Ανάπτυξη συστήματος παρακολούθησης και ακουστικής εκτίμησης πελαγικών σμηνών με χρήση πολυκωνικών ηχοβολιστικών

Abstract

The Ph.D. Thesis focuses on the acoustic study of the spatiotemporal behaviour of tuna schools associated with drifting Fish Aggregating Devices (FADs), using omnidirectional multibeam sonars. FADs play a major role in industrial tuna fisheries, however the particular fishery-characteristics strongly bias parameters concerning fishing effort and increase uncertainty regarding management strategies. It is accepted that new methodologies need to be developed for the efficient in situ assessment of aggregations around FADs, using multibeam sonars. The objective of this Thesis is to provide with quantitative in situ acoustic descriptors of tuna aggregations around drifting FADs, and to standardize certain fishery-related parameters. Acoustic recordings around FADs were acquired in the western Indian Ocean. The initial research effort focused on developing the Multibeam Sonar Tracer, an operational software for sonar raw data interface, visualization, and processing. School detection and tracking algorithms were developed and integrated to the system, allowing for automatic school isolation and extraction of quantitative descriptors. The methodology incorporates the development of a 3D school and sonar simulator, used to correct beam effect biases on school descriptors. Next to the description of the MST software and sensitivity analyses of its processing modules, the results comprise of a description of school typology and statistical analyses of school descriptors. Pelagic schools were characterized by high variability in morphology and density, and their average horizontal speed was estimated to 1.2 ms-1. A strong variability was also observed in the overall spatiotemporal distribution of schools relative to the drifting FADs, while time-series of total tracked school area and total tracked backscatter were found to be highly variable. Statistical differences were observed between day-time and night-time recordings: large schools during night-time were found to be fewer, and less dense compared to same size day-time schools. The highest biomass density was localized in a radial distance zone 400m from the drifting FADs, accounting for 80% of the total backscatter, echotrace area, and number of aggregations detected. The development and operational application of the system showed that quantitative multibeam acoustic research is feasible, and on methodological standards comparable to those used in high precision single-beam echosounding

Η διδακτορική διατριβή εστιάζεται στην ακουστική μελέτη της συμπεριφοράς των τοννοειδών γύρω από παρασυρόμενα αντικείμενα στον ανοιχτό ωκεανό, με χρήση πολυκατευθυντικών sonar. Η υπεραλίευση τόννου με τη χρήση ειδικών πλωτήρων προσέλκυσης (FADs) είναι εντυπωσιακά ισχυρή, και οδηγεί σε κατάρρευση τα πελαγικά αποθέματα. Τα αντίστοιχα δεδομένα αλιευτικής παραγωγής είναι έντονα μεροληπτικά, καθιστώντας αδύνατη τη διαχείριση με έμμεσες μεθόδους εκτίμησης του αποθέματος. Έτσι, διατυπώνεται διεθνώς η ανάγκη προσφυγής στην υδροακουστική τεχνολογία πολυκωνικών ηχοβολιστικών, η οποία ενδείκνυται για την παρατήρηση σμηνών σε μεγάλες αποστάσεις, και την επιτόπια μελέτη των χαρακτηριστικών τους. Ωστόσο, οι επιχειρησιακές ερευνητικές απαιτήσεις ξεπερνούν τα όρια της διαθέσιμης μεθοδολογίας ανάλυσης των πολυκωνικών sonar. Αντικείμενο της διατριβής είναι η εξαγωγή ποσοτικών δεικτών περιγραφής των σμηνών τόννου γύρω από παρασυρόμενα FAD, η αντικειμενοποίηση ορισμένων παραμέτρων της αλιευτικής δραστηριότητας, αλλά και γενικότερα η από μηδενικής βάσης ανάπτυξη της σχετικής μεθοδολογίας. Οι εργασίες πεδίου έλαβαν χώρα στο δυτικό Ινδικό ωκεανό. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκε το λογισμικό Multibeam Sonar Tracer, που αποτελεί μία ολοκληρωμένη πλατφόρμα ανάλυσης πολυκωνικών δεδομένων, σε επιχειρησιακό επίπεδο. Αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι αυτόματης ανίχνευσης και ιχνηλάτησης σμηνών καθώς και ένας τρισδιάστατος προσομοιωτής των συνθηκών ηχοβολισμού. Στη διατριβή παρουσιάζονται επιτόπια αποτελέσματα για την τυπολογία των σμηνών τόννου και τις κατανομές των δεικτών περιγραφής τους. Τα πελαγικά σμήνη σημείωσαν έντονη διακύμανση στα μορφολογικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά τους και η μέση ταχύτητα κίνησής τους εκτιμήθηκε στα 1.2 ms-1. Η χωροχρονική κατανομή της πελαγικής βιομάζας έχει αντίστοιχα έντονη διαφοροποίηση, και οι χρονοσειρές της συνολικής ιχνηλατημένης ανάκλασης και εμβαδού παρουσίασαν έντονη μεταβλητότητα. Τη νύχτα, τα μεγάλα σε μέγεθος σμήνη ήταν λιγότερα σε αριθμό, και λιγότερο πυκνά σε σχέση με τα σμήνη αντίστοιχου μεγέθους την ημέρα. Η μεγαλύτερη πυκνότητα ακουστικών ιχνών παρατηρήθηκε στη ζώνη οριζόντιας απόστασης 400m περιμετρικά των FAD, περιοχή στην οποία καταγράφηκε το 80% της συνολικής ανάκλασης, εμβαδού, και πλήθους σμηνών. Η ανάπτυξη και εφαρμογή του συστήματος απέδειξε ότι η ποσοτική χρήση των πολυκατευθυντικών sonar είναι πλέον ρεαλιστική, και σε συγκρίσιμο μεθοδολογικό επίπεδο με αυτό των κατακόρυφων ηχοβολιστικών