고리즘 접근법 및 교정

최근의 영상 소나 시스템은 가장자리 검출 기술과 머신 러닝을 결합하여 어려운 음향 그림자를 해석하고 물고기의 부레를 탐지합니다. 작년에 수행된 일부 테스트에서는 이러한 시스템이 여섯 가지 상업적으로 중요한 어종에 걸쳐 약 97%의 정확도를 달성하며 거의 완벽한 측정에 근접했음을 보여주었는데, 이는 길이가 알려진 표준 기준 물체와 적절히 교정되었을 때만 가능했습니다. 대부분의 전문가들은 고정된 금속 막대와 함께 실제 사육 중인 생물 상태의 물고기도 포함하여 매일 교정을 수행할 것을 권장합니다. 이를 통해 시간이 지남에 따라 온도 변화가 소나 장비 자체에 미치는 영향을 보정할 수 있습니다. 이러한 교정을 정확하게 수행하는 것이 수중에서 신뢰할 수 있는 데이터 수집을 보장하는 데 매우 중요합니다.

고해상도 소나 크기 추정값의 현장 검증

베링해에서 수행된 시험 운영 결과, 소나가 측정한 어류 길이와 그물에서 직접 채취한 실제 측정치 사이에는 약 92%의 일치율이 있었으며(NOAA가 2022년에 보고), 약 1만 5천 마리의 개별 어류 샘플을 기준으로 분석되었다. 나머지 8%의 차이는 주로 빠르게 이동하는 외해성 어류에서 발생하였는데, 소나는 초당 30프레임으로 영상을 촬영하기 때문에 이러한 생물들이 움직임 중에 완전히 몸을 늘릴 때 이를 포착하지 못하는 경우가 있기 때문이다. 최신 장비는 수면 위와 아래에서 어군을 다양한 각도로 분석하는 특수 컴퓨터 프로그램을 활용하여 이러한 문제를 해결하고자 하며, 전반적인 추정 정확도를 향상시키고 있다.

논란 분석: 시각적 식별과 소나 측정값 간의 차이

이미징 소나는 다이버가 측정 시 발생시킬 수 있는 성가신 측정 편차를 확실히 제거하지만, 넙치처럼 납작한 생선에 대해 얼마나 잘 작동하는지는 여전히 논란의 여지가 있다. 작년에 발표된 한 연구에서는 흥미로운 결과를 보였는데, 둥근 형태의 물고기보다 납작한 물고기는 측정 크기에서 약 22% 더 큰 오차를 보였다. 문제는 이러한 납작한 생물들이 바다바닥에 달라붙어 누워 있는 방식 때문에 소나 장비가 그 각도를 실제 길이 변화로 잘못 인식한다는 점으로 보인다. 하지만 좋은 소식은, 수평 및 수직 스캔을 모두 활용하는 고급 듀얼 빔 시스템을 사용하기 시작하면서 오차율이 5% 미만으로 떨어졌다는 것이다. 간혹 문제가 발생하더라도 더 많은 연구자들이 이 기술을 도입하고 있는 이유를 납득할 수 있게 해준다.

복잡한 환경에서의 ARIS 소나: 정밀한 어류 탐지 및 크기 측정

탁한 수역에서 어류 탐지 및 크기 측정을 위한 ARIS 소나의 운용적 장점

적응형 해상도 영상 음향 탐지 시스템(ARIS)은 가시성이 낮고 일반 광학 기술로는 더 이상 효과를 얻기 어려운 상황에서 매우 잘 작동한다. 이 음향 탐지 장치는 물속의 진흙과 퇴적물 속까지 뚫고 지나갈 수 있는 약 1.8MHz의 고주파 신호를 방출한다. 이 시스템은 물고기 개체 하나하나의 형태를 꽤 정밀하게, 빔 폭 기준 약 0.3도의 정확도로 구분할 수 있을 만큼 상세한 영상을 생성한다. 특히 모든 것이 비슷해 보이는 탁한 강바닥에서 메기나 잉어 같은 저서성 어류의 크기를 파악하는 데 매우 중요하다. 2021년 <Fisheries Research>에 발표된 한 연구에서는 흥미로운 결과를 보여주었다. 연구진은 탁한 수족관 환경에서 ARIS를 시험한 결과, 다양한 어종을 약 82%의 정확도로 올바르게 식별할 수 있었다. 오염된 물속에서 색상이 흐려지는 것에 의존하는 대신, 이 시스템은 물고기의 움직임과 체형을 분석한다. 현장 조사원들은 이 기술을 사용한 평가가 동일한 지역을 그물로 채집하는 것보다 소요 시간이 약 40% 정도 줄어든다고 말하며, 특히 매 순간이 중요한 까다로운 현장 조사에서 큰 의미가 있다고 평가했다.

사례 연구: 미시시피 강 메기 조사에서의 ARIS 시스템 적용

2022년에 과학자들은 미시시피 강으로 흘러가는 약 15마일 길이의 매우 탁한 수로를 따라 최신식 ARIS 3000 시스템을 배치했습니다. 그들이 발견한 것은 실제로 꽤 놀라운 것이었습니다. 무리지어 있는 학교 전체가 콘브레드처럼 빽빽하게 몰려 있어도, 이들의 소나 장비는 개별 메기의 크기를 약 2센티미터까지 구분할 수 있었습니다. 그 결과, 사전 예상보다 훨씬 많은 약 18,700마리의 성어가 그곳에서 산란하고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 이후 선택적 그물망 어획 작업을 추가로 수행해 이 수치를 검증하기도 했습니다. 가장 좋은 점은 이 방법이 산란 지역을 전혀 방해하지 않았다는 것으로, 보존 노력 측면에서 매우 중요합니다. 또한 전통적인 조사 방식처럼 수 주를 기다릴 필요 없이 어업 관계자들에게 즉각적으로 실제 존재하는 어류 수에 대한 데이터를 제공했다는 점입니다.

전략: 무리 구분을 위한 송수신기 배치 및 프레임 속도 최적화

최상의 결과를 얻으려면 ARIS 트랜스듀서를 수면 아래 약 1.2~1.5미터 깊이에 설치하세요. 이 수심은 시스템이 최대 약 40미터까지 물체를 탐지할 수 있는 거리와 더불어 픽셀당 약 2mm 해상도로 상세한 이미지를 얻는 데 적절한 균형을 제공합니다. 강한 조류가 흐르는 환경에서는 초당 프레임 수를 15프레임으로 높이는 것이 큰 차이를 만듭니다. 빠르게 흐르는 물속에서 어류 길이를 측정할 때, 그렇지 않으면 선명한 측정값이 움직임 흐림 현상으로 인해 왜곡되는 것을 경험을 통해 확인했습니다. 또한 현장 경험을 통해 흥미로운 점을 발견했습니다. 소나 장치를 하류 방향으로 약 30도 각도로 기울이면 군집 내 개별 어류를 구분하는 능력이 크게 향상됩니다. 특히 퇴적물 농도가 높은 탁한 물에서는 더욱 효과적이며, 당사의 테스트 결과에 따르면 구분 정확도가 약 3분의 1 정도 향상됩니다.

고주파 소나 정확도의 기술적 한계 및 발전

고주파 소나 측정에서 파장과 목표 해상도의 상충 관계

1MHz 이상에서 작동하는 수중 탐지 장비는 밀리미터 단위의 해상도를 달성하지만 주파수와 유효 거리 사이의 반비례 관계에 직면한다. 더 짧은 파장(1.6MHz에서 2.3mm)은 물고기 등뼈 측정의 정밀도를 가능하게 하지만, 500kHz 미만의 시스템은 세부 정보를 희생함으로써 30% 더 깊은 침투가 가능하다. 어업 분야에서는 수심이 25m 미만인 지역에서 0.5cm의 목표 해상도와 85%의 신호 유지율을 조화시키기 위해 현재 1.2~2MHz 시스템을 활용하고 있다. 최근 알고리즘의 발전은 위상차 순차 분석을 통해 탁도 간섭을 극복하고 있다.

데이터 포인트: 그물 채집과 1.6MHz 소나 측정 간 92% 상관관계 (NOAA, 2022)

체서피크 만의 해후식 지역에서 NOAA가 수행한 비교 연구는 12종에 걸쳐 소나로 측정한 어류 길이를 트롤어망 채집 결과와 대조 검증하였다. 1.6MHz 시스템은 다음의 성능을 달성했다: - 줄송어(35–80cm 범위)의 평균 절대 오차 2.8% - 크기 분포 히스토그램에서 91.7% 중첩률 깊이 18m 이상의 수역에서는 음향 그림자로 인해 측정 일관성이 14% 감소하며, 주로 오차가 발생하였다.

업계의 역설: 높은 주파수 – 항상 더 좋은가? – 심해에서의 신호 감쇠

2.4MHz 시스템은 0.3cm 크기의 구조물을 해상할 수 있지만, 구형 확산 손실로 인해 수심 10m 증가당 유효 탐지 거리가 48% 감소한다. 수심 40m에서 400–700kHz 대안 시스템은 고주파 장비의 29%에 비해 72%의 목표물 인식 정확도를 유지한다. 또한 냉수층의 열분층은 고주파 신호를 더욱 저하시켜, 2023년 현장 테스트에서 10°C 이하 수층 아래에서 1.8MHz 빔의 감쇠율이 3배 증가하는 것으로 나타났다.

현장 기반 어류 크기 측정과 전통적 측정 방법: 실용적 비교

현장 기반 어류 크기 측정 기술의 휴대성과 속도 장점

연구자들은 이제 수중에서 물고기를 계수할 수 있는 무게 4kg 이하의 소형 핸드헬드 소나 장치와 같은 인상적인 수중 장비를 사용할 수 있게 되었다. 이러한 장치는 작은 보트 위에서도 혹은 육지에서도 쉽게 투척이 가능하여, 과거에 대규모 팀이 하루 종일 그물을 끌어다니며 어획한 후 오랜 시간을 들여 잡은 생물을 분류했던 구식 방법보다 큰 개선을 보여준다. 새로운 현장 시스템은 어군 전체의 크기에 대해 즉각적인 측정 결과를 제공하며, 대부분 단 10분 이내에 완료된다. 가시성이 매우 나쁜 조건에서도 이러한 휴대용 영상 소나는 약 89%의 정확도를 달성했으며, 실험실 장비만큼의 성능을 보였고, 샘플을 실험실로 보내고 나서 며칠간 기다릴 필요 없이 실시간 결과를 제공한다.

소나와 전통적인 어류 측정 방법 비교: 어획 기반 샘플링 대 비침습적 영상 촬영

과학자들이 생선을 연구하기 위해 잡는 경우, 실제로 생태계를 교란시키며 크기에 관한 중요한 세부 정보를 놓치게 된다. 스테레오 소나 기술을 사용한 연구에 따르면, 다이버들은 암초 지역의 어류 개체군을 측정할 때 큰 물고기를 놓치는 경향이 있으며, 길이를 약 12% 정도 과소평가한다. 비침습적 영상 기술은 해양 생물을 죽이거나 해치지 않고도 더 나은 결과를 제공한다. 예를 들어 Fisheries Research에 발표된 사례 연구에서는, 도미 개체군에 대한 소나 측정이 다이버가 수중에서 육안으로 계산하는 것보다 약 5% 더 정확한 것으로 나타났다. 그러나 여전히 소나로는 아직 포착할 수 없는 생물학적 정보, 예를 들어 물고기 뼈 속의 나이 고리처럼 그들의 역사와 성장 패턴에 관해 많은 것을 알려주는 중요한 정보를 얻기 위해 전통적인 방법이 계속 사용되고 있다.

전략: 소나와 물리적 그물 트롤을 결합한 하이브리드 모니터링 프로그램

어업 관리 단체들은 점점 더 매일 약 2~5제곱킬로미터를 커버하는 정기적인 소나 스캔과 기존 강도의 약 10% 수준으로 수행되는 선택적 트롤링을 병행하고 있습니다. 이 조합은 해양 서식지에 미치는 피해를 약 40~60% 줄여줄 뿐만 아니라, 연구원들이 소나 화면에서 보는 내용을 그물로 실제로 잡은 어류와 비교 검증할 수 있게 해줍니다. 작년 NOAA의 시범 운영 결과에 따르면, 이러한 혼합 방식은 전통적인 트롤링 조사만 사용했을 때보다 바다에 다시 버려지는 죽은 물고기가 약 18% 정도 적었습니다. 즉, 다양한 기술을 결합하는 것이 생태계 보호와 어류 개체수에 대한 정확한 정보 수집 모두에 더 효과적인 것으로 보입니다.