Rola sprzętu wykrywającego pod wodą w nowoczesnym zarządzaniu rybołówstwem

Zjawisko: Przejście na praktyki rybołówcze napędzane technologią

Przemysł rybacki dość mocno się zmienił od około roku 2020. Dwie trzecie dużych komercyjnych statków rybackich wykorzystuje obecnie czujniki podwodne i inne urządzenia techniczne, aby skuteczniej łowić ryby oraz przestrzegać zasad ochrony środowiska. Dlaczego? Nowe badania publikowane w 2024 roku pokazują, że gdy rybacy stosują te technologie, złowi oni o 41 procent mniej młodych ryb niż ci korzystający ze starych metod. Większość kapitanów na morzu polega dzisiaj na systemach sonarów wielowiązkowych oraz programach komputerowych potrafiących rozróżnić różne gatunki ryb. Te narzędzia pomagają im widzieć, gdzie znajdują się ławice ryb we wszystkich kierunkach, co ułatwia przestrzeganie przepisów dotyczących minimalnych rozmiarów ryb przed ich wyłowieniem.

Zasada: Jak sonar poprawia ocenę zasobów rybnych

Najnowsza technologia sonaru obrazującego potrafi rzeczywiście wyróżnić kształty pojedynczych ryb w gęstych ławicach, wysyłając wiązki o częstotliwości 1,8 MHz. Testy kalibracyjne wykazują również dość dokładne pomiary, z dokładnością do około ±7 cm dla długości ryb. To, co wyróżnia te systemy, to ich zdolność skanowania w dwóch osiach. Zamiast analizować jedynie powierzchnię, jak czynią tradycyjne echosondy, obliczają one biomasę na podstawie pomiarów objętościowych przeprowadzonych w całej kolumnie wodnej. Rybacy i badacze testowali tę technologię porównując ją z rzeczywistymi połowami siecią, a wyniki pokrywały się w około 89% przypadków pod względem identyfikacji gatunków ryb zarówno w otwartych wodach, jak i wśród gatunków denny.

Trend: Integracja danych w czasie rzeczywistym w operacjach komercyjnego połowu ryb

Ryбocy мoгą tеrаz otrzymywać przеanalizowanе i wyświеtlanе wyniki sonaru na tablicach rozdzielczych podłączonych do satelity już około 90 sekund po przeskanowaniu wód, co pomaga im dynamicznie zarządzać przydziałami połowów. Nowy system pozwala kapitanom łodzi koncentrować się na obszarach, gdzie znajduje się dużo dorosłych ryb, unikając jednocześnie chronionych stref oraz miejsc, gdzie ryby są zbyt małe. Wczesne wyniki z terenów połowów śledzia w północnym Atlantyku pokazują również ciekawe zjawisko. Gdy łodzie łączą te mapy sonaru w czasie rzeczywistym z automatycznym sprzętem sortującym, zachowują około 23 procent więcej odpowiednich ryb. To całkowicie się zgadza, ponieważ nikt nie chce marnować czasu na gonienie się za nie tym, co trzeba, na morzu.

Jak sonar obrazujący umożliwia dokładne szacowanie długości ryb

Systemy sonarowe obrazujące zrewolucjonizowały ocenę biomasy ryb, umożliwiając bezinwazyjne pomiary długości. Ostatnie postępy w dziedzinie przetwarzania sygnałów i technologii przetworników pozwalają tym systemom osiągać dokładność na poziomie milimetra, nawet w trudnych warunkach podwodnych.

Podejścia algorytmiczne i kalibracja przy szacowaniu długości ryb za pomocą sonaru obrazującego

Współczesne systemy sonarów obrazujących działają poprzez łączenie technik wykrywania krawędzi z uczeniem maszynowym, aby odczytywać trudne akustyczne cienie oraz wykrywać pęcherze pławne u ryb. Niektóre testy przeprowadzone w zeszłym roku wykazały, że te systemy osiągają niemal idealne wyniki pomiarowe, osiągając dokładność około 97% w pomiarach sześciu różnych gatunków ryb mających znaczenie komercyjne, ale jedynie wtedy, gdy zostały odpowiednio skalibrowane przy użyciu standardowych obiektów odniesienia o znanej długości. Większość ekspertów zaleca codzienną kalibrację obejmującą zarówno stałe metalowe pręty, jak i rzeczywiste żywe ryby utrzymywane w niewoli. Pomaga to skompensować wpływ zmian temperatury na samo wyposażenie sonarowe w czasie. Poprawne wykonanie tych kalibracji ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wiarygodnego zbierania danych pod wodą.

Walidacja terenowa szacunków rozmiaru ryb za pomocą sonaru o wysokiej rozdzielczości

Testy operacyjne przeprowadzone na Morzu Beringa wykazały około 92-procentowe dopasowanie (zgodnie z raportem NOAA z 2022 roku) między długościami ryb zmierzonymi sonarem a rzeczywistymi pomiarami wykonanymi za pomocą sieci, przy analizie około 15 tysięcy indywidualnych próbek ryb. Różnica pozostałych 8 procent wynikała głównie z szybko poruszających się gatunków ryb otwartego oceanu, ponieważ sonar rejestruje obrazy z prędkością 30 klatek na sekundę i czasami nie uchwytla momentu, gdy te stworzenia całkowicie się wyginają podczas ruchu. Nowoczesne urządzenia starają się rozwiązać ten problem, uruchamiając specjalne programy komputerowe analizujące wiele różnych kątów skupisk ryb zarówno od góry, jak i od spodu powierzchni wody, aby uzyskać ogólnie lepsze szacunki.

Analiza kontrowersji: Rozbieżności między identyfikacją wizualną a pomiarami uzyskanymi za pomocą sonaru

Sonar wizyjny z pewnością wyeliminowuje dokuczliwe błędy pomiarowe, jakie mogą wprowadzać nurkowie, jednak nadal istnieje pewna niezgoda co do skuteczności tej metody w przypadku ryb o spłaszczonej budowie, takich jak flądra. Badanie z zeszłego roku wykazało ciekawy fakt – u ryb płaskich różnice w pomiarach były o około 22% większe niż u gatunków o bardziej okrągłym kształcie. Problem polega na tym, że sprzęt sonarowy myli kąt ułożenia tych spłaszczonych stworzeń względem dna morskiego z rzeczywistymi zmianami długości. Ale jest też dobra wiadomość: gdy zaczęto stosować zaawansowane systemy podwójnej wiązki, sprawdzające pomiary zarówno w skanowaniu poziomym, jak i pionowym, współczynnik błędów spadł poniżej 5%. Dlatego coraz więcej badaczy chętnie korzysta z tej technologii, mimo okazjonalnych problemów.

Sonar ARIS w środowiskach złożonych: precyzyjne wykrywanie i pomiar ryb

Zalety operacyjne sonaru ARIS w wykrywaniu i pomiarze ryb w wodach mętnych

System sonaru obrazującego o zmiennej rozdzielczości, znany jako ARIS, działa bardzo skutecznie, gdy widoczność jest słaba, a standardowe metody optyczne już nie dają rady. Sonar wysyła sygnały o wysokiej częstotliwości, około 1,8 MHz, które potrafią przenikać przez błoto i muł w wodzie. Tworzy obrazy tak szczegółowe, że pozwalają wyodrębnić kształty poszczególnych ryb z dość dużą precyzją – dokładność wynosi około 0,3 stopnia szerokości wiązki. Ma to duże znaczenie przy określaniu wielkości gatunków żyjących na dnie, takich jak som czy karp, w mętnych rzekach, gdzie wszystko wygląda podobnie. Badanie opublikowane w czasopiśmie Fisheries Research w 2021 roku wykazało również ciekawy fakt. Testy ARIS przeprowadzone w warunkach mętnej wody w akwarium dały około 82 procent poprawnych identyfikacji różnych gatunków ryb. Zamiast polegać na kolorach, które są niewidoczne w brudnej wodzie, system analizuje sposób poruszania się ryb oraz ich kształt ciała. Pracownicy terenowi, którzy korzystali z tej technologii, twierdzą, że oceny trwają mniej więcej o 40 procent krócej niż wcześniejsze metody polegające na przeciąganiu sieci przez te same akweny, co jest szczególnie ważne podczas trudnych badań terenowych, gdzie każda minuta ma znaczenie.

Studium przypadku: Wdrożenie systemu ARIS w badaniach karpia amerykańskiego na rzece Mississippi

W 2022 roku naukowcy wdrożyli te nowoczesne systemy ARIS 3000 wzdłuż około 15 mil bardzo mętnych cieków wchodzących do rzeki Mississippi. Odkrycie było dość zaskakujące. Ich sprzęt sonarowy potrafił odróżnić poszczególne rozmiary karpia już od około 2 centymetrów, nawet gdy całe ławice były ze sobą ściśnięte gęściej niż placek kukurydziany. Okazało się, że w tym miejscu rozmnaża się około 18 700 dorosłych ryb – znacznie więcej, niż ktokolwiek wcześniej przypuszczał. Naukowcy później zweryfikowali te dane za pomocą selektywnego wędkowania siecią. Najlepsze? Ta metoda wcale nie zakłócała obszarów tarliskowych, co ma ogromne znaczenie dla działań konserwatorskich. Dodatkowo dostarczyła pracownikom nadzoru rybołówstwa natychmiastowych danych dotyczących rzeczywistej liczebności ryb, bez konieczności czekania tygodniami na tradycyjne badania.

Strategia: Optymalizacja rozmieszczenia przetworników i częstotliwości klatek dla rozróżniania ławic

Aby uzyskać najlepsze wyniki, umieszczaj przetworniki ARIS około 1,2–1,5 metra pod powierzchnią wody. Taka głębokość pozwala osiągnąć dobry kompromis między zasięgiem wykrywania obiektów (maksymalnie około 40 metrów), a uzyskaniem szczegółowych obrazów o rozdzielczości rzędu 2 mm na piksel. W przypadku silnych prądów wodnych zwiększenie szybkości odświeżania do 15 klatek na sekundę znacząco poprawia jakość pomiarów. Zauważyliśmy, że w przeciwnym razie czytelne odczyty są zaburzane przez rozmycie ruchowe podczas pomiaru długości ryb w szybko płynącej wodzie. Nasze doświadczenia terenowe ujawniły również ciekawą obserwację: nachylenie jednostki sonaru o około 30 stopni w kierunku biegu rzeki znacznie poprawia możliwość rozróżnienia poszczególnych ryb w stadach. Szczególnie dobrze działa to w mętnych wodach o wysokim stężeniu osadów, dając według naszych testów o około jedną trzecią lepszą zdolność rozróżniania.

Ograniczenia techniczne i postępy w dokładności sonarów o wysokiej częstotliwości

Wymiana długości fali na rozdzielczość docelową w pomiarach sonarowych o wysokiej częstotliwości

Urządzenia do wykrywania pod wodą pracujące powyżej 1 MHz osiągają rozdzielczość w skali milimetrowej, ale napotykają odwrotną zależność między częstotliwością a zasięgiem efektywnym. Krótsze fale (2,3 mm przy 1,6 MHz) umożliwiają precyzyjne pomiary kręgosłupa ryb, podczas gdy systemy poniżej 500 kHz tracą szczegółowość, uzyskując o 30% większą penetrację głębokości. Rybołówstwo wykorzystuje obecnie systemy 1,2–2 MHz tam, gdzie przy głębokości poniżej 25 m można zrównoważyć rozdzielczość celu na poziomie 0,5 cm z zachowaniem 85% sygnału. Ostatnie postępy algorytmiczne pozwalają pokonać zakłócenia spowodowane zawiesinami poprzez analizę sekwencji różnic fazowych.

Dane: 92% korelacja między pobieraniem próbek siecią a odczytami sonaru 1,6 MHz (NOAA, 2022)

Badania porównawcze NOAA w estuariach Zatoki Chesapeake zweryfikowały długości ryb wyznaczone sonarem na podstawie połowów siecią tralową u 12 gatunków. Systemy 1,6 MHz osiągnęły: - średni błąd bezwzględny 2,8% dla pstrąga szklistego (zakres 35–80 cm) - 91,7% nakładanie się histogramów rozkładu wielkości. Rozbieżności występowały głównie w wodach głębszych niż 18 m, gdzie akustyczne cienie zmniejszały spójność pomiarów o 14%.

Paradoks branżowy: Wyższa częstotliwość – zawsze lepsza? – Tłumienie sygnału w głębokiej wodzie

Chociaż systemy 2,4 MHz pozwalają na rozróżnienie szczegółów o wielkości 0,3 cm, ich zasięg skuteczny zmniejsza się o 48% przy każdym wzroście głębokości o 10 m z powodu strat rozprzestrzeniania sferycznego. Na głębokości 40 m alternatywy w zakresie 400–700 kHz utrzymują dokładność rozpoznawania celów na poziomie 72%, podczas gdy jednostki wysokich częstotliwości osiągają tylko 29%. Termokliny w zimnej wodzie dodatkowo pogarszają sygnały wysokich częstotliwości – testy terenowe z 2023 roku wykazały potrojenie współczynnika tłumienia wiązki 1,8 MHz poniżej warstw o temperaturze poniżej 10°C.

Pomiar wielkości ryb w terenie a tradycyjne metody: Porównanie praktyczne

Zalety przenośności i szybkości pomiarów rozmiaru ryb w terenie

Badacze mają obecnie dostęp do naprawdę imponujących urządzeń podwodnych, które pozwalają im liczyć ryby za pomocą małych, ręcznych urządzeń sonarowych ważących mniej niż 4 kg. Te urządzenia mogą być wrzucane do wody z małych łódek, a nawet z lądu, co stanowi ogromne ulepszenie w porównaniu ze staromodnymi metodami, kiedy duże zespoły spędzały cały dzień holując sieci przez wodę, a następnie godziny sortując złowione okazy. Nowe systemy terenowe dają natychmiastowe odczyty dotyczące wielkości całej ławicy, często już po zaledwie 10 minutach. Testy wykazały, że przenośne sonary obrazujące osiągają dokładność rzędu 89% nawet przy bardzo słabym prześwicie, wypadając równie dobrze jak drogie instrumenty laboratoryjne, ale bez konieczności czekania dni na wyniki po wysłaniu próbek do laboratorium.

Porównanie sonaru z tradycyjnymi metodami pomiaru ryb: metody oparte na poławianiu vs. bezinwazyjne techniki obrazowania

Gdy naukowcy łapią ryby, aby je badać, faktycznie zakłócają ekosystem i przegapiają pewne istotne informacje dotyczące wielkości. Nurkowie często przegapiają większe ryby podczas pomiaru populacji rafowych, niedoszacowując długości o około 12% – wynika to z badań wykorzystujących technologię stereo-sonaru. Nieinwazyjne techniki obrazowania dają lepsze wyniki, nie powodując zabicia ani krzywdy organizmom morskim. Przykładem może być praca opublikowana w czasopiśmie Fisheries Research, w której stwierdzono, że pomiary sonarem populacji łupaczy były o około 5% dokładniejsze niż wizualne liczenie dokonywane przez nurków pod wodą. Niemniej jednak tradycyjne metody nadal są stosowane, ponieważ są niezbędne do uzyskania niektórych rodzajów informacji biologicznych, których sonar póki co nie potrafi uchwycić, takich jak cenne pierścienie wieku znajdujące się w kościach ryb, które wiele nam mówią o ich historii i wzorcu wzrostu.

Strategia: Hybrydowe programy monitoringu łączące sonar i fizyczne przeciągania sieci

Grupy zarządzające rybołówstwem coraz częściej łączą regularne skanowanie sonarem, obejmujące dziennie około 2 do 5 kilometrów kwadratowych, z selektywnym wędkowaniem wykonywanym z intensywnością wynoszącą około 10% typowej. Połączenie to zmniejsza uszkodzenia siedlisk morskich o około 40–60 procent, a ponadto pozwala badaczom porównać obrazy z ekranów sonaru z rzeczywiście złapanymi w sieci rybami. Zgodnie z wynikami próbnej kampanii przeprowadzonej w zeszłym roku przez NOAA, ta mieszana metoda doprowadziła do odrzucania z powrotem do oceanu o około 18% mniej martwych ryb w porównaniu z tradycyjnymi tylko badaniami trawlami. Tak więc, łączenie różnych technik wydaje się działać lepiej zarówno w zakresie ochrony ekosystemów, jak i uzyskiwania dokładnych informacji na temat populacji ryb.