上海海洋大学学报  2022, Vol. 31 Issue (6): 1457-1466    PDF    
基于DIDSON的水库鱼类资源探测与时空分析
沈蔚1,2, 彭战飞1,2, 龚小玲3, 张进1,2, 朱振宏1,2     
1. 上海海洋大学 海洋科学学院, 上海 201306;
2. 上海海洋大学 上海河口海洋测绘工程技术研究中心, 上海 201306;
3. 上海海洋大学 水产与生命学院, 上海 201306
摘要:为获取上海市陈行水库鱼类时空分布特征,分别于2019年4月17日、8月15日和11月13日,采用双频识别声呐(dual-frequency identification sonar,DIDSON)对陈行水库进行鱼类资源探测,利用ECHOVIEW水声数据处理软件构建鱼类目标分析模型,开展鱼类目标的提取与计数,分析并绘制鱼类资源密度的水平和垂直分布图,揭示水库鱼类数量和时空分布特征。结果表明:陈行水库中小型鱼类(体长 < 60 cm)居多,占比达80.90%;春季至秋季库区鱼类体长逐渐增加,密度不断增大,数量和总质量也在增加;水平空间尺度上,库区鱼类个体主要集聚水库南部,夏季分布相对集中,秋季相对分散;垂直空间尺度上,库区鱼类主要分布在水深2~6 m区域,占比达84.85%,春季鱼类分布平均水深为3.89 m,夏季为4.34 m,秋季为5.12 m,库区鱼类垂直分布随季节有向底层移动趋势。所研究的水声探测方法和鱼类目标分析模型为类似的鱼类资源调查分析工作提供了有益参考,探测结果为水库采取合理的鱼类资源管理提供了依据。
关键词鱼类资源    探测    时空分布    目标分析模型    DIDSON    

随着水声学技术和装备的不断发展,声呐用于鱼类研究日益普及,除广泛应用于鱼类数量与资源量的定量评估外,也逐渐应用于其时空分布、行为检测等方面的研究。水声探测技术相比传统资源调查手段,具有快捷、高效、大范围、不损伤调查对象等优点[1-3]。双频识别声呐(dual-frequency identification sonar,DIDSON)作为一款高清晰度的声学摄像机,国外较早应用于鱼类资源研究。MOURSUND等[4]最早探究DIDSON在渔业上的应用,弥补了现有渔业评估声呐和光学系统之间的差距。EVERITT等[5]系统地介绍了DIDSON在密苏里河渔业管理中的作用,MAXWELL等[6]利用DIDSON对洄游性大马哈鱼进行鱼类体长识别和研究。MCCANN等[7]利用DIDSON进行鱼类分类并建立渔业评估的水下观测数据集。近十年,国内开始将DIDSON应用于不同水域的鱼类资源调查与行为观测。童剑锋等[8]初步研究DIDSON图像处理在渔业上的应用。徐兆礼等[9]和陈小华等[10]结合DIDSON与网捕数据研究鱼类多样性的时空变化。张进[11]利用DIDSON对滴水湖中鱼类资源进行定量评估和空间分析。荆丹翔[12]利用DIDSON进行了鱼群目标检测和运行轨迹研究。

陈行水库作为上海市重要饮用水源之一,水库运营方一直采用定期投放、捕捞鱼类等非经典生物操纵技术进行库区水质的维持,故对库区鱼类资源及其空间分布进行监测与评估,是水库运营方必须掌握的重要信息。本文在相关研究的基础上,利用DIDSON声呐对陈行水库鱼类资源开展探测,基于ECHOVIEW(v7.1)软件搭建鱼类目标分析模型,利用ARCGIS(v10.4)软件进行鱼类资源分布可视化,初步分析了陈行水库鱼类资源时空变化特征,为水库资源监测和管理提供有效的信息支持。

1 材料与方法 1.1 研究区域与设备

陈行水库位于上海市宝山区罗泾镇的东部长江江堤外侧(图 1,图中A点为坐标参考点), 水库大致呈矩形,面积约113万m2,最大水深11 m, 库容量约950万m3, 是上海市第一座长江水源水库, 也是具有“消咸蓄淡、净污蓄清”功能的城市供水水库。

图 1 陈行水库位置及声呐探测线路 Fig. 1 Location of Chenhang Reservoir and sonar detection line

美国Sound-Metrics公司制造的DIDSON成像声呐,又称水下声学摄像机,其声镜头通过声波聚焦形成非常狭窄的波束,以生成接近光学画质的声学图像。该设备具有足够高的图像分辨率和帧速,可用于低能见度的水中探测。DIDSON主要参数如表 1所示。

表 1 DIDSON主要参数 Tab.1 Main parameters of DIDSON
1.2 数据采集

按照设计的平行测线,利用DIDSON开展走航式探测,实际测线如图 1所示。DIDSON的换能器固定于探测船右前舷,入水深约0.5 m,镜头向下与水面成60°夹角,GPS提供实时坐标和导航。现场测量DIDSON会根据水深自动切换频率,量程大于10 m则切换到低频模式。为保证调查的精度,引入AGLEN[13]提出的水声学调查覆盖率的概念。

    (1)

式中:d为水声学调查覆盖率;S为水域面积,m2l为调查航线总长度,m。一般d>6则满足水声学调查覆盖率指数要求,3次调查覆盖率指数如表 2所示。

表 2 水声学调查覆盖率 Tab.2 Hydroacoustic survey coverage
1.3 鱼类目标分析模型

利用澳大利亚ECHOVIEW水声数据处理软件,构建鱼类目标分析模型,开展鱼类目标的提取与计数,模型的流程如图 2所示,依据模型处理效果对其关键技术参数设置如表 3所示。模型关键步骤包括:图像增强模块,将声图中由于杂质及底部的反射形成的噪点,运用KOVESI[14]研究的小波去噪滤波算法进行过滤;目标识别模块,该部分工作参考文献[15]进行;目标检测模块,通过阈值的设定实现对较小鱼类和较大鱼类的筛选,并将多波束声学数据转换为单个的鱼类目标数据,开展鱼类运动轨迹追踪,避免重复计数,同时跟踪每个目标的深度,回波强度等信息。

图 2 鱼类目标分析模型 Fig. 2 Fish target analysis model
表 3 关键技术参数设置 Tab.3 Essential technical parameter settings
1.4 鱼类数据分析 1.4.1 体长分析

提取同一运动轨迹上的每一帧声呐图像中鱼类体长,依据鱼类水平方向运动时,图像中体长最大最接近真实值,将提取的最大体长作为该目标的体长。DIDSON声呐识别精度随着窗口长度的变化,采集窗口长度为10 m左右,其分辨率约为0.05 m,故将体长在0.05 m以下的目标视为噪声全部剔除。在水库实际捕捞数据中,未发现体长超过1.30 m的鱼类,故本次研究将鱼类体长区间设定为0.05~1.30 m,为便于统计对比,首个区间规定为0.05~0.10 m,其余以0.10 m为组距划分13个区间。

1.4.2 密度分析

利用面密度法计算航线区域鱼类密度,并用此密度估计水库整体鱼类密度。密度计算公式:

    (2)
    (3)
    (4)

式中:ρii次航线区域鱼类的密度,ind./m2Ni为该航线鱼类数量,ind.,并由DIDSON图像数据提取而得;Si航线水域面积,m2Lii次航线路线长度,m;D为平均探测宽度,m;hi为每条航线换能器镜头到湖底的平均距离,m;α为仪器的开角,且其值为14°。

为分析鱼类资源空间分布规律,引入分区密度概念,即每个有效探测点的鱼的密度和体质量密度。点密度、体质量密度计算公式如下。

    (5)
    (6)
    (7)

式中:K1为该点密度值,ind./m2n该点鱼的数量,ind.;L为前后两点间距,m;G表示该点鱼的体质量,g;Xn为该点第n条鱼的体长,cm;K2为该点体质量密度,g/m2

1.4.3 空间模型分析

为获得水库鱼类的整体分布情况,利用ARCGIS软件的反距离权重插值法生成库区鱼类资源密度图。反距离权重插值(inverse distance weighted,IDW)是以插值点与样本点间距离为权重进行加权平均, 离插值点越近的样本点赋予的权重越大[16]。其表示公式为

    (8)

式中:Z是估计值;Zi是第i(i=1, …, n)个样本点实测值;D是插值点与样本点间的距离;P是距离的幂, 它显著影响内插的结果权重是与预测点到局部邻域内实测点的距离有关的,随着预测点和实测点之间距离的增加,权重呈指数降低。

1.4.4 统计误差分析

ECHOVIEW模型自动计数结果与基于声图的人工目视计数结果进行对比,分析统计误差,验证统计精度。

1.5 渔获物采集方法

2019年期间按照DIDSON成像声呐鱼类探测日期进行水库渔获物数据采集。在全库随机布设沉网和浮网。沉网网目孔径有3种规格:长100 m, 宽4 m,网眼对角线5 cm;长50 m, 宽2 m,网眼对角线10 cm; 长100 m,宽4 m,网眼对角线10 cm。浮网规格:长度100 m,宽度4 m,网眼对角线5 cm。沉网和浮网在水库布设24 h,所有渔获物带回实验室进行分析。

2 结果 2.1 渔获物统计

声学调查期间,采用定置网具方法收集鱼类网捕数据,其中库区团头鲂(Megalobrama amblycephala)为优势物种,数量占比41.46%,鲢体质量占比最高为57.00%,库区渔获物统计如表 4

表 4 渔获物统计表 Tab.4 Catch statisticst
2.2 鱼类体长分布

体长区间分布一定程度上反映了鱼类的生长特征和资源量变化特征,由鱼类体长分布图(图 3所示)可知,3个季节,中小型鱼类(体长 < 60 cm)都占据主要成分,占比达到了80.90%,但春季到秋季水库鱼类比重逐渐向大体长(体长≥60 cm)区间移动,小型鱼类比重有所下降。

图 3 鱼类体长分布比例 Fig. 3 Fish body length distribution ratio
2.3 鱼类密度变化

春季至秋季期间,水库鱼类密度不断增大(表 5),秋季密度最高0.074 5 ind./m2

表 5 航线数据统计表 Tab.5 Route data statistics table
2.4 统计误差

目视计数是人工通过声学图像目视识别鱼类并计数。表 6是人工目视计数与ECHOVIEW模型自动计数的误差,3次探测调查均小于10%,平均误差为6.96%,可见基于模型自动计数的可信度较高。

表 6 统计误差表 Tab.6 Statistical error table
2.5 鱼类资源时空分布

在水平空间尺度上,陈行水库鱼类资源点密度和体质量密度的空间分布差异明显(图 4, 图 5)。水库鱼类资源调查结果(图 4)显示,春、夏和秋季,水库鱼类资源点密度最高值均分布在水库南部水域,其中秋季鱼类点密度最高为1.76 ind./m2。由图 4图 5可以看出,水库鱼类资源空间集聚存在季节性小尺度的偏移,春季至秋季鱼类资源不断向库区南岸集聚。库区鱼类体质量分布,基本呈现相同的分布。

图 4 不同季节鱼类水平密度图 Fig. 4 Fish horizontal density map in different seasons
图 5 不同季节鱼类体质量密度图 Fig. 5 Fish body mass density map in different seasons

从个体分布离散程度分析,夏季点密度标准差为0.027,鱼类分布相对集中,秋季点密度标准差为0.047,鱼类分布相对分散。

在垂直尺度上,以水库A点(见图 1)为坐标原点,以正东方向为Y(距离)轴,以垂直水面向下为Z轴(水深)建立坐标系统,将探测到鱼的位置展绘如图 6所示。在垂直尺度上,库区鱼类分布有明显的分层现象,主要分布在水下2~6 m,占比高达84.85%。春季鱼类分布平均水深为3.89 m,夏季为4.34 m,秋季为5.12 m,库区鱼类垂直分布有向底层移动趋势。

图 6 不同季节鱼类垂直分布 Fig. 6 Vertical distribution of fish in different seasons
3 讨论 3.1 鱼类体长测量

本文通过ECHOVIEW构建鱼类目标分析模型提取鱼类体长,结合历次网捕数据对比分析, 数据显示,中小型鱼类(体长 < 60 cm)均占据主要成分。网捕数据中团头鲂、鲫鱼、似刺鳊、鳊鱼、刀鲚、花鲈等中小型鱼类占据62.20%,而大型鱼种鲢占据22.25%,与声学探测结果呈现相同趋势。鱼类目标体长作为资源量评估的重要参数,DIDSON图像中的鱼类目标体长与实际体长存在误差,本文并未对软件提取目标体长的准确度进行验证,后续将进一步研究体长误差的范围,以提高评估精度。

3.2 鱼类资源数量的季节变化

春季至秋季,由水库鱼类尾数密度变化,推断鱼类资源数量变化为季节性增加。鱼类资源点密度和体质量密度均以秋季最高, 而春季最低。鱼类资源数量的季节性增加主要与鱼类繁殖期和水库封闭性特质密切相关。春季和夏季是陈行水库主要鱼类的繁殖盛期,随着春季气温的上升,团头鲂、鲫鱼、鲢、鳊鱼等季节性产卵鱼类开始产卵繁殖[17-20],至夏季,产卵量和幼鱼均达到高峰期。此外,陈行水库是封闭性的,鱼类资源逃逸概率小,导致鱼类资源量不断增加,秋季达到最高值。

环境因子对鱼类资源数量的季节变化也有一定的影响[21], 尤其是库区表层温度和盐度。陈行水库有咸潮期[22],即每年10月—翌年4月,秋季库区水域营养盐丰富, 利于鱼类的生长,而春季,随着表层温度的升高,同时咸潮为鱼类提供养料,便于繁殖。环境因子主要通过改变鱼类的生长条件, 进而影响鱼类资源的数量。

3.3 鱼类时空分布的影响因子

生物的随机分布在自然界是不寻常的, 多数物种在陆地和海洋生态系统显示出聚集分布[23]。鱼类群落在地理空间上的分布主要由环境因子在地理空间上的异质性造成,是生境(人类干扰、地理气候、水文因子等)异质性的综合反映。主要环境因子包括水深、浮游生物、水体运动、温度、总电导率、固体溶解度、盐度等[24-26], 并呈现出鱼类空间分布季节性变化规律。

在水平分布上,水库中南部深水区和进出水口附近,鱼类点密度和体质量密度最大,点密度达1.76 ind./m2,体质量密度达3 397 g/m2,鱼类分布相对集聚,这与水深和饵料生物特征有着密切联系。杜浩等[27]对长江中游江口的鱼类研究也表明鱼类在深水区分布密度较大。其原因是深水域鱼类活动空间比较大,便于躲避捕食者,据水库环境调查记录,库区鸟类会进行捕鱼觅食。进出水口(图 1)进行物质交换,营养物质充足,鱼类呈明显现集聚现象,特别是在秋季,随着鱼类数量的增加,加剧鱼类对食物的竞争,进出水口营养物质的诱惑性增大,进出水口鱼类集聚更加明显。

在垂直空间上,库区鱼类分布在水下2~6 m,占比高达84.85%,而底层分布较少,陶江平等[28]研究也表明鱼类资源量和水深之间存在显著的负相关的关系。同时鱼类垂直分布随季节有向底层移动趋势。团头鲂为库区优势物种,占比41.16%,春、夏季主要栖息于底质为淤泥、生长有沉水植物的敞水区的中、下层中,而秋、冬季喜在底层处[29]。同时王珂等[30]和任玉芹等[31]研究结果表明,冬季鱼类密度从表层到底层有逐渐增加的趋势。春季至秋季随着库区水温的变化,库区鱼类具有底层越冬的规律,但是,由于3次调查的瞬时性结果,需大量周期性的重复探测,增加统计样本数量,减小偶然误差。

人类活动因素主要包括捕鱼和投放鱼苗,2019年4月至11月期间,陈行水库实行全面禁渔,没有进行投放鱼苗活动,其他人类活动对鱼类空间分布影响较小,在调查期间水库可视为自然环境,暂不考虑。

3.4 声学评估精度分析

当前DIDSON广泛应用于渔业资源定量评估、体长研究和种类鉴别等方面,较少用于鱼类时空分布特征的研究。陈行水库鱼类品种少、水库风浪小以及空间封闭无捕捞行为,故不考虑鱼的种类差异和外部环境干扰, 探测结果具有较高准确性。相对于其他调查方法,如刺网采样、电捕等,本文方法则更加环保[32]和准确。

水声探测作为渔业资源评估与鱼类行为研究的一种有效方法,其评估结果受诸多因素的影响。DIDSON声学评估受声学近场效应及探测盲区的影响,探测范围为换能器0.5 m处至水底部分,导致评估值偏小,尤其在浅水区域。此外,声呐从水面向下探测中,鱼个体存在上下叠加,算法对鱼的识别和统计会出现误差,进而降低评估精度。分裂波束鱼探仪EY60(120 kHz)声学探测多因目标鱼类经验公式的不同[33]使得估算的鱼类资源量会有一定误差。围网和定置网具等传统渔业资源探测中,调查时间的选择、调查断面的规划和网具规格都会影响渔业资源调查的结果[34]。目前,鱼类资源调查多采用传统网捕和声学探测相结合的手段,达到较高精度的鱼类资源评估。

邢彬彬[35]研究表明淡水鱼类对于声音刺激反应敏感,而探测船舶的噪音和行驶形成的波浪声会对鱼类产生驱赶效应,进而影响水库鱼类资源评估精度,当前亟需开展船舶驱赶系数的计算方法研究。此外调查方法对鱼类密度也有影响[36],3次鱼类资源调查航线在位置和长度上的不同也会影响鱼类声学评估的精度。

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Detection of fish resources in reservoir and spatial and temporal analysis based on DIDSON
SHEN Wei1,2, PENG Zhanfei1,2, GONG Xiaoling3, ZHANG Jin1,2, ZHU Zhenhong1,2     
1. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
2. Shanghai Estuary Marine Surveying and Mapping Engineering Technology Research Center, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;
3. College of Fisheries and Life Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
Abstract: In order to obtain the characteristics of the temporal and spatial distribution of fish in Chenhang Reservoir, Shanghai, dual-frequency identification sonar(DIDSON)was used in fish resource on April 17th, August 15th, and November 13th, 2019. Fish target analysis model for carry out the extraction and counting of fish targets was established by ECHOVIEW underwater acoustic data processing software. To draw the horizontal and vertical distribution maps of fish resources density and further analyze the spatial and temporal distribution of fish quantity in reservoirs.The result showed: The proportion of small and medium-sized fish (length < 60 cm) in Chenhang Reservoir was 80.9%; The body length, density, number and total weight of fish in the reservoir increased from spring to autumn; on the horizontal spatial scale, fish mainly gathered in the southern part of the reservoir, with relatively concentrated distribution in summer and relatively scattered in autumn; on the vertical spatial scale, fish in the reservoir area were mainly distributed in water depth between 2-6 m, proportion is 84.85%. The average depth of fish distribution was 3.89 m in spring, 4.34 m in summer, and 5.12 m in autumn, the vertical distribution of fish in the reservoir area tended to move to the bottom with the seasons. The underwater acoustic detection method and fish target analysis model studied provide useful reference for similar fish resource investigation and analysis, and the detection results provide useful assistance for fish stock management.
Key words: fish resource     detection     spatial and temporal distribution     target analysis model     DIDSON