沈 蔚，陳 明，童劍鋒，張 進，張華臣

(上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306)

目前，水聲學的方法已經(jīng)大量運用于漁業(yè)資源調(diào)查與評估之中，主要儀器有數(shù)字回聲探測儀與雙頻識別聲吶。與其它的漁業(yè)資源調(diào)查方法相比，漁業(yè)水聲學方法具有探測范圍廣、調(diào)查效率高、對調(diào)查區(qū)域的生態(tài)環(huán)境無損害、數(shù)據(jù)連續(xù)、魚群位置定位精準、魚類密度和資源量評估精度高等優(yōu)點。我國的漁業(yè)水聲學是從20世紀80年代開始發(fā)展推廣。1985年，SIMRAD EK500回聲探測儀被應用于“北斗”號調(diào)查船[1-2]。王崇瑞等[3]于2011年5月使用BioSonics DT-X (210 kHz)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(qū)的平均密度、總尾數(shù)和可捕撈資源量以及水平密度分布。孫明波等[4]利用BioSonics DT-X (208 kHz)型回聲探測儀對太湖東部和北部湖區(qū)進行了走航式的調(diào)查，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)對相關(guān)湖區(qū)的魚類空間分布、大小組成和資源量進行了評估。DIDSON也應用于魚群跟蹤和計數(shù)，童劍鋒等[5]利用DIDSON高效地對溯河洄游幼香魚進行計數(shù)，并計算出向上游移動香魚的數(shù)量。張進[6]于2011年運用DIDSON定量評估了滴水湖的漁業(yè)資源分布。眾多研究結(jié)果表明，利用聲學手段評估漁業(yè)資源是有效可靠的，但雙頻識別聲吶與數(shù)字回聲探測儀對漁業(yè)資源的評估也存在一定區(qū)別。同時使用雙頻識別聲吶與數(shù)字回聲探測儀對青草沙水庫的漁業(yè)資源進行評估和比較，分析兩種儀器進行漁業(yè)資源評估時的不同特點及優(yōu)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(yè)資源評估的精度。

1 數(shù)字回聲探測儀與雙頻識別聲吶

1.1 數(shù)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(zhì)來實現(xiàn)。對于目標物體，回聲探測儀換能器發(fā)射的聲波在水中傳播，當遇到目標物體時，由于物體的聲阻抗率與水不同，該物體會對入射聲波產(chǎn)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)[7]。根據(jù)聲波從發(fā)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征，可以估計目標的數(shù)量和分布情況等。

常用的回聲探測儀系統(tǒng)皆為探魚儀、積分儀和目標強度測定儀于一體的集成式回聲-積分系統(tǒng)[8]，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(nèi)置四個發(fā)射陣列，若在換能器的探測范圍內(nèi)有目標物，則四個發(fā)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(tǒng)自帶的軟件提供內(nèi)置的單一目標分析算法來估算魚類密度(Fish Density)和目標強度(target strength)[9-10]。它還提供回聲積分(Echo integration)和底面追蹤(Bottom tracking)的算法。內(nèi)置的目標強度算法可使用單一目標分析的結(jié)果來量化回聲積分，也可以使用其它的手動輸入的數(shù)據(jù)來進行這一量化。BioSonics DT-X的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 BioSonics DT-X主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of BioSonics DT-X

1.2 雙頻識別聲吶(DIDSON)

雙頻識別聲吶 DIDSON (Dual-frequency Identification Sonar)是由美國華盛頓大學應用物理實驗室研發(fā)，由Sound Metrics 公司制造，目的是為美國“空間與海上戰(zhàn)爭系統(tǒng)中心”提供技術(shù)支持[11-12]。DIDSON 主要有體積小、重量輕、方便攜帶及安裝和成像清晰等優(yōu)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(diào)查所使用的儀器為標準型雙頻識別聲吶。DIDSON有低頻1.1 MHz和高頻1.8 MHz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?qū)?～40 m范圍內(nèi)的觀測目標進行自動調(diào)焦，保證觀測范圍內(nèi)目標圖像的清晰度[13]。當DIDSON工作在1.8 MHz高頻的時候，水平方向共發(fā)射96條波束，探測范圍為1～10 m，可提供的圖像分辨率較高，為0.3°；其工作在1.1 MHz低頻的時候水平方向共發(fā)射48條波束，探測范圍約為1-40 m，其圖像分辨率約為0.6°。DIDSON 的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2 漁業(yè)資源聲學調(diào)查背景及方法

2.1 研究區(qū)概況

青草沙水庫位于長江口處南北港分流口的下游，西北方?jīng)_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(cè)的中央沙、青草沙及北小泓、東北小泓等水域組成[14]。該水庫總面積約67.2 km2，平均水深約為8 m，最深可達18 m。整個水庫大致可分為3個區(qū)域：中部區(qū)域是全庫的過渡性區(qū)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(qū)和東部取水的深水區(qū)之間；西部是納水區(qū)，水深較淺、且水流急，水質(zhì)渾濁；東部區(qū)域水深、澄清、透明度高。青草沙水庫的地理位置如圖1所示。

表2 DIDSON主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of DIDSON

青草沙水庫在水庫建成前后，對生物結(jié)構(gòu)關(guān)注在逐步加強。胡忠軍等[15]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(jié)構(gòu)特征分析。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占比更高。在臨近的長江口附近數(shù)個水域的調(diào)查顯示，水庫以外的長江口水域中，魚類的優(yōu)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采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(fā)現(xiàn)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(shù)目均很少。原因主要是青草沙水庫處于長江口相對低鹽度區(qū)，且其取水口設置在北港上游，在咸潮來臨之前會關(guān)閉進水口，使水庫保持較低的鹽度，導致半咸水魚類和近海魚類的減少，除此之外水庫內(nèi)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[16]。

圖1 青草沙水庫地理位置示意圖Fig.1 Location map of Qingcaosha Reservoir

2.2 聲學調(diào)查方法

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

根據(jù)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(guān)信息，由此可求得水庫魚類平均體長與體重關(guān)系。采用冪函數(shù)回歸的方法，即W=aLb，得到體重與體長的關(guān)系，由此得出水庫中魚類的平均體長與體重的關(guān)系式為：W=0.000 03L2.738 1，R2=0.942 8

數(shù)據(jù)采集過程中，兩種儀器的換能器都固定于探測船右側(cè)前舷離發(fā)動機約8 m處，避免發(fā)動機噪音對儀器的影響，入水深約 0.5 m，換能器垂直向下發(fā)射聲波(如圖3)。在探測過程中，根據(jù)水深的變化情況，手動調(diào)節(jié)DIDSON的頻率。當水深小于10 m時，使用1.8 MHz的頻率進行探測，以獲得更高的分辨率；當水深大于10 m時，則將DIDSON的頻率切換到1.1 MHz，以探測更長的距離。

圖2 調(diào)查航線示意圖Fig.2 Map of survey route

圖3 儀器安裝示意圖Fig.3 Instrument installation diagram

在Echoview軟件處理上，DIDSON是多波束系統(tǒng)，其映象中檢測目標的與單波束系統(tǒng)不同，在Echoview中首先使用Multibeam target detection進行多波束目標檢測，經(jīng)篩選符合體長的目標后，使用Target conversion將多波束檢測的目標轉(zhuǎn)換為單目標數(shù)據(jù)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。

本次調(diào)查對BioSonics DT-X數(shù)據(jù)以 300 Pings 為一個采樣單元，共獲得 452 個采樣單元。采用Echoview 6 中的回聲積分法計算每個采樣單元魚類密度，以此研究青草沙魚群在湖中的分布狀況。再根據(jù)各個采樣單元密度求整個水庫的平均密度，結(jié)合青草沙水庫的水域面積估算青草沙魚類數(shù)量。調(diào)查水域上海市青草沙水庫的總面積約為67.2 km2，除去水庫中心島嶼面積，其水域面積約為40 km2。青草沙水庫魚類的平均密度為 0.27 ind./m2；根據(jù)Love的魚類體長與目標強度的經(jīng)驗公式以及漁獲物的體長與體重的關(guān)系估算青草沙水庫魚類的平均體重約為0.56 kg。依據(jù)以上數(shù)據(jù)計算BioSonics DT-X測得的魚類數(shù)量約為1 079萬尾，總的資源量約為604.24萬kg。

圖4 DIDSON探測效果圖Fig.4 Detection diagram of DIDSON

對于DIDSON數(shù)據(jù)，本次青草沙水庫漁業(yè)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(jù)探測得到的統(tǒng)計結(jié)果來估算水庫內(nèi)魚類總的數(shù)量。其次，根據(jù)捕撈隊捕獲的魚類樣本來獲得水庫內(nèi)魚類平均體長與體重的關(guān)系式，從而求得水庫內(nèi)魚類平均體重。水庫內(nèi)魚類總的數(shù)量乘以魚類的平均體重即可得水庫內(nèi)魚總的資源量。根據(jù)DIDSON統(tǒng)計結(jié)果來看，本次航線內(nèi)魚類的平均密度約為0.23 ind./m2，水庫魚類總數(shù)約為936萬，總的資源量為約為705萬kg。

3 兩種聲學手段的對比分析

3.1 體長分布頻率對比

根據(jù)Echoview對BioSonics DT-X數(shù)據(jù)進行單體檢測的結(jié)果，青草沙水庫魚類的平均TS值為-49.36 dB，TS值集中分布于-60～-45 dB。根據(jù)青草沙水庫的歷史數(shù)據(jù)以及現(xiàn)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，故本次研究采用Love提出的有鰾魚類目標強度與體長的經(jīng)驗公式。通過經(jīng)驗公式換算后發(fā)現(xiàn)青草沙水庫魚類體長主要分布在0～30 cm之間，其中體長0～10 cm的魚類數(shù)量最多，體長50 cm以上的魚類占比較小。

根據(jù)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0～30 cm，其中體長為10～20 cm的魚類最多(如圖5)。兩種儀器的測得魚類體長結(jié)果的相關(guān)系數(shù)約為77%。

盡管DIDSON和BioSonics DT-X的探測結(jié)果都顯示青草沙水庫的魚類體長大小都集中分布于0～30 cm之間，但0～10 cm和10～20 cm這兩個區(qū)間內(nèi)，兩種儀器的差別較大。原因在于體長較小的魚在DIDSON中難以識別，造成DIDSON測得的魚類體長分布在0～10 cm的區(qū)間內(nèi)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(yōu)勢。

圖5 DIDSON和BioSonics DT-X魚類體長頻率分布對比圖Fig.5 Comparison of fish length and frequency distribution resulted by DIDSON and BioSonics DT-X

3.2 水平密度分布對比

對DIDSON數(shù)據(jù)中提取的魚類位置分布，先將水庫在ArcGIS中網(wǎng)格化，計算航線經(jīng)過的網(wǎng)格中的魚群的平均密度，最后利用反距離加權(quán)插值法(IDW)預測庫區(qū)的魚群密度分布(如圖6)。對BioSonics DT-X各個采樣單元的密度使用反距離加權(quán)插值法(IDW)得到整個庫區(qū)的魚群密度分布(如圖7)。

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，青草沙水庫的東部和中部區(qū)域魚群密度較高而西北部區(qū)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(huán)境看，東部為取水區(qū)，水深；中部為過渡區(qū)，水位中等，這兩個區(qū)域更適合魚類棲息；而西部為納水區(qū)，水淺、渾濁，魚群密度較低。兩種儀器的評估結(jié)果與實際情況相吻合。

但在西北部的少數(shù)地區(qū)，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。推測可能是由于西北部地區(qū)水淺且流速快，船在航行過程中可能會產(chǎn)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(jié)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。

圖6 DIDSON航線上魚群密度水平分布圖Fig.6 Horizontal density distribution of fish resulted by DIDSON

圖7 BioSonics DT-X魚群密度水平分布圖Fig.7 Horizontal density distribution of fish resulted by BioSonics DT-X

3.3 垂直密度分布對比

本次調(diào)查中探測到的青草沙水庫最大水深為18.06 m，平均水深為8.87 m。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5 m作為一個水層單元，整個水庫共分為3層，分別為：水庫上層(<5 m)，水庫中層(5～10 m)和水庫底層(>10 m)。

對DIDSON和BioSonics DT-X的數(shù)據(jù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)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(shù)字回聲探測儀小。原因可能為在處理DIDSON數(shù)據(jù)時體長較小的魚易被忽略，導致DIDSON評估的魚群密度較BioSonics DT-X偏低。

圖8 DIDSON和BioSonics DT-X不同水層魚群密度分布對比圖Fig.8 Comparison of the fish density distribution in different water layers by DIDSON and BioSonics DT-X

3.4 兩種儀器的適用場景分析

數(shù)字回聲探測儀和雙頻識別聲吶DIDSON都可以用于評估漁業(yè)資源，但兩種儀器各自擁有不同的適用場景。

對于數(shù)字回聲探測儀如BioSonics DT-X，在魚群集群現(xiàn)象比較突出以及調(diào)查區(qū)域魚類體長普遍較小的時候，可以發(fā)揮比較大的優(yōu)勢。與此同時，當調(diào)查涉及到更多的項目，如沉水植物與底質(zhì)等，使用回聲探測儀更加方便。但在測區(qū)水深較淺時，其受氣泡等因素干擾較大。

對于雙頻識別聲吶DIDSON，當調(diào)查區(qū)域魚類大多為單體分布，且魚類的體長普遍較大時，較為適用。當測區(qū)平均水深較淺時，也適合適用DIDSON進行漁業(yè)資源評估，以排除氣泡影響。同時由于DIDSON可以直觀地反映水下物體包括魚類，因此它更適用于定點觀測和對魚類的行為學調(diào)查。

兩種儀器的原理、性能指標和價格有很大差異，應針對具體條件選擇使用。

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