Skip to main content

A Holistic Opto-Acoustic System for Monitoring Marine Biodiversities

Article Category

Article available in the folowing languages:

Innowacyjne urządzenie podwodne do monitorowania zasobów rybnych

Prowadzenie dokładnych pomiarów zasobów rybnych okazało się dla zespołu projektu SYMBIOSIS bardzo złożoną operacją, wystawiając na próbę zdolności w zakresie nurkowania i inżynierii podwodnej jego członków. Na szczęście ich zaawansowane technologicznie rozwiązanie przyniosło obiecujące rezultaty.

Żywność i zasoby naturalne

W ostatnich latach światowe zasoby rybne ulegały wielu presjom, takim jak nadmierna eksploatacja przez sektor rybołówstwa, utrata siedlisk i zanieczyszczenie. W niektórych ekosystemach morskich ważne gatunki zostały przetrzebione i nie pełnią już swojej roli ekologicznej. Niestety władze nie dysponują dokładnymi danymi na temat wielkości obecnych zasobów ani narzędziami technologicznymi do ich monitorowania, co utrudnia podejmowanie właściwych działań. W ramach wspieranego przez UE projektu SYMBIOSIS opracowano system do długoterminowego monitorowania bioróżnorodności ryb, którego prototyp zastosowano w trzech środowiskach morskich i przybrzeżnych. W ramach projektu wykryto i poddano analizie ponad 10 000 ryb, w tym 2 000 z sześciu gatunków, które obrano za wskaźniki różnorodności biologicznej. „Projekt SYMBIOSIS dostarcza aktualnych informacji na temat kluczowych zasobów rybnych, umożliwiając władzom podejmowanie opartych na dowodach decyzji i tworzenie przepisów prawa, np. w zakresie zakazu połowów”, mówi koordynator projektu Roee Diamant z Uniwersytetu w Hajfie, który był jego gospodarzem. „Nasze innowacyjne rozwiązanie mogłoby również posłużyć za narzędzie do badań ekologicznych, na przykład do badania zachowań ryb”. Wyniki projektu opublikowano już w wielu czasopismach.

Metoda śledzenia przed wykryciem

System SYMBIOSIS wykrywa, klasyfikuje i szacuje biomasę sześciu kluczowych gatunków ryb: tuńczyka białego, koryfeny, miecznika, makreli atlantyckiej, ostroboka śródziemnomorskiego i serioli olbrzymiej. Zostały one wybrane w oparciu o kryteria społeczne i ekologiczne, takie jak ich znaczenie handlowe i dostępność na badanych obszarach. Dodatkową kwestią było uwzględnienie różnych rozmiarów i typów ciała, prędkości pływania i zachowań ławicowych. Autonomiczne rozwiązanie optyczno-akustyczne SYMBIOSIS działa niezależnie, oszczędzając energię przez okres do 3 miesięcy dzięki zastosowaniu konstrukcji opartej na łańcuchu progresywnych kroków. System okresowo wysyła krótki, wąskopasmowy podwodny sygnał akustyczny. W wyniku przetwarzania sygnału sieć neuronowa wyłapuje wszelkie pogłosy, wskazując możliwe ruchome cele. W przypadku wykrycia celu emitowanych jest 20 szerokopasmowych sygnałów, których pogłos analizowany jest za pomocą połączenia programowania dynamicznego i technik uczenia maszynowego. W promieniu wykrywania obejmującym do 500 m narzędzia te weryfikują, czy ruchomy cel jest rybą, obliczają jego rozmiar oraz szacują jego położenie i trajektorię. Jeśli cele płyną w kierunku zacumowanego urządzenia SYMBIOSIS, uruchamiane są liczne kamery i stroboskopy, aby wykonać zdjęcia potrzebne do wykrycia i klasyfikacji za pomocą sieci neuronowej. Informacje na temat liczby, wielkości i gatunku ryb są poddawane kompresji i przesyłane na brzeg za pomocą łączy akustycznych i radiowych. Każdy element systemu został poddany oddzielnym testom w ramach ponad 50 eksperymentów morskich. Prototyp przeszedł 10 eksperymentów morskich, po czym zastosowano go w 3 lokalizacjach testowych: przez miesiąc znajdował się pod boją powierzchniową w wodach przybrzeżnych Morza Śródziemnego na głębokości 125 m, dwa dni w obszarze przybrzeżnym Morza Śródziemnego na głębokości 1 400 m i dwa tygodnie w płytkich wodach rafy w Morzu Czerwonym. Chociaż urządzenie opracowane w ramach projektu SYMBIOSIS osiągnęło większość założonych celów, nie było w stanie klasyfikować ryb na podstawie ich sygnatury akustycznej. Aby to umożliwić, zespół pracuje obecnie nad większą bazą danych obejmującą sygnały akustyczne pochodzące od różnych ryb, a także nowymi algorytmami pozwalającymi na uwzględnienie większej różnorodności. „Niemniej jednak eksperymenty te wykazały potencjał systemu w zakresie dokładności wykrywania i jego zdolność do autonomicznej pracy przez długi czas”, wyjaśnia Diamant.

Modułowa konstrukcja

System SYMBIOSIS ma modułową budowę, co zapewnia jego elastyczność i możliwość adaptacji. Podzespoły hydroakustyczne stworzone przez firmę Evologics, takie jak system pozycjonowania akustycznego o ultrakrótkiej linii bazowej, są obecnie w produkcji przeznaczonej na rynek. Demonstracje produktu i działania sprzedażowe już trwają, przy czym wciąż prowadzone są prace nad dalszym rozwojem podzespołów optycznych. Aby zwiększyć atrakcyjność rynkową systemu zostanie on pomniejszony. Dalsze ulepszenia obejmą poprawę efektywności energetycznej i zwiększenie wydajności sieci neuronowych.

Słowa kluczowe

SYMBIOSIS, ryby, akustyka, uczenie maszynowe, Morze Śródziemne, zasoby, rybołówstwo, siedlisko, zanieczyszczenie, kamera, sygnał

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania