The use of echosounder tools for fish detection in the North Sea

Yves De Blick Klaas Deneudt
Deze thesis heeft als doel een uitgebreid en verhelderend document te vormen, dat gebruikt kan worden als handleiding binnen de algemene processen van hydro-akoestiek in het mariene biologische visserijonderzoek in het Belgische deel van de Noordzee (BPNS). Om dit te bereiken is een diepgaande inleiding gegeven in de algemene principes van hydro-akoestiek samen met een overzicht van drie verschillende actieve sonar instrumenten. Daarbovenop omvat deze thesis een gedetailleerde beschrijving van drie echosounder toestellen, hun eigenschappen en hun toepassingsmogelijkheden voor waterkolom studies en een data exploratie, verwerking en analyse van verschillende echosounder waterkolom datatypes voor gedecteerde vis doelwitten.

Sorry visjes, gedaan met jullie te verbergen

door Yves De Blick, Master of Science in Biology – Global Change Ecology

 

Een smaakvolle kabeljauwfilet of zo’n verse met boter gebakken zeetong, om te smullen zal je wel denken. Jammer genoeg zijn ze met niet zo veel meer als vroeger. De chef-koks? Neen, de vissen in onze Noordzee. De hoeveelheid vis in de Noordzee is er sterk op achteruit gegaan de laatste decenia. We eten nu eenmaal graag vis, zou je kunnen stellen. Toch is er meer aan de hand. Wetenschappers doen al jaar en dag al het mogelijke om een duurzame visvangst te garanderen, zodat ook onze kinderen, kleinkinderen en achterkleinkinderen nog een stukje lokale vis op hun bord kunnen krijgen. Je weet wel, voor die essentiële vetzuren waar ons lichaam zo naar snakt. Toch zijn de visbestanden van enkele soorten in de Noordzee nog helemaal niet hersteld. De tijd is dus gekomen om de koe bij de horens te vatten, of de vis bij z’n… kieuwen?

 

Dolfijnen en walvissen

Zijn het dan de walvisachtigen die al onze vis opeten? Neen, van deze dieren hebben we niets te vrezen. In tegendeel, ze hebben ons iets geleerd. Ze gebruiken namelijk geluid om onder water hun prooi op te zoeken. Dit doet bijvoorbeeld een dolfijn door een geluidssignaal uit te zenden, dat voortbeweegt in het water aan een snelheid 10 keer zo snel als in de lucht. Wanneer dit signaal op een prooi, zoals een vis, botst, zal het signaal reflecteren en deels terugkeren naar de dolfijn. Dit noemen we een echo. Dankzij dit signaal kan de dolfijn precies weten waar en op welke afstand de prooi zich bevindt, zonder deze effectief te zien. Dit proces kennen we ook wel als echolocatie.

Voel je het al aankomen? Wat als we deze twee verhalen nu eens samen gooien. Wat als we nu eens die knappe techniek van de dolfijn gebruiken om de vissen waar te nemen zonder ze effectief te zien of te vangen.

 

Vis vangen om ze te beschermen

Het klinkt tegenstrijdig maar toch is het nodig. Om te weten hoeveel vis er in onze zee zwemt, moeten we de vissen vangen, identificeren en tellen. Niet iedere vis is echter even gewillig om een rustpauze te nemen op het dek van de vissersboot. Sommige zijn echte atleten, die zo weer uit de netten zwemmen. Andere zijn echte bollebozen die de vissersboot al van ver herkennen en snel vluchten ver weg van die ‘vreselijke wetenschappers’ vandaan. Toch willen we graag alle vissen tellen, om ook de atleten en bollebozen onder de vissen te kunnen beschermen.

Een sonartoestel doet net hetzelfde als de dolfijn. Het gebruikt echolocatie om objecten in het water op te merken en deze weer te geven als een signaal op een monitor. Door deze technologie te gebruiken in het visserijonderzoek wordt het dus mogelijk om iedere vis die in het zoekgebied van de vissersboot zwemt, op te merken en te registreren. In de visserij gebruiken ze dit natuurlijk al lang, een technologische viszoeker. Wat de vissers willen weten is waar de vissen zitten en hoe groot de school is, om in een snelle tijd al de gewenste aantallen binnen te halen. Wetenschappers, daarentegen, willen ook weten welke soort vis dit is en met exact hoeveel ze zijn. Om dit te weten te komen moet er gebruik gemaakt worden van een geijkt sonartoestel.

 

Wetenschappelijk sonartoestel

visuele weergave van de gedetecteerde echo's door het echosounder toestel.

Tot nu toe is er nog geen visserijonderzoek lopende in België dat gebruik maakt van deze wetenschappelijke geijkte sonartoestellen. Het onderzoek verloopt dus nog steeds op de traditionele manier van visvangst, terwijl in andere landen zoals Nederland, Frankrijk, het Verenigd Koninkrijk en Noorwegen deze technologie wel al in gebruik is. Om het Belgisch visserijonderzoek op te waarderen met de hedendaagse technologische mogelijkheden, is dus een ingebruikname van een wetenschappelijk sonartoestel vereist. Om dit mogelijk te maken is gedurende het project een handleiding opgesteld die enerzijds het theoretische aspect van sonar voor visdetectie uitlegt en anderzijds een marktanalyse omvat waarin de potentiële wetenschappelijke sonartoestellen en de lopende onderzoeken van onze buurlanden bestudeerd zijn. Bijkomend is een grote databank aan waterkolom opnames verzameld die allen geanalyseerd zijn voor detectie kwaliteit. Hierbij zijn de verkregen echo’s individueel bekeken en geïnterpreteerd. Deze studie, in opdracht van de Universiteit Gent en het Vlaams Instituut voor de Zee (VLIZ), heeft aangetoond dat het gebruik van een wetenschappelijk sonartoestel voor visdetectie mogelijk is in het Belgische deel van de Noordzee. Toch zijn er factoren die voor problemen zorgen. Zo heeft de Noordzee een moeilijk karakter. Stevige golven en een sterke stroming zijn geen uitzondering. Het bewegende water kan de zeebodem stevig omwoelen waardoor zandkorrels en andere deeltjes in de waterkolom zweven en de geluidssignalen kunnen verstoren.

 

Technologie staat niet stil

Vandaag weten we meer dan gisteren en morgen zullen we weer meer weten dan vandaag. De technologische vooruitgang neemt steeds toe, ook in de ontwikkeling van wetenschappelijke sonartoestellen. Het eerste toestel, dat gebruik maakt van meerdere zenders die tegelijkertijd een signaal kunnen uitzenden, bestaat minder dan 10 jaar. Deze tak van het visserijonderzoek staat dus nog in z’n kinderschoenen. Dit project heeft al een eerste verkenning uitgevoerd die heeft aangetoond dat dit een piste is die we verder kunnen bewandelen. Verder onderzoek, samen met verscheidene tests, zullen uiteindelijk leiden tot de selectie van het juiste toestel voor ons Belgisch deel van de Noordzee. Dan is het zover. Dan moeten we ons excuseren bij de vissen, want: sorry visjes, gedaan met jullie te verbergen.

Bibliografie

Anderson, J. T., Van Holliday, D., Kloser, R., Reid, D. G., & Simard, Y. (2008). Acoustic seabed classification : current practice and future directions. ICES Journal of Marine Science, 65, 1004–1011.

Berger, L., Durand, C., & Marchalot, C. (2002). Movies + software: User Manual (version 4.1).

BioSonics Inc. (n.d.). BioSonics Visual Acquisition DT-X software: User Guide.

BioSonics Inc. (2004). Calibration of BioSonics Digital Scientific Echosounder using T / C calibration spheres.

BioSonics Inc. (2013a). Advanced Digital Hydroacoustics - DT4 Data File Format Specifications.

BioSonics Inc. (2013b). BioSonics Visual Acquisition DT-X software: User Guide.

BioSonics Inc. (2015). BioSonics DT-X Portable Scientific Echosounder - Technical Specifications and Features.

Cato, D. H., Noad, M. J., & McCauley, R. D. (2005). Passive acoustics as a key to the study of marine animals. In Passive acoustics (pp. 411–429).

Chapman, C. J., & Sand, O. (1974). Field studies of hearing in two species of flatfish Pleuronectes platessa and Limanda limanda. Comp. Biochem. Physiol., 47(A), 371–385.

Damen Maaskant_Shipyards. (n.d.). RV Tridens: Technical adjustments to drop keel: lowering system for transducer. Retrieved from http://www.maaskant-shipyards.nl/nl-nl/news/2015/03/high_tech_metamorph…

Doray, M., Mahevas, S., & Trenkel, V. M. (2010). Estimating gear efficiency in a combined acoustic and trawl survey , with reference to the spatial distribution of demersal fish. ICES Journal of Marine Science, 67, 668–676.

Doray, M., Masse, J., & Petitgas, P. (2010). Pelagic fish stock assessment by acoustic methods at Ifremer.

DOSITS.org. (n.d.). DOSITS- Discovery of Sounds in the Sea - Sound movement. Retrieved from http://www.dosits.org/science/soundmovement/soundweaker/absorption/

Echoview_support. (n.d.-a). Echoview Help file 7.0.31: About transmitted pulses. Retrieved from http://support.echoview.com/WebHelp/Data_Processing/About_transmitted_p…

Echoview_support. (n.d.-b). Echoview Support Glossary. Retrieved from http://support.echoview.com/WebHelp/Reference/Glossary.htm

Echoview_support. (n.d.-c). Echoview WebHelp: File formats: Kongsberg echosounders data files. Retrieved from http://support.echoview.com/WebHelp/Reference/File_formats/Kongsberg_da…

EIFAC/CEN workshop experts. (2014). Water Quality - guidance on the estimation of fish abundance with mobile hydroacoustic methods.

Eisma, D., & Kalf, J. (1979). Distribution and particle size of suspended matter in the Southern bight of the North Sea and the Eastern Channel. Netherlands Journal of Sea Research, 13(2), 298–324.

Fässler, S. (2011). IMARES Cruise report: hydroacoustic survey for blue whiting (Micromesistius poutassou).

Fernandes, P. G., Gerlotto, F., Holliday, D. V., Nakken, O., & Simmonds, E. J. (2002). Acoustic applications in fisheries science - the ICES contribution. ICES Marine Science Symposia, 215, 483–492.

Foote, K. G. (1980). Importance of the swimbladder in acoustic scattering by fish: A comparison of gadoid and mackerel target strenghts. Journal of Acoustic Society America, 67, 2084–2089.

Foote, K. G. (2006). Optimizing Two Targets for Calibrating a Broadband Multibeam Sonar. In OCEANS 2006 (pp. 1–4).

Foote, K. G., & MacLennan, D. N. (1984). Comparison of copper and tungsten carbide calibration spheres In the computation the. Journal of Acoustic Society America, 75(2), 612–616.

Gauthier, S., & Horne, J. K. (2004). Acoustic characteristics of forage fish species in the Gulf of Alaska and Bering Sea based on Kirchhoff-approximation models. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 61, 1839–1850. http://doi.org/10.1139/F04-117

Gerlotto, F., Soria, M., & Fréon, P. (1999). From two dimensions to three : the use of multibeam sonar for a new approach in fisheries acoustics. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 56, 6–12.

Gordo, L. S. (2009). Black scabbardfish ( Aphanopus carbo Lowe , 1839 ) in the southern Northeast Atlantic : considerations on its fishery. Scienta Marina, 73(2), 11–16. http://doi.org/10.3989/scimar.2009.73s2011

Gracey and associates. (n.d.). Acoustic glossary: sound fields. Retrieved from http://www.acoustic-glossary.co.uk/sound-fields.htm

Graham, N., Jones, E. G., & Reid, D. G. (2004). Review of technological advances for the study of fish behaviour in relation to demersal fishing trawls. ICES Journal of Marine Science, 61, 1036–1043. http://doi.org/10.1016/j.icesjms.2004.06.006

Hannachi, M. S., Ben Abdallah, L., & Marrakchi, O. (2005). Acoustic identification of small-pelagic fish species: target strength analysis and school descriptor classification. MedSudMed Technical Documents, (5), 90–99.

Hansen, C. H. (1994). Fundamentals of acoustics.

Hildebrand, J. A. (2009). Anthropogenic and natural sources of ambient noise in the ocean. Mar Ecol Prog Ser, 395, 5–20. http://doi.org/10.3354/meps08353

Horne, J. K. (2000). Acoustic approaches to remote species identi ® cation : a review. Fish. Oceanogr, 9(4), 356–371.

Horne, J. K. (2000). Acoustic approaches to remote species identification : a review. Fish. Oceanogr, 9(4), 356–371.

Howell, W. H. (2008). Development of multi-beam sonar as a fisheries tool for stock assessment and essential fish habitat identification of groundfish in the Western Gulf of Maine.

HTI_Sonar. (2012). HTI Model 244: Technical Specifications.

Huntley, M. E., & Zhou, M. (2004). Influence of animals on turbulence in the sea. Marine Ecology Progress Series, 273, 65–79.

IXBlue. (2013). IXBlue SeaPix: Product description (V6).

IXBlue. (2016). IXBlue SeaPix: Fishery 3D sonar for Ecosystem assessment.

Jech, J. M., Chu, D., Foote, K. G., Hammar, T. R., & Hufnagle, L. C. (2003). Calibrating two scientific echo sounders.

Johannesson, K. A., & Mitson, R. B. (1983). Fisheries Acoustics - A Practical Manual for Aquatic Biomass Estimation.

Jørgensen, R. (2003). The effects of swimbladder size , condition and gonads on the acoustic target strength of mature capelin. ICES Journal of Marine Science, 60, 1056–1062. http://doi.org/10.1016/S1054

Kongsberg_Maritime. (2013). SIS (Seafloor Information System): Operator Manual.

Kongsberg_Maritime. (2015a). Kongsberg EA 600: Technical Specifications.

Kongsberg_Maritime. (2015b). Kongsberg EM 2040: Technical Specifications.

Kongsberg_Maritime. (2015c). Kongsberg EM 3002D: Technical Specifications.

Koslow, J. A. (2009). The role of acoustics in ecosystem-based fishery management. ICES Journal of Marine Science, 1–8.

L3_Communications. (2000a). Multibeam Sonar: Theory of Operation.

L3_Communications. (2000b). SEA BEAM 1180 - MULTIBEAM SONAR: Technical Specifications.

Mackinson, S., van der Kooij, J., & Neville, S. (2005). The fuzzy relationship between trawl and acoustic surveys in the North Sea. ICES Journal of Marine Science, 62, 1556–1575. http://doi.org/10.1016/j.icesjms.2005.06.007

Mallefet, J., Zintzen, V., Massin, C., Norro, A., Vincx, M., DeMaersschalck, C., … Cattrijsse, A. (2008). Belgian shipwreck: hotspots for marine biodiversity (BEWREMABI). Belgian Science Policy, 155.

Manik, H. M., Mamun, A., & Hestirianoto, T. (2014). Computation of Single Beam Echo Sounder Signal for Underwater Objects Detection and Quantification. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 5(5), 94–97.

Mayer, L., Li, Y., & Melvin, G. (2002). 3D visualization for pelagic fisheries research and assessment, 216–225. http://doi.org/10.1006/jmsc.2001.1125

Mcinnes, A. M., Khoosal, A., Murrell, B., Merkle, D., & Lacerda, M. (2015). Recreational Fish-Finders—An Inexpensive Alternative to Scientific Echo-Sounders for Unravelling the Links between Marine Top Predators and Their Prey. PLoS ONE, 10(11), 1–18. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0140936

Mcquinn, I. H., Simard, Y., Stroud, T. W. F., Beaulieu, J. L., & Walsh, S. J. (2005). An adaptive , integrated “‘ acoustic-trawl ’” survey design for Atlantic cod ( Gadus morhua ) with estimation of the acoustic and trawl dead zones. ICES Journal of Marine Science, 62, 93–106. http://doi.org/10.1016/j.icesjms.2004.06.023

Medwin, H. (2005). Sounds in the Sea: From Ocean Acoustics to Acoustical Oceanography. In Cambridge University Press (p. 624).

Mello, L. G. S., & Rose, G. A. (2009). The acoustic dead zone : theoretical vs . empirical estimates , and its effect on density measurements of semi-demersal fish. ICES, 66, 1364–1369.

Melvin, G., & Cochrane, N. (2015). Multibeam Acoustic Detection of Fish and Water Column Targets at High-Flow Sites. Estuaries and Coasts, 38, 227–240. http://doi.org/10.1007/s12237-014-9828-z

Mitson, R. B., & Knudsen, H. P. (2003). Causes and effects of underwater noise on fish abundance estimation. Aquatic Living Resources, 16, 255–263. http://doi.org/10.1016/S0990-7440(03)00021-4

Moline, M. A., Benoit-Bird, K., O’Gorman, D., & Robbins, I. C. (2015). Integration of Scientific Echo Sounders with an Adaptable Autonomous Vehicle to Extend Our Understanding of Animals from the Surface to the Bathypelagic. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 32, 2173–2186. http://doi.org/10.1175/JTECH-D-15-0035.1

Mosca, F., Matte, G., Lerda, O., Naud, F., Charlot, D., Rioblanc, M., & Corbières, C. (2015). Scientific potential of a new 3D multibeam echosounder for fisheries. Fisheries Research.

MUMM. (2006). RV Belgica technical specifications.

ODNature. (n.d.). RV Belgica - ODNature Webpage. Retrieved from https://odnature.naturalsciences.be/belgica/nl/

Ona, E., Mazauric, V., & Andersen, L. N. (2009). Calibration methods for two scientific multibeam systems. ICES Journal of Marine Science, 66, 1326–1334.

Ona, E., & Mitson, R. B. (1996). Acoustic sampling and signal processing near the seabed : the deadzone revisited. ICES Journal of Marine Science, 53, 677–690.

Onsrud, M. S. R., Kaartvedt, S., Røstad, A., & Klevjer, T. A. (2004). Vertical distribution and feeding patterns in fish foraging on the krill Meganyctiphanes norvegica. ICES Journal of Marine Science, 61, 1287–1290. http://doi.org/10.1016/j.icesjms.2004.09.005

Oslo_University. (n.d.). Lecture (0830-1000): Echosounder basics: Analysing data. Retrieved from https://folk.uio.no/

Parker Stetter, S. L., Rudstam, L. G., Stritzel Thomson, J. L., & Parrish, D. L. (2006). Hydroacoustic separation of rainbow smelt (Osmerus mordax) age groups in Lake Champlain. Fisheries Research, 82, 176–185. http://doi.org/10.1016/j.fishres.2006.06.014

Parker-Stetter, S. L., Rudstam, L. G., Sullivan, P. J., & Warner, D. M. (2009). Standard Operating Procedures for Fisheries Acoustic Surveys in the Great Lakes: Special Publication. Great Lakes Fish. Comm. Spec. Pub., 9(1), 180.

Parsons, M. J. G., Parnum, I. M., & Mccauley, R. D. (2013). Quantifying the acoustic packing density of fish schools with a multibeam sonar. Acoustics Australia, 41(1), 107–112.

Popper, A. N., & Carson, T. J. (1998). Application of Sound and Other Stimuli to Control Fish Behavior. Transactions of the American Fisheries Society, 127(5), 673–707.

QPS. (n.d.). Kongsberg EM2040 dual head MBES: Calibration. Retrieved from https://confluence.qps.nl/display/KBE/Kongsberg+EM2040+Dual+Head+Calibr…

QPS, & SAAB. (2015). QPS Fledermaus: Reference Manual.

Reubens, J. T., Degraer, S., & Vincx, M. (2011). Aggregation and feeding behaviour of pouting ( Trisopterus luscus ) at wind turbines in the Belgian part of the North Sea. Fisheries Research, 108, 223–227. http://doi.org/10.1016/j.fishres.2010.11.025

Roberts, J. M., Brown, C. J., Long, D., & Bates, C. R. (2005). Acoustic mapping using a multibeam echosounder reveals cold-water coral reefs and surrounding habitats. Coral Reefs, 24, 654–669. http://doi.org/10.1007/s00338-005-0049-6

Sabol, B. M., Melton, R. E., Chamberlain, R., Doering, P., & Haunert, K. (2002). Evaluation of a Digital Echo Sounder System for Detection of Submersed Aquatic Vegetation. Estuaries, 25(1), 133–141.

Scalabrin, C., Marfia, C., & Boucher, J. (2009). How much fish is hidden in the surface and bottom acoustic blind zones ? ICES Journal of Marine Science, 66, 1355–1363.

Simmonds, E. J., & MacLennan, D. (2006). Fisheries Acoustics: Theory and Practise, 2nd edn (The second). Blackwell Publishin.

Simmonds, E. J., Williamson, N. J., Gerlotto, F., & Aglen, A. (1992). Acoustic Survey Design and Analysis Procedure: A comprehensive reviewu of current practice. ICES Cooperative Research Report.

SIMRAD. (n.d.). Simrad EK60: Technical Specifications. Retrieved from https://www.simrad.com/ek60

SIMRAD. (2015a). Simrad EK15: Technical Specifications.

SIMRAD. (2015b). Simrad ME70: Technical Specifications.

Stanton, T. K., Chu, D., & Wiebe, P. H. (1996). Acoustic scattering characteristics of several zooplankton groups. ICES Journal of Marine Science, 53, 289–295.

Thomas, J. A., Moss, C. F., & Vater, M. (2004). Echolocation in Bats and Dolphins. The University of Chicago Press.

Trenkel, V. M., Mazauric, V., & Berger, L. (2008). The new fisheries multibeam echosounder ME70 : description and expected contribution to fisheries research. ICES Journal of Marine Science, 65, 645–655.

Vandermeulen, H. (2011). An Echosounder System Ground-Truthed By Towfish Data : A Method To Map Larger Nearshore Areas Canadian Technical Report of Fisheries and Aquatic Sciences 2958.

VLIZ. (n.d.). RV Simon Stevin - VLIZ webpage. Retrieved from http://www.vliz.be/nl/rv-simon-stevin

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Biology - Global Change Ecology
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Dr. Jan Reubens
Kernwoorden
Share this on: