海洋渔业资源声学评估技术及在南极磷虾资源声学评估中的应用
2018-01-18朱国平
杨 洋， 朱国平, 2, 3
(1. 上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306； 2. 国家远洋渔业工程技术研究中心，上海 201306； 3.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验室，极地海洋生态系统研究室，上海 201306)
1 前言
水声学方法最初被用于战争中水下潜艇的探测，经过长达百年的发展，已广泛应用于水下导航、探鱼、测深及海底地形测绘等方面。目前，水声学技术已是开发海洋和研究海洋必不可少的手段。作为水声学在渔业资源研究领域的应用分支，渔业声学利用水声学方法进行水下生物探测或渔业资源评估和管理[1-2]，现已发展成为渔业资源研究领域重要的方法之一。南极磷虾作为人类蛋白质资源的巨大宝库，其资源评估意义重大。南极磷虾声学资源调查具有较长的发展历史，并已建立了一套较为完善的评估方法体系，但实际研究中仍存在一些亟待解决的问题。本文讨论了声学资源评估方法及在南极磷虾研究中的一些热点问题，着重对南极磷虾声学研究中数据采集、目标强度研究、后处理方法等方面进行了总结和归纳，旨在为南极磷虾的资源管理和科学研究提供参考。
2 渔业声学在海洋生物资源评估中的应用
海洋生物资源评估是利用科学的方法研究海洋生物资源种群变动和数量变化，从而为渔业资源管理提供相应的科学依据。评估海洋生物资源量的方法有很多，从渔业资源评估角度来讲，一般将这些方法分为两类，即传统资源评估方法和声学资源评估方法。
2.1 传统资源评估方法
传统渔业资源评估方法大体上分为两类。一类是用调查资料进行概算，另一类是用渔业统计资料进行概算。调查资料方法包括鱼卵仔鱼法、拖网扫海面积法、标志重捕法、营养动态法等；渔业统计资料法包括年龄结构的实际种群分析(TVPA)、基于渔获物年龄结构的股分析(TCA)、基于渔获物体长结构的股分析(LCA)等。利用传统资源评估方法进行渔业资源评估时，不仅要有完整的渔业统计资料或海上调查资料，还需要满足一定的条件。一般来说，渔业生产中实际条件往往相距甚远，在此情况下，估算资源量的准确性可能较差。另外，传统资源评估方法限制因子较多，如鱼卵仔鱼调查法只适用于产漂流性卵鱼类的资源量估算；拖网扫海面积法主要适用于底层和近底层渔业资源，对中上层鱼类的资源评估误差较大；标志重捕法要求标志鱼和未标志鱼具有相同的死亡率；体长频率分析法多应用于热带鱼类和无脊椎动物的资源评估中。渔业统计资料方法中所用的数据测量和收集较为困难，且数量巨大，计算比较费力。
2.2 声学资源评估方法
声学资源评估指利用水声学方法对水生生物资源量、种群变动进行评估和评价，对集群性较强、资源结构较为简单的中上层鱼类开展资源评估具有较高的准确性。开展生物资源评估研究需具有浓厚的物理学背景和严格的物理学基础[3]。声学方法评估资源量的步骤通常包括调查设计、声学仪器校正、数据采集、目标强度确定、数据处理及生物量估算等。
2.2.1 航线设计
开展声学资源调查时，设计走航路线需要尽量以垂直于目标生物密度梯度线为原则，尽量保证航线的平行，以便于分区计算。从生态学考虑，大部分海洋生物的分布与地形和水深有着密切的关系，因此航线方向应以垂直于岸线为主[4]。考虑到一些复杂地形以及定点拖网取样的因素，航线可适当进行调整。
2.2.2 声学仪器校正
早期声学调查阶段，仪器校正精度是资源丰度评估误差的主要来源。1981年，FOOTE等[5]发现，60 mm直径的标准铜球对38 kHz始终保持稳定的目标强度。利用铜球校准方法精度高达0.1分贝，完全满足渔业调查评估的要求[1, 5]。校正的主要参数包括系统收发增益以及等效波束角等。声速的数据可以通过温盐深仪(CTD)测得的温度和盐度计算得出。校正时要选定海流较为稳定的地点，尽量避开鱼群的干扰，标准球位置要位于换能器近场区之外。
2.2.3 数据采集
数据采集包括声学数据和生物学数据的采集。声学数据采集时，利用声学探测系统对换能器以下的水体进行连续的探测并记录；生物学取样根据预设的拖网站位进行拖网，并对渔获物进行分类和生物学信息的记录。声学映像较好时，可以适当增加拖网的数量。
2.2.4 目标强度确定
鱼类的目标强度(Target Strength, TS)为将声学回波积分值转化成资源密度和绝对资源量的关键参数[3]，因此不同种类海洋生物的目标强度研究一直是声学资源评估中的热点。目标强度的定义为在距离目标的声学中心1 m处，由目标反射回来的声强与同一方向上入射声强之比[6]。目标强度跟鱼类的声学散射截面密切相关。实际情况中，鱼类的声学散射截面并非恒值，而是随鱼的种类(有无鱼鳔及形态差异)、体长和姿势(鱼体纵轴与换能器声轴之间的夹角)而变，一般采用对数形式的目标强度值代替反向散射截面的值，
TS=10log10(σ/4π)=10log10(σbs)
式中，σ和σbs分别为鱼类的声学散射截面和反向声学散射截面，单位为m2[7]。
目标强度的测定方法主要分为实验测定法和模型研究法。实验测定法可分为自然条件测定和网箱控制测定；模型法主要包括DCM(Deformed Cylinder Model)、KRM(The Kirchoff Ray-mode Approximation)、DWBA(Distorted Wave Born Approximation)等。由于理论模型研究不受实验测定条件的限制，具有灵活、方便的特点，是对目标强度测定方法的有效补充，因此也得到越来越广泛的应用[8]。
2.2.5 数据处理
数据处理包括声学映像分析和积分值分配。回波数据中不但包含了目标群的信号，也可能包含来自船体和海底海表的背景噪声和混响信号。声学映像分析利用后处理方法尽可能剔除回波数据中非目标生物的信号；积分值分配则将回波信号的积分值分配到各个生物种，然后将单元格内目标生物的回波信号输出用于目标群密度的计算。传统的积分值分配主要依赖于拖网验证和经验判定生物种比例，具有较大的不确定性。近些年来，由于后处理方法的逐步完善，可通过技术手段直接分析回波信号以判定生物群的种类和比例，减少了对拖网验证的依赖，并提高了积分值分配的准确性。
2.2.6 生物量估算
群生物量的估算，首先需要根据生物种类的特性选择积分数据处理方法。一般分为回波计数法和回声积分法。回波计数法为在一定范围内对声学波束扫描区域内回波个数进行检测和计数，根据波束扩展采样角度计算扫描水域的体积，获得该范围内生物群的平均密度，回波计数法对生态系统中占绝对优势的单一种类，且分布较为离散的鱼种调查较为准确；回声积分法基于体积混响测量原理，将波束扫描区域内的单体生物和生物群回波均视为体积散射，通过积分和平均一定测量区间的体积散射强度(Backscattering Volume Strength, Sv)，然后利用它与生物目标强度、生物群的密度成正相关，即平均Sv可被视为单体鱼声学散射截面的非相干叠加[9]，区域的生物资源密度可表示为：
ρ =
式中，
3 渔业声学在南极磷虾资源研究中的应用
南极磷虾广泛分布于南大洋水域，资源储量丰富，是全球海洋中最大的单种可捕生物资源。同时，南极磷虾也是须鲸、企鹅及鱼类和海鸟的主要食物，是南大洋生态系统中的关键物种[10-11]。由于南极磷虾在南大洋生态系统中的重要地位，南极磷虾的资源量分布及其变动对南大洋生态系统会产生多个水平的影响，准确掌握南极磷虾资源量及变化将有利于南大洋海洋生态系统的监视。同时，南极磷虾资源调查研究也是南极磷虾反馈式渔业管理(Feedback Management，FBM)机制的重要组成部分[12]。
3.1 南极磷虾特征
3.1.1 分布特征
南极磷虾具有明显的环南极分布特征，主要分布于50°S以南海域，但其分布并不均匀，呈显著的斑块状分布[13]，50%以上的南极磷虾分布在南大西洋南极绕极流海域[14]，而南印度洋区丰度较低。南极磷虾资源丰度与海冰的面积有一定的相关性，冬季海冰可以为南极磷虾提供觅食、栖息、躲避敌害的场所，海冰的减少会对南极磷虾种群的生存和发展产生较大的影响[15-16]。南极磷虾在一定条件下和其它物种存在空间重叠。NICOL[17]在南极极锋以南、南极半岛海域观察到南极磷虾与纽鳃樽(Salpathompsoni)的空间分布存在重叠，这为基于声学手段评估南极磷虾资源带来了较大的困难。此外，据笔者登临我国南极磷虾渔船时观察，布兰斯菲尔德海峡内南极磷虾与纽鳃樽存在大量的空间重叠，且仅通过渔探仪图像无法区分。
3.1.2 集群特征
南极磷虾存在昼夜垂直移动现象，且集群特征跟光照条件、摄食行为及环境因子相关[18-20]。白天南极磷虾迁移至较深水层，夜晚上升至海表[21]。虾群密度的趋势也表现出明显的昼夜变化规律，南极磷虾在白天似乎具有相对较高的集群密度[22]。南极磷虾属于弱泳生物，水平尺度运动能力有限，基本上属于随波逐流[23]，摄食状态或海流的变化会影响南极磷虾的游泳姿态，而对于当前南极磷虾研究中的大多数目标强度模型来说，倾角参数的确定十分重要。
3.1.3 个体特征
鱼体含脂量是影响鱼体目标强度的因素之一。南极磷虾的个体生长和含脂量存在季节性变化。IKEDA等[24]和朱国平[25]的实验结果表明，若冬季停止摄食，南极磷虾个体将会出现负生长。聂玉晨[26]发现，自南极的初夏到秋末，南设得兰群岛海域的南极磷虾脂肪含量呈逐渐上升趋势，且雄体南极磷虾与抱卵雌体含脂量存在差异。MORRIS[27]发现，相同体长的南极大磷虾雌性与雄性体重存在约9.5%的差异，南极磷虾集群密度较大，种群结构的差异可能导致不同集群之间积分值产生难以预料的偏差。另外，在将声学数据处理所得南极磷虾密度数据转化为生物量时，个体特征的差异也是误差的来源之一。
3.2 南极磷虾声学评估的发展
南大洋距离人类生活的大陆遥远，且南极磷虾分布范围较广，一次完整的声学调查需要较高的成本。历史上只进行过两次大规模的南极磷虾资源多国联合调查，第一次为1979/1980和1984/1985年进行的BIOMASS项目[28]，其中FIBEX(First International BIOMASS Experiments)主要针对南大洋的大西洋扇区和印度洋扇区进行了南极磷虾分布范围调查[29]，SEBEX(Second International BIOMASS Experiments)主要对南极半岛海域的南极磷虾分布和资源量进行了调查[30-31]。2000年，基于渔业管理的需要，由CCAMLR(Commission for the Conservation of Antarctic Marine Living Resources)组织的斯科舍海及南极半岛海域多船多国联合调查开展[32]。该调查重点对商业捕捞区域的磷虾资源量进行了评估，并收集了用于分析环境和生态变化对于南极磷虾生长、分布影响的宝贵资料。
南极磷虾的声学评估发展中，其目标强度和后处理方法一直是研究的热点。目标强度方面，研究人员最初采用经验公式法和DWBA模型的方法结合拖网数据确定目标强度，后通过对南极磷虾自然状态下倾角变化以及其它声学特性的研究，引入了磷虾游泳倾角以及磷虾与海水之间密度比、声速比等参数，优化了目标强度模型，即当前被广泛采用的SDWBA模型；后处理方法上，主要包括噪声剔除和目标信号提取方面的研究。COX[33]在2017年的CCAMLR声学小组(Subgroup On Acoustic Survey And Analysis Methods，SG-ASAM)会议上提出了一种基于磷虾集群识别的数据处理方法。与传统的积分法相比，集群法基于一种对磷虾群特征分析算法识别回波图像中的虾群，只针对目标虾群信号进行积分计算和区域密度计算。相较于以往的通过频差识别后积分栅格处理方法，集群法不需要对虾群以外的回波信号进行噪声处理等操作，大大节省了数据处理时间，未来可能成为南极磷虾资源评估中数据处理的主要方法。
3.3 声学评估面临的问题
3.3.1 数据采集
南极磷虾声学调查成本较高，一方面要考虑数据的科学性和准确性，还要兼顾经济方面的因素。因此，南极磷虾的声学调查要求尽可能在较短的时间内获取准确有效的声学资料。而由于南极磷虾存在昼夜垂直移动的行为，夜晚虾群上升至海表，白天下沉到较深水层。南极磷虾调查船吃水多在6 m以上，调查所用频率换能器近场区范围在1～11 m之间。因此，海表20 m以内声学数据准确性往往较差，而夜间虾群可能会聚集在表层区间。因此，南极磷虾的声学调查多在黎明至黄昏时段进行[34-35]。这无疑会增加调查时间和调查成本。未来在调查设备和分析方法上的进步可能会突破这些限制。
3.3.2 背景噪声剔除
噪声是任何存在于传播介质中的与发射脉冲无关的信号，包括背景噪声、仪器自身的电噪声和船舶噪声等[36]。海表风浪的变化、船体自身噪声以及仪器之间的干扰、海底的剧烈变化等引起的噪声均属于声学信号中的“污染”。背景噪声的处理是影响南极磷虾资源评估准确性的重要因素之一。
南极磷虾集群特性较为复杂，密度和集群大小在时间和空间上的不确定性较大，加上环境以及船体噪声的复杂变化，使得南极磷虾集群声学信号的信噪比变化较大[37]。目前国际通用的南极磷虾声学信号背景噪声处理方法为2007年ROBERTIS等提出的基于噪声修正和SNR阈值(Signal-to-noise-based Thresholds)的快速去噪方法[38]。这种方法需要人为的设置信噪比上限值，去噪效果依赖于人的主观意识[36]。因此，有关南极磷虾声学数据后处理中噪声方面需要更多的研究。
3.3.3 种类鉴别
声学方法评估生物资源量离不开对回波信号进行精确的分类识别。目前，声学调查中海洋生物的目标识别仍然是一个难题[38]。由于南大洋复杂的生态系统和生物多样性，一定条件下与磷虾集群具有相似体积散射强度的非磷虾物种(如，纽鳃樽)以及其它弱散射体的存在，往往会对资源量评估带来偏差[39]。而传统的依据经验和渔获物比例进行回波图象判别和积分值分配的方法过于主观[40]。当前较为流行的南极磷虾分类鉴别方法为多频差分技术[41]，即频差法(dB Difference)。频差法是利用不同频率下虾群平均体积散射强度差值，将差值范围内的信号视为目标信号进行积分输出。然而频差法对于浮游动物之间以及无鳔鱼类分类判别效果并不理想[42]，DEMER等[43]在利用频差法对南极磷虾进行资源量评估时，发现高频率下得出的生物量比低频率多出55%之多，HEWITT等[32]认为这可能是由于频差法将一些浮游动物和其它物种误判为南极磷虾所致。
FALLON[44]利用随机森林法(Random Forest，RF)对南极磷虾、冰鱼以及其它弱散射鱼类集群进行了物种判别，分类结果总精确度达到了94%。随机森林法可以高效地处理多维的庞大数据，且分类的准确性不受变量之间相关性的影响和限制，但对一些低密度的集群，分类效果会受到限制。WOODD-WALKER[42]对集群散射和形态特征做了统计，并利用线性分类函数分析技术(Discriminant-function Analysis，DFA)和人工神经网模型(Artificial Neural Network，ANN)对三种浮游动物集群进行了种类鉴别，并将效果与频差法进行了比较，结果显示相对于鱼群识别效果DFA和ANN方法较为理想，但对于南极磷虾和纽鳃樽之间的鉴别效果不佳。另外,这些基于统计学基础的方法相较于和频差法需要更复杂的分析和更大的工作量，对于以往用栅格积分法评估资源来说具有一定的难度。然而，对于利用集群法进行资源评估来说，将上述集群鉴别方法与集群法结合进行资源评估，或许会成为今后南极磷虾资源评估中的有效途径。
目前对于南极磷虾的判别和分类方法较多，但目前多具有一定的局限性。对南极磷虾和多种海洋生物集群信号进行分类和判别仍然是未来声学评估工作的一项重要内容[45]。
3.3.4 目标强度
目标强度研究是声学方法进行资源调查评估的重要内容。不同于有鳔鱼类，南极磷虾个体较小，单体目标强度较小且集群情况下体积散射强度存在复杂变化。最初，南极磷虾的目标强度是使用由GREENE[46]提出的经验公式来表示：
TSf= 34.85log10L- 127.45 + 10log10(kf/k120kHz)
式中，k=2πf/c，k为波数，f为所求频率，c为声速(m·s-1)，L为南极磷虾的体长(mm)。后来经过对活体磷虾的测量验证，此经验公式适用于成体南极磷虾，适用体长范围较窄，并且可能高估了南极磷虾的目标强度。当前南极磷虾目标强度计算多使用SDWBA(Stochastic Distorted Wave Born Approximation)模型。在SDWBA模型中，南极磷虾的分布倾角和声学特性(磷虾和海水的密度比、磷虾和海水的声速比)是影响目标强度的重要参数[47]，DEMER等[43]分别采用不同的倾角参数对斯科舍海域南极磷虾资源量进行了评估，结果分别为1.094×108t(变异系数CV=10.4%)、1.374×108t(CV=10.8%)、1.924×108t(CV= 11.7%)。在利用模型法对南极磷虾资源量进行评估时，自然状态下的倾角分布较大程度上影响着评估的准确性。而当前对南极磷虾自然条件下分布倾角又缺乏现场的调查研究[35]。此外，自然状态下南极磷虾是否对调查船或是探测设备存在逃避行为尚无明确的定论。
3.4 我国南极磷虾声学评估工作
自1984年首次开展南极考察，中国就将南极磷虾的研究作为一项重要的考察内容。1989年，第6次南极考察对普里兹湾及其外海进行了以南极磷虾生态为主的考察[24]。1993年，郭南麟等[48]利用第6、7次南极考察期间探鱼仪获得的磷虾映像资料，利用WT-2图像处理系统，对普利兹湾外海南极磷虾的分布状况和生物量进行了估算。2001年，“雪龙”号极地考察船利用EK 500-BI500科研用回声探测-积分系统对南极磷虾进行了声学调查与评估。近年来，随着我国南极海洋生物资源开发利用项目的开展，国内对于南极磷虾研究也逐渐增多。王新良等[22]对南极磷虾数据后处理中仪器干扰信号的消除进行了研究；屈泰春[49]研究了南极磷虾声学数据噪声处理并对普利兹湾南极磷虾资源量进行了评估。
自2010年开始，我国每年派出数艘大型拖网渔船前往南极海域开展生产作业及探捕调查。部分渔船已装备了先进的科学探鱼仪，具备了按照CCAMLR标准采集科学有效声学数据的能力。目前南极磷虾作业渔船声学数据难以用于科学研究，一方面是因为数据覆盖过于集中，不能实现调查区域全覆盖。另一方面就是仪器校准不能够规范化，以及数据采集过程中参数设置一成不变，很难适应于调查过程中复杂的环境条件变化。有效利用渔船声学数据，可以较低的成本获取丰富的渔业资源时空分布信息[24]。2012年，CCAMLR声学小组开始将目光投向了如何使用渔船提供的声学数据为南极磷虾和其它浮游物种的分布和相对丰度提供定性和定量的信息[50]。2016年的声学小组会议上讨论了当前南极作业渔船声学仪器多种校准方法的有效性，并提出了改善声学数据的收集方法[35]。我国渔船每年记录声学资料数据量大，针对以上问题，应该加强渔船声学数据规范化管理以及发展更为便捷的数据处理方法和工具。
4 总结与展望
南极磷虾的声学调查评估不同于近海和淡水调查。首先，南极调查所需时间较长，花费人力物力巨大。这就要求调查过程准确而有效，这依赖于调查设备、技术、仪器校正方法以及调查环境等因素。其次，南极磷虾自身声学特性复杂，评估的准确性受限于其体积散射、目标强度、噪声剔除的研究。近年来，多种研究方法和新技术在南极磷虾声学调查评估研究中得到尝试，例如AMAKASU[45]利用宽带回声探测系统和DWBA-PSM(Distorted-wave Born Approximation-Based Prolate Spheroid Model)模型，通过对虾群宽带信号散射特征进行分析和单个频率信噪比估算反推出虾群体长频率分布；COX[51]利用多波束技术对自然状态下南极磷虾集群的观测，提出了基于虾群识别进行资源量评估的集群法等。近年来，宽带技术发展较快，且在一些有鳔鱼类和浮游动物领域取得了一定成果[52-53]。宽带技术通过对声学信号特性进行分析，可以区分调查生物的种类，并可解读出目标信号的大小、丰度及倾角信息[54-55]，具有很大的发展前景。因此，发展宽带技术将是今后南极磷虾声学研究的重要内容之一。此外，考虑到南极磷虾经常与其它浮游动物(如，纽鳃鳟)和中上层鱼类(如，冰鱼和南极电灯鱼等)，发展区分这些物种的方法和技术也将是今后精确评估南极磷虾资源需要解决的重要问题。最后，当前我国利用声学方法对南极海洋生物资源进行调查研究和国外尚有一定差距，需要吸收国外先进经验和更进一步的探索发展。
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