Гидроакустические методы иследования в экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КГТУ»)

Кафедра ихтиологии и экологии

Курсовая работа

по дисциплине «Методы научных исследований»

«Гидроакустические методы исследования в экологии»

Работу выполнил

студент гр. 19ЭП/б

Чернышев Михаил

Старший преподаватель

Барановский П.Н.

2021

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Гидроакустический эхоинтеграционный метод

2. Программа FAMAS

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Акустика - это наука, изучающая физическую природу звука, и вопросы, связанные с его излучением, распространением, восприятием и воздействием.

Гидроакустика - это раздел науки, изучающий распространение звуковых волн в водной среде для целей подводной локации, связи и т.д.

Целью моей работы является рассмотрение и изучения методов гидроакустического исследования в экологии.

1. Гидроакустический эхоинтеграционный метод

Гидроакустический эхоинтеграционный метод основан на измерении силы обратного поверхностного рассеяния от скопления в пределах выделенного слоя и экспериментально определенной зависимости силы цели гидробионтов в скоплении от их зоологической длины. Используемые для этих целей устройства должны обладать важной функцией передачи «сырых» гидроакустических данных в оцифрованном виде через Ethernet-интерфейс и сохранения в файлах известного формата SIMRAD RAW или HAC на жестком диске компьютера (McQuinn et al., 2005), что дает возможность организации сбора и накопления гидроакустических и сопутствующих измерений, а также их последующей постпроцессорной обработки. Эхоинтегрирующие комплексы по измеренной мощности отраженного сигнала вычисляют коэффициент обратного объемного рассеяния в пределах выбранного слоя (sv , м-1), а затем рассчитывают коэффициент обратного поверхностного рассеяния как интеграл sv по диапазону глубин (sа , м2 м-2) и получают на выходе его масштабированную величину sA = 4p(1852)2 sa -- коэффициент поверхностного рассеяния на квадратную морскую милю (м2 миля-2). Коэффициент sA используется в расчетах акустической оценки плотности скопления (MacLennan et al., 2002): ra = sA/{4p } = sA/ (миля-2), (1) где ra -- плотность целей, выраженная как количество гидробионтов на единицу поверхностной площади слоя; уbs -- поперечное сечение обратного рассеяния одиночной цели; уsp -- акустическое поперечное сечение цели при сферическом рассеянии, которые являются производными силы цели (TS): TS = 10lg(sbs) = 10lg(ssp/4p). В современных научных эхолотах, построенных на основе микропроцессорной техники, как правило, конструктивно объединены прецизионный эхолот с динамическим диапазоном порядка 160 дБ, использующий метод расщепленного луча для оценки сил целей, и эхоинтегратор для оценки плотности скопления. Например, установленные на судах ТИНРО-центра EK60 Simrad -- цифровые научные эхолоты с прецизионными характеристиками и независимыми каналами частоты -- содержат вертикально направленные антенны-вибраторы с расщепленным лучом частотой 38 и 120 кГц, размещенные под килем судна, и GPT (приемопередатчики) 38 и 120 кГц, которые, собственно, генерируют и принимают отраженный сигнал от каждого из квадрантов антенны, а также осуществляют оцифровку сигнала. Работой GPT управляет процессорный блок с размещенными на нем программами накопления «сырых» гидроакустических данных и связи с внешними вычислительными устройствами.

Регистрация акустических данных производится на двух частотах -- 38 и 120 кГц. Для количественной оценки численности и биомассы рыб используется частота 38 кГц [1]. Навигационное сопровождение акустического комплекса осуществляется с использованием системы спутникового позиционирования GPS. В настоящее время научные эхолоты ЕК60 являются базовыми при выполнении эхоинтеграционных тралово-акустических съемок в ТИНРО-центре, ПИНРО, Аляскинском центре рыбохозяйственных исследований AFSC (Alaska Fisheries Science Center, США). Формат выходных данных научных эхолотов позволяет использовать различные программные средства для постпроцессорной обработки акустических данных.

2. Программа FAMAS

Для вторичной обработки акустических данных в ТИНРО-центре используется программное обеспечение FAMAS (Fishery Acoustic Monitoring & Analyses System), разработанное в лаборатории промысловой гидроакустики (Николаев и др., 2000). FAMAS состоит из двух основных элементов и нескольких вспомогательных программ:

- Программа BiView-MS -- предназначена для многовидовой постпроцессорной обработки данных. Программа выполняет интерактивную обработку накопленных ER60-файлов данных с визуализацией соответствующих эхограмм и выделенных слоев на экране монитора (рис. 2) и сохранение результатов обработки (значений коэффициента поверхностного рассеяния sA, биомассы, численности, распределения биомассы и численности по размерным рядам, по глубине и др.) в виде файлов со структурой, доступной для последующей обработки программными пакетами типа Excel, Surfer и т.д.

- Интегрированная база данных в среде Access -- база данных акустических, навигационных и биологических измерений. Содержит справочные и вспомогательные таблицы, биологические данные (по результатам контрольных тралений), данные сопровождения акустических измерений, данные с результатами эхоинтегрирования, гидрологические данные.

- BIFiles -- эта вспомогательная программа предназначена для манипулирования файлами эхограмм -- сжатие, преобразование, исправление и т.д.

- Программа Sumfiles -- используется для суммирования файлов с результатами постпроцессорной обработки (старые файлы с расширением Sa, Sm, Bio, Num, B-L, N-L или новые с расширением FAM). Файлы объединяются по типу данных, типу слоя и виду объекта, а также преобразуются в формат CSV для последующей обработки в Excel.

- Программа TxtConvert -- предназначена для преобразования и дополнительной обработки файлов распределения численности и биомассы, получаемых в результате постпроцессорной обработки эхограмм и суммирования. Программа преобразует данные в формат, необходимый для построения в Surfer распределения численности или биомассы по глубине, позволяет разбросать данные по квадратам координационной сетки с заданным шагом, вычислять характеристики вертикального распределения объекта (минимальная, максимальная и средневзвешенная глубина, минимальная, максимальная и средневзвешенная длина), а также, если имеется размерно-весовой ключ, рассчитать распределение объекта по возрастам.

- Sounder -- программа для управления работой эхолота, приема и обработки телеграмм GPS, FS20/25, ведения галсового листа и журнала событий. В главном окне программы содержится информация о координатах, курсе и скорости судна, приводятся текущие значения лага и глубины, а также расстояние и время до точки назначения.

С использованием программных средств FAMAS можно воспроизводить эхограмму и сопутствующую ей информацию в любой точке обследованной акватории в реальном масштабе времени. Типовая структура выходных данных FAMAS представляется результатами обработки фрагментов акустических изображений по элементам сетки с задаваемым размером отдельного элемента сетки по дистанции (обычно 0,5 мили в Беринговом море и 1,0 мили в Охотском море) и 1 м по глубине в пределах выделенных для обработки слоев. Полученные данные (значения коэффициента поверхностного рассеяния sA, численности, биомассы, распределения биомассы и численности по размерным рядам и др.) совместно с географической привязкой сохраняются в виде файлов со структурой данных, доступной для последующей обработки в Excel, Surfer и др. Гидроакустические исследования Берингова моря в ТИНРО-центре выполняются ежегодно с 1996 г. в ходе тралово-акустических съемок в наваринско-анадырском районе и западной части Берингова моря (Кузнецов и др., 2002, 2004, 2006), а с 2003 г. -- и в составе комплексной экосистемной съемки «лососевой» направленности в рамках международной программы BASIS под эгидой NPAFС (North Pacific Anadromous Fish Comission). Сбор, накопление и вторичная обработка акустических данных в северо-западной части Берингова моря выполняются по стандартной эхоинтеграционной технологии, разработанной в соответствии с рекомендациями рабочей группы FAST (Fisheries Acoustics Science and Technology) при ICES (International Council for the Exploration of the Sea) (Simmonds et al., 1992) и согласованной со специалистами AFSC, выполняющими аналогичные съемки в восточной части моря (Кузнецов, Николаев, 2000). Кроме этого, при разработке методики принимался во внимание опыт ПИНРО при проведении многовидовых тралово-акустических съемок в Баренцевом море (Мамылов и др., 1989; Ермольчев и др., 1993, 1996; Мамылов, 1999).

Перед выходом судна в рейс выполняется калибровка гидроакустического комплекса по технологии стандартной сферы (Кузнецов, Николаев, 2000; Operator 26 manual …, 2004*) [1]. Акустические измерения осуществляются по сетке параллельных галсов, расположенных в 20 милях друг от друга (системный параллельный маршрут). Схема галсов съемки в северо-западной части Берингова моря совмещена с аналогичной сеткой параллельных галсов, используемой AFSC при проведении траловоакустических съемок в юго-восточной части моря. В процессе вторичной обработки эхограмм весь слой разбивается на пелагический -- выше 10 м от грунта -- и донный слой -- 0-10 м от грунта. Одна из основных процедур обработки акустических данных -- локализация и выделение эхозаписей в определенные группы (категории), соответствующие скоплениям со схожими биологическими характеристиками. В основе такого подхода лежат следующие посылки: -- акустическое изображение скопления адекватно отображает пространственное распределение и поведение определенного вида гидробионтов на определенном участке пути в определенное время суток; -- изменение акустического изображения служит индикатором смены поведения и, возможно, размерно-возрастных характеристик рыб и поэтому подлежит проверке контрольным тралением; -- в случае эхозаписей объекта в разных горизонтах контрольные траления выполняются для идентификации каждого типа скопления раздельно. По мере поступления акустических данных в ходе съемки проводится эмпирический анализ эхограмм, учитывающий характер поведения объекта, тип распределения силы цели, результаты контрольного облова, опыт предшествующих работ в данном районе и др. В результате анализа акустической ситуации на галсах съемки выделяются участки пути, соответствующие характерному акустическому изображению скопления с определенным видовым и размерно-возрастным составом, подтверждаемым результатами контрольного траления на данном скоплении.

Часть акватории съемки, занимаемая определенной группой, выделяется в страту, ей присваивается размерночастотный ключ, характеризующий взвешенный размерный состав рыб в исследуемом подрайоне. Географически страта определяется путем задания в базе данных диапазонов значений лага, соответствующих границам данной страты в пределах каждого из галсов. Из обработки исключаются эхограммы, связанные с уходом с галса и выполнением контрольных тралений. По завершении процедуры выделения страт и пополнения базы данных текущей съемки биологическими данными в пределах каждой страты и выделенных слоев с помощью программы постпроцессорной обработки BiView-MS производится расчет значений коэффициента поверхностного рассеяния sA, численности и биомассы рыб по размерным рядам, по глубине и др. Суммарное обратное поверхностное рассеяние на площади страты Sm (в квадратных метрах) вычисляется как Smi = У h ? = Lih k 1 sAihk Th Dk , (3) где sAihk -- коэффициент поверхностного рассеяния для i-й страты на h-м галсе (трансекте) на k-м элементарном интервале интегрирования (ESDU -- Elementary Sampling Distance Unit), м2 /миля2 ; Dk -- длина интервала интегрирования ESDU, мили; Th -- ширина трансекта, мили; Lih -- число интервалов интегрирования для i-й страты на h-м трансекте. По взвешенному размерно-частотному ряду и уравнению силы цели (TS) для каждой i-й страты рассчитывается средневзвешенное акустическое сечение рыб со средней длиной Li:

(5)

где a и b -- коэффициенты, значения которых определяют экспериментально по результатам измерения силы цели in situ.

Численность рыб в i-й страте оценивается выражением Ni = Smi/. (6) Распределение численности по размерному ряду определяется с использованием взвешенного размерно-частотного распределения рыб в каждой страте. Оценка биомассы минтая производится с использованием размерно-весовых коэффициентов А и В, получаемых по результатам анализа размерно-весовых рядов контрольных тралений и связывающих длину (L) и массу рыбы (W) зависимостью W = A · (L)B. В случаях смешанных скоплений рыб численность и биомасса каждого вида j рассчитываются пропорционально доле эхоинтенсивности сигналов (Pj ) от гидробионтов вида j в суммарной величине обратного поверхностного рассеяния sA из соотношения (Ермольчев и др., 1996)

(7)

где Pwj -- доля биомассы объектов вида j в улове; Khaulj -- коэффициент уловистости трала для гидробионтов j-го вида; skgj -- среднее акустическое сечение обратного рассеяния 1 кг рыб вида j. Пропорции в величине sA рассчитываются с использованием программных средств BiView-MS, предназначенных для многовидовой обработки данных, по результатам контрольных тралений для всех видов гидробионтов в улове при наличии соответствующих данных о силе цели или силы цели на 1 кг массы (TSKG) каждого объекта в базе данных FAMAS (рис. 4). В результате последовательной обработки данных формируются оценки акустической плотности, численности и биомассы рыб в пределах выделенных слоев вдоль галсов акустической съемки с шагом 0,5 мили по дистанции и с шагом по глубине 1 м. Суммарная численность и биомасса для галса или некоторого района в целом определяется как сумма оценок обилия на обработанных участках пути и не интерполируется на площади, где отсутствовали эхозаписи рыб [2].

Для расчета средневзвешенной глубины обитания рыб на каждой i-й миле пути формируются два ряда данных: fi (x, y, zj , t) -- плотность гидробионтов (усредненная по 1-метровым интервалам глубины численность рыб на квадратную милю) и Hi (zj ) -- глубина, м, где x, y -- координаты; zj -- интервал глубины, м; j = 1,…, ni ; ni -- число интервалов глубины; t -- время, с. Средневзвешенная (AVG) по численности глубина местоположения рыб на i-й миле пути определяется как

Hi AVG = ( ) ? ? = = ? i i n j 1 j n j 1 jj f f H . (8)

Гидроакустическая эхоинтегрирующая аппаратура используется в рамках программы комплексного изучения морских сообществ и экосистем Охотского моря при проведении зимне-весенней («минтаевой» направленности) и летне-осенней («лососевой» и «сельдево-минтаевой» направленности) пелагических съемок. В Охотском море галсовый маршрут акустической съемки формируется на основе стандартной сетки ихтиопланктонных и траловых станций и не является системным, поэтому при расчетах численности и биомассы используется метод стратификации района съемки, основанный на понятии статистического квадрата (Simmonds et al., 1992). Акватория съемки покрывается регулярной сеткой с шагом 30' по широте и 60' по долготе. Каждый элемент сетки выступает в роли статистического квадрата, в пределах которого выполняются необходимые операции по усреднению акустических проб (ESDU) и биологических измерений, производится расчет абсолютных оценок с учетом площади квадрата [2]. При расчете численности и биомассы по размерным группам в квадрате для каждого вида гидробионтов используются уравнения.

Площади квадратов корректируются с учетом береговой линии и размера выборки акустических проб в квадрате. Ниже определенного порога площади статистических квадратов уменьшаются пропорционально количеству проб. Местоположение страты определяется по результатам тралений в точках ихтиопланктонных станций заданием в базе данных диапазонов значений лага, соответствующих границам данной страты. По завершении процедуры выделения границ страт и пополнения базы данных текущей съемки в программе постпроцессорной обработки BiView-MS (FAMAS) рассчитываются плотности рыб (в тысячах экземпляров на квадратную милю и в тоннах на квадратную милю), получаемые согласно вышеприведенной методике при ширине трансекта 1 миля с интервалом интегрирования 1 миля. Эти данные используются для построения пространственного распределения объектов. Затем полученные значения плотности с использованием программы TxtConvert усредняются в пределах каждого статистического квадрата и умножаются на его площадь. Численность и биомасса рыб в смешанных скоплениях рассчитывается многовидовым алгоритмом программы BiView-MS, как это показано для Берингова моря.

На заключительном этапе проводится агрегирование данных для стандартных биостатистических районов, границы которых были аппроксимированы по границам соответствующих квадратов, входящих в статрайон. Работы, по количественной оценке, уловистости тралов включают измерения плотности рыб в слое траления под судном с помощью научного эхолота ЕК60 и сравнение с уловом трала. В процессе вторичной обработки на эхограмме выделяется слой траления, верхняя граница которого соответствует глубине верхней подборы трала, а нижняя определяется по его вертикальному раскрытию, как показано на рис. 5. Участок траления выбирается в качестве страты путем задания в базе данных диапазона значений лага, соответствующих точкам начала и конца траления с учетом отставания трала от судна, вычисляемого по длине ваеров и глубине хода трала. Ширина трансекта задается по горизонтальному раскрытию трала. Далее выполняется стандартная процедура оценки коэффициента поверхностного рассеяния sA, численности и биомассы объектов в протраленном объеме методом эхоинтегрирования [3]. Протраленным объемом в данном случае является объем воды, процеженной тралом, т.е. произведение площади устья трала на дистанцию траления. Площадь устья трала задается с учетом фактической формы в виде эллипса, малым радиусом которого является вертикальное раскрытие трала, а большим -- горизонтальное. Полученные оценки численности и биомассы рыб в протраленном объеме под судном сравниваются с фактическим уловом трала.

Коэффициент уловистости определяется как отношение количества пойманных рыб к количеству рыб в протраленном объеме под судном, т.е. до начала воздействия орудия лова [3]. Практически все методики измерения шумов движущихся объектов используют основной подход, заключающийся в том, что звук детектируется приемником, помещаемым на некотором установленном расстоянии от трассы движения объекта. Измеряемыми параметрами являются уровни звукового давления в стандартных (октавных, 1/3-октавных) частотных полосах при контроле, а также в узких частотных полосах при определении причин превышения норм и выявлении источников повышенного шума. Предусматривается измерение уровней звукового давления шума, излучаемого судном в диапазоне частот 10-20000 Гц при его прохождении измерительными галсами мимо калиброванной гидрофонной системы поочередно левым и правым бортами (рис. 7), и сравнение измеренного судового шума с рекомендуемым ICES (Mitson, 1995). Измерения уровней подводного звукового давления выполняются в дальнем акустическом поле судна. Для сопоставления полученных данных, и чтобы показать различия характеристик измеренного шума НИС ТИНРО-центра и других судов, уровни дискретных составляющих звукового давления шума представляются в децибелах относительно опорного давления звука 1 мкПа и затем приводятся к расстоянию 1 м. Для интегрального уровня звукового давления и отдельных дискретных составляющих шума представляются круговые диаграммы направленности (пространственные распределения) гидроакустического поля судна.

гидроакустика эхоинтеграционный метод гидробионты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Чемагин А.А., Алдохин А.С. Методика ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - № 12-2. - С. 299-302;

2. Николаев А. В., Кузнецов М.Ю., Убарчук И.А. Инструментальные средства и информационные технологии акустического мониторинга рыбохозяйственных акваторий // Рыб. хоз-во. -- 2000.

3. Урик Р. Д. Основы гидроакустики : монография. -- Л. : Судостроение, 1978.

Размещено на Аllbest.ru