Vai trò của thiết bị phát hiện dưới nước trong quản lý nghề cá hiện đại

Hiện tượng: Xu hướng chuyển sang các phương pháp nghề cá dựa trên công nghệ

Ngành công nghiệp đánh bắt cá đã thay đổi khá nhiều kể từ khoảng năm 2020. Khoảng hai phần ba tàu đánh cá thương mại lớn hiện đang sử dụng cảm biến dưới nước và các thiết bị công nghệ khác để bắt cá hiệu quả hơn và tuân thủ các quy định về môi trường. Tại sao vậy? Chà, nghiên cứu mới dự kiến công bố vào năm 2024 cho thấy khi ngư dân áp dụng những công nghệ này, họ bắt được ít hơn 41 phần trăm cá nhỏ so với những người sử dụng phương pháp truyền thống. Hầu hết các thuyền trưởng ngày nay đều dựa vào các hệ thống sóng âm đa tia cùng với các chương trình máy tính có thể phân biệt được các loại cá khác nhau. Những công cụ này giúp họ xác định vị trí đàn cá theo mọi hướng, từ đó dễ dàng tuân thủ các quy định về kích cỡ tối thiểu của cá trước khi khai thác.

Nguyên lý: Cách thức sóng âm nâng cao việc đánh giá nguồn lợi cá

Công nghệ sonar hình ảnh mới nhất thực sự có thể nhận diện hình dạng từng con cá riêng lẻ bên trong các đàn cá dày đặc bằng cách phát ra những chùm tần số 1,8 MHz. Các bài kiểm tra hiệu chuẩn cho thấy thiết bị này cung cấp độ chính xác khá cao, sai số chỉ khoảng ±7 cm đối với chiều dài cá. Điều làm nên điểm nổi bật của các hệ thống này là khả năng quét hai trục. Thay vì chỉ quan sát bề mặt như các máy dò hồi âm truyền thống, chúng tính toán sinh khối dựa trên các phép đo thể tích xuyên suốt cột nước. Ngư dân và các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phương pháp này so sánh với kết quả thu được từ các lần kéo lưới thực tế, và kết quả trùng khớp khoảng 89% khi xác định các loài cá hiện diện, cả ở vùng nước mở lẫn các quần thể sống đáy.

Xu hướng: Tích hợp Dữ liệu Thời gian Thực trong Hoạt động Đánh bắt Cá Thương mại

Ngư dân hiện có thể nhận được kết quả xử lý và hiển thị hình ảnh sonar trên các bảng điều khiển kết nối vệ tinh chỉ khoảng 90 giây sau khi quét vùng nước, giúp họ quản lý hạn ngạch đánh bắt một cách linh hoạt. Hệ thống mới cho phép các thuyền trưởng tập trung vào những khu vực có nhiều cá trưởng thành, đồng thời tránh xa các khu vực được bảo vệ và những nơi cá còn quá nhỏ. Kết quả ban đầu từ các ngư trường cá trích ở Bắc Đại Tây Dương cũng cho thấy một điều thú vị. Khi các tàu kết hợp bản đồ sonar thời gian thực này với thiết bị phân loại tự động, tỷ lệ giữ lại các loại cá phù hợp tăng lên khoảng 23 phần trăm. Điều này hoàn toàn hợp lý vì không ai muốn lãng phí thời gian rượt đuổi những loài cá không đúng mục tiêu giữa biển khơi.

Cách Thức Sonar Hình Ảnh Cho Phép Ước Tính Độ Dài Cá Một Cách Chính Xác

Các hệ thống sonar hình ảnh đã cách mạng hóa việc đánh giá sinh khối cá bằng cách cung cấp khả năng đo chiều dài không xâm lấn. Những tiến bộ gần đây trong xử lý tín hiệu và công nghệ đầu dò cho phép các hệ thống này đạt được độ chính xác ở mức milimét ngay cả trong điều kiện dưới nước khắc nghiệt.

Các phương pháp thuật toán và hiệu chuẩn trong ước lượng chiều dài cá bằng sonar hình ảnh

Các hệ thống sonar hình ảnh hiện nay hoạt động bằng cách kết hợp các kỹ thuật phát hiện biên với học máy để đọc những bóng âm học khó nhận biết và phát hiện bong bóng hơi của cá. Một số thử nghiệm thực hiện năm ngoái cho thấy các hệ thống này đạt được độ chính xác gần như hoàn hảo, khoảng 97% trong việc đo đạc đối với sáu loại cá có giá trị thương mại khác nhau, nhưng chỉ khi chúng được hiệu chuẩn đúng cách dựa trên các vật tham chiếu tiêu chuẩn có chiều dài đã biết. Hầu hết các chuyên gia đề xuất thực hiện hiệu chuẩn hàng ngày, bao gồm cả các thanh kim loại cố định lẫn cá sống thật được nuôi trong điều kiện kiểm soát. Việc này giúp bù trừ ảnh hưởng do sự thay đổi nhiệt độ tác động đến thiết bị sonar theo thời gian. Việc thực hiện hiệu chuẩn chính xác sẽ tạo nên sự khác biệt lớn trong đảm bảo thu thập dữ liệu dưới nước một cách đáng tin cậy.

Xác thực thực địa các ước lượng kích thước sonar độ phân giải cao

Các hoạt động thử nghiệm tại biển Bering cho thấy có khoảng 92 phần trăm trùng khớp (theo báo cáo của NOAA vào năm 2022) giữa độ dài cá được đo bằng sóng âm và các phép đo thực tế lấy từ lưới, dựa trên khoảng 15 nghìn mẫu cá riêng lẻ. Sự chênh lệch 8 phần trăm còn lại chủ yếu đến từ những loài cá di chuyển nhanh ở vùng đại dương mở, vì sóng âm chỉ ghi hình với tốc độ 30 khung hình mỗi giây và đôi khi không bắt được chính xác khi những sinh vật này duỗi thẳng hoàn toàn trong lúc di chuyển. Các thiết bị hiện đại đang cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách chạy các chương trình máy tính đặc biệt để phân tích nhiều góc nhìn khác nhau của đàn cá, cả từ phía trên và dưới bề mặt nước nhằm đạt được ước tính tổng thể chính xác hơn.

Phân tích tranh cãi: Sự khác biệt giữa nhận dạng bằng mắt và các phép đo dựa trên sóng âm

Máy sonar hình ảnh chắc chắn loại bỏ những sai lệch đo lường khó chịu mà thợ lặn có thể gây ra, nhưng vẫn còn một số tranh cãi về hiệu quả của nó đối với các loài cá dẹt như cá bơn. Một nghiên cứu từ năm ngoái đã chỉ ra điều thú vị: cá dẹt có sự chênh lệch kích thước đo được lớn hơn khoảng 22% so với các loại cá tròn hơn. Vấn đề dường như nằm ở chỗ thiết bị sonar bị nhầm lẫn bởi cách những sinh vật dẹt này nằm sát đáy biển, khiến góc nghiêng của chúng bị hiểu nhầm thành sự thay đổi chiều dài thực tế. Nhưng tin vui là khi mọi người bắt đầu sử dụng các hệ thống tia kép hiện đại kiểm tra phép đo đồng thời qua cả quét ngang và quét dọc, tỷ lệ sai số đã giảm xuống dưới 5%. Điều này lý giải vì sao ngày càng nhiều nhà nghiên cứu đang chuyển sang sử dụng công nghệ này bất chấp những trục trặc thỉnh thoảng xảy ra.

Sonar ARIS trong Môi trường Phức tạp: Phát hiện và Đo kích thước Cá với Độ Chính xác Cao

Lợi thế Vận hành của Sonar ARIS trong Việc Phát hiện và Đo Kích thước Cá ở Vùng Nước Đục

Hệ thống Sonar hình ảnh độ phân giải thích ứng, được biết đến với tên ARIS, hoạt động rất hiệu quả khi tầm nhìn bị hạn chế và các kỹ thuật quang học thông thường không còn phát huy tác dụng. Thiết bị sonar phát ra các tín hiệu tần số cao khoảng 1,8 MHz có khả năng xuyên qua lớp bùn và phù sa trong nước. Nó tạo ra những hình ảnh chi tiết đến mức có thể nhận diện hình dạng từng con cá riêng lẻ với độ chính xác khá cao, khoảng 0,3 độ về độ rộng chùm tia. Điều này rất quan trọng để xác định kích cỡ các loài sinh vật sống dưới đáy như cá trê và cá chép trong những con sông đục ngầu nơi mọi thứ trông đều giống nhau. Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Fisheries Research vào năm 2021 cũng cho thấy một điều thú vị: họ đã thử nghiệm ARIS trong điều kiện bể cá bị vẩn đục và đạt được tỷ lệ nhận diện đúng khoảng 82 phần trăm đối với các loài cá khác nhau. Thay vì dựa vào màu sắc – thứ dễ bị phai nhạt trong nước đục – hệ thống này phân tích cách di chuyển và hình dạng cơ thể của cá. Những nhân viên thực địa đã sử dụng công nghệ này cho biết việc đánh giá chỉ mất khoảng thời gian ít hơn 40 phần trăm so với việc kéo lưới qua cùng khu vực, đặc biệt quan trọng trong các cuộc khảo sát thực địa phức tạp khi mỗi phút đều mang tính quyết định.

Nghiên cứu điển hình: Triển khai ARIS trong khảo sát cá da trơn tại sông Mississippi

Vào năm 2022, các nhà khoa học đã triển khai những hệ thống ARIS 3000 hiện đại dọc theo khoảng 15 dặm đường thủy cực kỳ đục chảy vào sông Mississippi. Điều họ phát hiện ra thật sự khá bất ngờ. Thiết bị định vị siêu âm của họ có thể phân biệt kích cỡ từng con cá da trơn xuống đến khoảng 2 centimet, ngay cả khi cả đàn dày đặc như bánh bắp. Hóa ra có khoảng 18.700 con cá trưởng thành đang sinh sản ở khu vực này, nhiều hơn hẳn so với dự đoán trước đó. Sau đó, họ đã kiểm tra lại số liệu này bằng cách thực hiện một số chiến dịch đánh bắt chọn lọc bằng lưới. Phần hay nhất là phương pháp này hoàn toàn không làm ảnh hưởng đến các khu vực sinh sản, điều này rất quan trọng đối với nỗ lực bảo tồn. Hơn nữa, nó cung cấp cho các nhân viên quản lý nghề cá dữ liệu tức thì về số lượng cá thực tế hiện diện, thay vì phải chờ hàng tuần như các cuộc khảo sát truyền thống.

Chiến lược: Tối ưu hóa vị trí đặt đầu dò và tốc độ khung hình để phân biệt đàn cá

Để đạt kết quả tốt nhất, hãy đặt các đầu dò ARIS ở độ sâu khoảng 1,2 đến 1,5 mét dưới bề mặt nước. Độ sâu này giúp cân bằng tốt giữa tầm phát hiện của hệ thống (tối đa khoảng 40 mét) và khả năng thu được hình ảnh chi tiết tới độ phân giải khoảng 2 mm mỗi điểm ảnh. Khi làm việc trong dòng nước mạnh, tăng tốc độ khung hình lên 15 khung hình mỗi giây sẽ tạo ra sự khác biệt lớn. Chúng tôi nhận thấy rằng nếu không làm như vậy, các tín hiệu rõ ràng thường bị mờ do chuyển động khi tính toán chiều dài cá trong dòng nước chảy nhanh. Kinh nghiệm thực tế của chúng tôi cũng cho thấy một điều thú vị: nghiêng thiết bị siêu âm khoảng 30 độ theo hướng dòng chảy sẽ cải thiện đáng kể khả năng phân biệt từng con cá riêng lẻ trong đàn. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong vùng nước đục có hàm lượng trầm tích cao, giúp nâng cao khả năng phân biệt khoảng một phần ba so với các thử nghiệm trước đó.

Giới hạn kỹ thuật và tiến bộ về độ chính xác của sóng siêu âm tần số cao

Sự đánh đổi giữa Bước sóng và Độ phân giải Mục tiêu trong Đo lường Sonar Tần số Cao

Thiết bị phát hiện dưới nước hoạt động ở tần số trên 1 MHz đạt được độ phân giải ở mức milimét nhưng phải đối mặt với mối quan hệ nghịch đảo giữa tần số và phạm vi hiệu quả. Bước sóng ngắn hơn (2,3 mm tại 1,6 MHz) cho phép đo chính xác các gai xương cá, trong khi các hệ thống dưới 500 kHz hy sinh chi tiết để đạt được khả năng xuyên sâu hơn 30%. Hiện nay, các nghề cá sử dụng các hệ thống 1,2–2 MHz ở những nơi có độ sâu dưới 25m, nhằm cân bằng giữa độ phân giải mục tiêu 0,5 cm và duy trì 85% tín hiệu. Những tiến bộ gần đây về thuật toán đã khắc phục được nhiễu do độ đục nước thông qua phân tích chuỗi chênh lệch pha.

Điểm dữ liệu: Tương quan 92% Giữa Việc Lấy Mẫu Bằng Lưới và Số Liệu Sonar 1,6 MHz (NOAA, 2022)

Nghiên cứu so sánh của NOAA tại các cửa sông vịnh Chesapeake đã kiểm chứng độ dài cá do thiết bị sonar xác định với kết quả bắt bằng lưới kéo trên 12 loài. Các hệ thống tần số 1,6 MHz đạt được: - Sai số tuyệt đối trung bình 2,8% đối với cá bass sọc (phạm vi 35–80 cm) - Độ trùng lặp 91,7% trong biểu đồ phân bố kích cỡ. Sự chênh lệch chủ yếu xảy ra ở vùng nước sâu hơn 18 m, nơi bóng âm học làm giảm tính nhất quán của phép đo 14%.

Nghịch lý ngành: Tần số cao hơn – Luôn tốt hơn – Suy hao tín hiệu trong nước sâu

Mặc dù các hệ thống 2,4 MHz có thể phân giải chi tiết 0,3 cm, nhưng phạm vi hiệu dụng giảm 48% mỗi khi độ sâu tăng 10 m do tổn thất lan tỏa cầu. Ở độ sâu 40 m, các hệ thống thay thế tần số 400–700 kHz duy trì độ chính xác nhận diện mục tiêu 72%, trong khi các thiết bị tần số cao chỉ đạt 29%. Các lớp nhiệt độ lạnh dưới đáy nước còn làm suy giảm thêm tín hiệu tần số cao – các thử nghiệm thực địa năm 2023 cho thấy tốc độ suy giảm chùm tia 1,8 MHz tăng gấp ba lần ở các tầng nước dưới 10°C.

Đo kích thước cá dựa trên thực địa và phương pháp truyền thống: So sánh thực tiễn

Ưu điểm về tính di động và tốc độ của các kỹ thuật đo kích cỡ cá tại hiện trường

Các nhà nghiên cứu hiện nay đã có thể tiếp cận một số thiết bị dưới nước khá ấn tượng, cho phép họ đếm cá bằng những thiết bị sonar cầm tay nhỏ gọn có trọng lượng dưới 4kg. Những thiết bị này có thể được thả xuống từ những chiếc thuyền nhỏ hoặc thậm chí từ bờ, đây là một bước cải tiến lớn so với các phương pháp truyền thống trước đây khi các nhóm lớn phải dành cả ngày để kéo lưới qua mặt nước và sau đó mất hàng giờ đồng hồ để phân loại những gì họ bắt được. Các hệ thống khảo sát tại hiện trường mới này cung cấp kết quả tức thì về quy mô toàn bộ đàn cá, thường chỉ trong vòng chưa đầy 10 phút. Các thử nghiệm cho thấy các thiết bị sonar hình ảnh di động này đạt độ chính xác khoảng 89% ngay cả khi tầm nhìn rất kém, hiệu suất tương đương với các thiết bị phòng thí nghiệm đắt tiền nhưng lại không cần chờ đợi hàng ngày trời để có kết quả sau khi gửi mẫu về phòng lab.

So sánh giữa phương pháp sonar và các phương pháp đo cá truyền thống: Lấy mẫu dựa trên bắt giữ so với chụp ảnh không xâm lấn

Khi các nhà khoa học bắt cá để nghiên cứu, họ thực tế đang làm xáo trộn hệ sinh thái và bỏ lỡ một số chi tiết quan trọng về kích cỡ. Các thợ lặn thường bỏ sót những con cá lớn hơn khi đo đếm quần thể ở các rạn san hô, dẫn đến việc ước tính chiều dài thấp hơn khoảng 12% theo các nghiên cứu sử dụng công nghệ sonar lập thể. Các kỹ thuật hình ảnh không xâm lấn mang lại kết quả tốt hơn mà không cần giết hay gây hại đến sinh vật biển. Lấy ví dụ công trình công bố trên tạp chí Fisheries Research, trong đó phát hiện ra rằng số liệu sonar về quần thể cá hồng chính xác hơn khoảng 5% so với việc thợ lặn quan sát và đếm bằng mắt dưới nước. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống vẫn tiếp tục được sử dụng vì chúng cần thiết để thu thập một số loại thông tin sinh học mà sonar hiện chưa thể ghi nhận được, như những vòng tuổi quý giá bên trong xương cá, vốn cho ta biết rất nhiều về lịch sử và mô hình tăng trưởng của chúng.

Chiến lược: Các Chương trình Giám sát Kết hợp Sử dụng Sonar và Trawl Vật lý

Các nhóm quản lý nghề cá ngày càng kết hợp các lần quét sóng âm định kỳ, mỗi ngày bao phủ khoảng từ 2 đến 5 kilômét vuông, với việc đánh bắt lưới kéo chọn lọc thực hiện ở mức cường độ khoảng 10% so với mức thông thường. Sự kết hợp này làm giảm khoảng 40 đến 60 phần trăm thiệt hại đối với môi trường sống dưới biển, đồng thời cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra những gì họ thấy trên màn hình sóng âm với lượng cá thực tế bị bắt trong các tấm lưới. Theo kết quả từ đợt thử nghiệm của NOAA năm ngoái, phương pháp kết hợp này đã dẫn đến việc lượng cá chết bị ném trở lại đại dương giảm khoảng 18% so với các cuộc khảo sát chỉ sử dụng phương pháp lưới kéo truyền thống. Vì vậy, về cơ bản, việc kết hợp các kỹ thuật khác nhau dường như hiệu quả hơn cả trong việc bảo vệ hệ sinh thái lẫn thu thập thông tin chính xác về quần thể cá.