沈蔚等：用於漁業資源調查評估的兩種聲學手段的比較

最新 07-12

目前，水聲學的方法已經大量運用於漁業資源調查與評估之中，主要儀器有數字回聲探測儀與雙頻識別聲吶。與其它的漁業資源調查方法相比，漁業水聲學方法具有探測範圍廣、調查效率高、對調查區域的生態環境無損害、數據連續、魚群位置定位精準、魚類密度和資源量評估精度高等優點。我國的漁業水聲學是從20世紀80年代開始發展推廣。1985年，SIMRAD EK500回聲探測儀被應用於「北斗」號調查船。王崇瑞等於2011年5月使用BioSonics DT－X(210kHz)型回聲探測儀對青海湖的裸鯉資源量及其空間分布進行了探測評估，獲得了青海湖裸鯉在青海湖全湖區的平均密度、總尾數和可捕撈資源量以及水平密度分布。孫明波等利用BioSonics DT－X(208kHz)型回聲探測儀對太湖東部和北部湖區進行了走航式的調查，並結合地理信息系統對相關湖區的魚類空間分布、大小組成和資源量進行了評估。DIDSON也應用於魚群跟蹤和計數，童劍鋒等利用DIDSON高效地對溯河洄遊幼香魚進行計數，並計算出向上游移動香魚的數量。張進於2011年運用DIDSON定量評估了滴水湖的漁業資源分布。

眾多研究結果表明，利用聲學手段評估漁業資源是有效可靠的，但雙頻識別聲吶與數字回聲探測儀對漁業資源的評估也存在一定區別。同時使用雙頻識別聲吶與數字回聲探測儀對青草沙水庫的漁業資源進行評估和比較，分析兩種儀器進行漁業資源評估時的不同特點及優劣，確定兩種儀器各自的適用情形，將來在不同的情境下更有針對性地從兩種儀器中選擇其一，可以降低成本和提高漁業資源評估的精度。

一、數字回聲探測儀與雙頻識別聲吶

⒈數字回聲探測儀(BioSonics DT-X)

回聲探測儀檢測水中目標時，通過目標物體的物理特性和水介質來實現。對於目標物體，回聲探測儀換能器發射的聲波在水中傳播，當遇到目標物體時，由於物體的聲阻抗率與水不同，該物體會對入射聲波產生散射及反射作用，部分聲波反射至換能器，被換能器接收，被稱為回聲信號(Echo Signal)。根據聲波從發射到接收的時間差，可以用來測量目標到換能器之間的距離，除此之外，利用回波信號的強度等物理特徵，可以估計目標的數量和分布情況等。

常用的回聲探測儀系統皆為探魚儀、積分儀和目標強度測定儀於一體的集成式回聲－積分系統，典型的分裂波束探魚儀為美國的BioSonics系列的BioSonics DT-X。其換能器內置四個發射陣列，若在換能器的探測範圍內有目標物，則四個發射陣列均能接收到目標物反射回來的聲波，即可得目標物的位置、大小等信息。同時該系統自帶的軟體提供內置的單一目標分析演算法來估算魚類密度(Fish Density)和目標強度(target strength)。

它還提供回聲積分(Echo integration)和底面追蹤(Bottom tracking)的演算法。內置的目標強度演算法可使用單一目標分析的結果來量化回聲積分，也可以使用其它的手動輸入的數據來進行這一量化。BioSonics DT-X的主要技術參數如表1所示。

表1 BioSonics DT-X主要參數

⒉雙頻識別聲吶(DIDSON)

雙頻識別聲吶DIDSON (Dual-frequency IdentificationSonar)是由美國華盛頓大學應用物理實驗室研發，由Sound Metrics公司製造，目的是為美國「空間與海上戰爭系統中心」提供技術支持。DIDSON主要有體積小、重量輕、方便攜帶及安裝和成像清晰等優點。DIDSON是目前唯一應用聲學透鏡模塊的聲吶，其主體由電子艙及聲透鏡組成，主要通過聲透鏡的聲波聚焦原理形成的狹窄波束，即利用聲透鏡對聲波波束進行壓縮，可以在沒有光源且能見度較低的水中生成高清的聲學圖像。

雙頻識別聲吶分為標準型(DIDSON-S)和遠距型(DIDSON-LR)兩個型號，本次調查所使用的儀器為標準型雙頻識別聲吶。DIDSON有低頻1.1MHz和高頻1.8MHz兩種工作頻率，其工作視角在水平方向上為29°，在垂直方向上為14°，同時能夠對1～40m範圍內的觀測目標進行自動調焦，保證觀測範圍內目標圖像的清晰度。當DIDSON工作在1.8MHz高頻的時候，水平方向共發射96條波束，探測範圍為1～10m，可提供的圖像解析度較高，為0.3°；其工作在1.1MHz低頻的時候水平方向共發射48條波束，探測範圍約為1～40m，其圖像解析度約為0.6°。DIDSON的主要技術參數如表2所示。

表2DIDSON主要參數

二、漁業資源聲學調查背景及方法

⒈研究區概況

青草沙水庫位於長江口處南北港分流口的下游，西北方沖積沙洲青草沙上，分為若干水域，主要由長興島頭部和北部外側的中央沙、青草沙及北小泓、東北小泓等水域組成。該水庫總面積約67.2km2，平均水深約為8m，最深可達18m。整個水庫大致可分為3個區域:中部區域是全庫的過渡性區域，水深處在全庫中等水平，水流平緩，透明度也處在西部納水的淺水區和東部取水的深水區之間；西部是納水區，水深較淺、且水流急，水質渾濁;東部區域水深、澄清、透明度高。青草沙水庫的地理位置如圖1所示。

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1青草沙水庫地理位置示意圖

青草沙水庫在水庫建成前後，對生物結構關注在逐步加強。胡忠軍等在2010年青草沙水庫正式供水以前，對該水域進行魚類群落結構特徵分析。研究表明當時青草沙水庫的魚類相比長江口水域淡水魚類的佔比更高。在臨近的長江口附近數個水域的調查顯示，水庫以外的長江口水域中，魚類的優勢種以近海魚類的鱸形目最多，而在同時期進行的青草沙水庫中只採集到了一種河口性的鱸形目魚類。推測可能是因為水庫的建成隔離了水庫水域與長江口流域的水體交換，導致了青草沙水庫中的河口性魚類和近海魚類逐漸減少，同時青草沙水庫的淡水性魚類越來越多。通過這幾年的研究發現青草沙水庫魚類以淡水鯉科魚類為主，雖然水庫中有河口性魚類，但種類和數目均很少。原因主要是青草沙水庫處於長江口相對低鹽度區，且其取水口設置在北港上游，在咸潮來臨之前會關閉進水口，使水庫保持較低的鹽度，導致半鹹水魚類和近海魚類的減少，除此之外水庫內禁漁政策又給淡水魚類生長提供了良好的棲息和保護場所。

⒉聲學調查方法

聲學調查採用雙頻識別聲吶DIDSON和BioSonics DT-X分裂波束探魚儀同時進行。本次調查採用「之」字型調查航線，累計有效探測時間為7.52h，調查航線總長為60.14km，航行速度約為3～4節(如圖2)，探測效果較為理想。漁獲物主要利用3層絲網和地籠網獲取。

根據漁獲物及水庫捕撈隊捕撈取樣可獲得青草沙水庫中魚類的體長、體重等相關信息，由此可求得水庫魚類平均體長與體重關係。採用冪函數回歸的方法，即W＝aLb，得到體重與體長的關係，由此得出水庫中魚類的平均體長與體重的關係式為:

W＝0.00003L2.7381，R2＝0.9428

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2調查航線示意圖

數據採集過程中，兩種儀器的換能器都固定於探測船右側前舷離發動機約8m處，避免發動機噪音對儀器的影響，入水深約0.5m，換能器垂直向下發射聲波(如圖3)。在探測過程中，根據水深的變化情況，手動調節DIDSON的頻率。當水深小於10m時，使用1.8MHz的頻率進行探測，以獲得更高的解析度；當水深大於10m時，則將DIDSON的頻率切換到1.1MHz，以探測更長的距離。

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3儀器安裝示意圖

在Echoview軟體處理上，DIDSON是多波束系統，其映象中檢測目標的與單波束系統不同，在Echoview中首先使用Multibeam target detection進行多波束目標檢測，經篩選符合體長的目標後，使用Target conversion將多波束檢測的目標轉換為單目標數據的Echogram，進而可跟蹤每個目標的深度，回波強度等信息，利用分裂波束的單目標跟蹤檢測方法導出所需要的信息。

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4DIDSON探測效果圖

本次調查對BioSonics DT-X數據以300 Pings為一個採樣單元，共獲得452個採樣單元。採用Echoview 6中的回聲積分法計算每個採樣單元魚類密度，以此研究青草沙魚群在湖中的分布狀況。再根據各個採樣單元密度求整個水庫的平均密度，結合青草沙水庫的水域面積估算青草沙魚類數量。調查水域上海市青草沙水庫的總面積約為67.2km2，除去水庫中心島嶼面積，其水域面積約為40km2。

青草沙水庫魚類的平均密度為0.27ind./m2；根據Love的魚類體長與目標強度的經驗公式以及漁獲物的體長與體重的關係估算青草沙水庫魚類的平均體重約為0.56kg。依據以上數據計算BioSonics DT-X測得的魚類數量約為1079萬尾，總的資源量約為604.24萬kg。

對於DIDSON數據，本次青草沙水庫漁業資源總量可通過平均密度法來估算。分為兩步進行，首先根據探測得到的統計結果來估算水庫內魚類總的數量。其次，根據捕撈隊捕獲的魚類樣本來獲得水庫內魚類平均體長與體重的關係式，從而求得水庫內魚類平均體重。水庫內魚類總的數量乘以魚類的平均體重即可得水庫內魚總的資源量。根據DIDSON統計結果來看，本次航線內魚類的平均密度約為0.23ind./m2，水庫魚類總數約為936萬，總的資源量為約為705萬kg。

三、兩種聲學手段的對比分析

⒈體長分布頻率對比

根據Echoview對BioSonics DT-X數據進行單體檢測的結果，青草沙水庫魚類的平均TS值為－49.36dB，TS值集中分布於－60～－45dB。根據青草沙水庫的歷史數據以及現場捕捉到的魚類，青草沙水庫的魚類全為有鰾魚類，且通過Love公式計算得到的最大體長與捕撈得到的魚類的最大體長值大致相同，故本次研究採用Love提出的有鰾魚類目標強度與體長的經驗公式。通過經驗公式換算後發現青草沙水庫魚類體長主要分布在～30cm之間，其中體長～10cm的魚類數量最多，體長50cm以上的魚類佔比較小。

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5DIDSON和BioSonics DT-X魚類體長頻率分布對比圖

根據Echoview通過DIDSON圖像提取出的魚類信息分析可知青草沙水庫魚類體長主要為～30cm，其中體長為10～20cm的魚類最多(如圖5)。兩種儀器的測得魚類體長結果的相關係數約為77%。儘管DIDSON和BioSonics DT-X的探測結果都顯示青草沙水庫的魚類體長大小都集中分布於～30cm之間，但～10cm和10～20cm這兩個區間內，兩種儀器的差別較大。原因在於體長較小的魚在DIDSON中難以識別，造成DIDSON測得的魚類體長分布在～10cm的區間內較低。在測量體長較小且密集分布的魚類時，單頻回聲探測儀較DIDSON更具有優勢。

⒉水平密度分布對比

對DIDSON數據中提取的魚類位置分布，先將水庫在ArcGIS中網格化，計算航線經過的網格中的魚群的平均密度，最後利用反距離加權插值法(IDW)預測庫區的魚群密度分布(如圖6)。對BioSonics DT-X各個採樣單元的密度使用反距離加權插值法(IDW)得到整個庫區的魚群密度分布(如圖7)。

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6DIDSON航線上魚群密度水平分布圖

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7 BioSonics DT-X魚群密度水平分布圖

通過對比分析可以發現，青草沙水庫的東部和中部區域魚群密度較高而西北部區域魚群密度較低，兩種儀器評估出的魚群水平密度分布基本吻合。從青草沙水庫本身的環境看，東部為取水區，水深；中部為過渡區，水位中等，這兩個區域更適合魚類棲息；而西部為納水區，水淺、渾濁，魚群密度較低。兩種儀器的評估結果與實際情況相吻合。

但在西北部的少數地區，通過BioSonics DT-X計算的魚群密度較DIDSON計算得到的魚群密度更大。推測可能是由於西北部地區水淺且流速快，船在航行過程中可能會產生大量氣泡，BioSonicsDT-X在探測過程中受氣泡影響較大，使得計算結果比實際情況偏高。這也說明在淺水地帶，DIDSON所受干擾較回聲探測儀更小。

⒊垂直密度分布對比

本次調查中探測到的青草沙水庫最大水深為18.06m，平均水深為8.87m。為了方便地表示出魚群在青草沙水庫中的垂直分布，人為地把每5m作為一個水層單元，整個水庫共分為3層，分別為:水庫上層(＜5m)，水庫中層(5～10m)和水庫底層(＞10m)。

對DIDSON和BioSonics DT-X的數據進行分析後，發現兩種儀器都顯示水庫中層的魚群密度較大，而水庫底層的魚群密度較小(如圖8)。但DIDSON在各層的密度值上較數字回聲探測儀小。原因可能為在處理DIDSON數據時體長較小的魚易被忽略，導致DIDSON評估的魚群密度較BioSonicsDT-X偏低。