劉慧杰 王從鋒，2 劉德富 陳明明 朱良康

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.湖北工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068）

隨著水利工程的大規(guī)模修建，導(dǎo)致連續(xù)、開(kāi)放水體在信息傳遞、物質(zhì)循環(huán)等方面發(fā)生一系列變化，河流連續(xù)性、魚(yú)類(lèi)個(gè)體生存環(huán)境遭到破壞，最終對(duì)生態(tài)環(huán)境和魚(yú)類(lèi)資源產(chǎn)生不可逆影響.為了緩解生態(tài)環(huán)境及魚(yú)類(lèi)資源面臨的各種危機(jī)，修建過(guò)魚(yú)設(shè)施、對(duì)魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查等十分必要.聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得聲學(xué)探測(cè)在水下領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，并且越來(lái)越多的應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)資源保護(hù)、魚(yú)類(lèi)資源定量評(píng)估等.20世紀(jì)二三十年代國(guó)外就已經(jīng)將聲學(xué)儀器運(yùn)用到水下資源調(diào)查.1924年P(guān)otier等［1］提出了將聲學(xué)設(shè)備運(yùn)用到漁業(yè)資源調(diào)查，Kimura等［2］在1929年成功利用聲學(xué)儀器探測(cè)到魚(yú)類(lèi).如今應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查的聲學(xué)儀器種類(lèi)越來(lái)越多，回聲探測(cè)儀（也稱(chēng)魚(yú)探儀）作為應(yīng)用廣泛具有代表性的水聲學(xué)探測(cè)儀器在其中具有重要地位［3］.近幾年，又出現(xiàn)了雙頻識(shí)別聲吶DIDSON（Dual－frequency Identification Sonar）.

回聲探測(cè)儀是目前該領(lǐng)域最先進(jìn)的水聲學(xué)儀器之一［4］，自20世紀(jì)80年代引入國(guó)內(nèi)到現(xiàn)在為止，被廣泛用于海洋、內(nèi)陸水域魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀的調(diào)查.利用回聲探測(cè)儀評(píng)估魚(yú)類(lèi)資源量主要有兩種方法：回波積分法（Echo Integration）和回波計(jì)數(shù)法.回波積分法即對(duì)取樣單位區(qū)域魚(yú)群回聲強(qiáng)度進(jìn)行積分，得到積分值，除以單個(gè)個(gè)體目標(biāo)強(qiáng)度，得到魚(yú)類(lèi)個(gè)體數(shù).目標(biāo)強(qiáng)度（Target Strength，TS）是定量描述目標(biāo)反射聲波能力強(qiáng)弱的物理量.魚(yú)類(lèi)目標(biāo)強(qiáng)度受多重因素影響，隨著魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)、種類(lèi)、超聲波頻率及魚(yú)體游泳指標(biāo)等因素的變化而變化.江河水體魚(yú)類(lèi)品種繁多，魚(yú)體平均目標(biāo)強(qiáng)度的確定更為復(fù)雜［5－9］.內(nèi)陸水體水生境的復(fù)雜性，加大了分層拖網(wǎng)進(jìn)行魚(yú)類(lèi)取樣的難度，影響積分分配的判定，難以得到目標(biāo)強(qiáng)度與魚(yú)體體長(zhǎng)準(zhǔn)確換算關(guān)系式.如果魚(yú)類(lèi)以個(gè)體形式呈散點(diǎn)分布，密度足夠低，則通過(guò)聲學(xué)儀器直接進(jìn)行個(gè)體回波計(jì)數(shù)，將結(jié)果除以掃描水域的體積，求得該區(qū)域平均分布密度，進(jìn)而得到整個(gè)調(diào)查區(qū)域的魚(yú)類(lèi)豐富度.近年來(lái)，我國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)利用回聲探測(cè)儀進(jìn)行了多次水聲學(xué)探測(cè)研究.2006年譚細(xì)暢等［10］利用EY60回聲探測(cè)儀評(píng)估青海湖魚(yú)類(lèi)資源，使用Sonar5軟件轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示儀器參數(shù)設(shè)置不同，信號(hào)過(guò)濾質(zhì)量及可識(shí)別的魚(yú)體數(shù)目有明顯差異.王崇瑞等［11］于2010年采用BioSonics DT－X超聲波回聲儀對(duì)青海湖裸鯉資源量及其空間分布進(jìn)行水聲學(xué)調(diào)查，指出由于缺少青海湖裸鯉TS值與體長(zhǎng)之間的精確換算公式，僅依靠其他魚(yú)類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)體長(zhǎng)換算公式，使得對(duì)魚(yú)類(lèi)資源量及種群體長(zhǎng)分布的評(píng)估與實(shí)際情況存在差異.

雙頻識(shí)別聲吶DIDSON是目前唯一運(yùn)用聲頻“鏡頭”的高清晰度聲吶，能夠在黑暗渾濁水體中生成相當(dāng)于視頻質(zhì)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖像.2004年，經(jīng)美國(guó)國(guó)務(wù)院同意DIDSON由軍用轉(zhuǎn)為民用.雙頻識(shí)別聲吶DIDISON作為區(qū)別于回聲探測(cè)儀的水聲學(xué)探測(cè)儀器，對(duì)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接得到個(gè)體數(shù)、體長(zhǎng)和魚(yú)類(lèi)所處深度等.Maxwell等［12］利用DIDSON對(duì)洄游性大馬哈魚(yú)進(jìn)行計(jì)數(shù)，識(shí)別魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng).Petreman和Jones等［13］在特定時(shí)間內(nèi)對(duì)同一斷面魚(yú)類(lèi)上下行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將DIDSON探測(cè)數(shù)據(jù)與人工計(jì)數(shù)情況進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果顯示DIDSON在探測(cè)過(guò)程中具有很高的精確性，在能見(jiàn)度低的水域中更有優(yōu)勢(shì).隨著DIDSON功能的不斷完善，其在魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查過(guò)程中的應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越廣泛.本文闡述了DIDSON的工作原理，對(duì)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用領(lǐng)域及現(xiàn)狀加以介紹，從魚(yú)類(lèi)資源評(píng)估、體長(zhǎng)及種類(lèi)鑒別3個(gè)方面探討DIDSON應(yīng)用過(guò)程中的影響因素，并提出改進(jìn)方法，旨在為今后DIDSON更好地應(yīng)用提供參考.

1 DIDSON工作原理

1.1 DIDSON回聲探測(cè)系統(tǒng)

DIDSON有兩組頻率模式，一組是標(biāo)準(zhǔn)型：1.1 MHz和1.8MHz，另一組是長(zhǎng)距型：0.7MHz和1.2 MHz.標(biāo)準(zhǔn)型雙頻識(shí)別聲吶可在1～40m范圍內(nèi)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，保證觀測(cè)范圍內(nèi)圖像清晰度.長(zhǎng)距型的成像分辨率較低，成像范圍從1m到80m.標(biāo)準(zhǔn)型和長(zhǎng)距型在使用方法上基本相同，下文的相關(guān)介紹以標(biāo)準(zhǔn)型為例.

表1 波束寬度及數(shù)量

表2 標(biāo)準(zhǔn)型雙頻識(shí)別聲吶主要特性

1.2 DIDSON成像特點(diǎn)

雙頻識(shí)別聲吶具有聲學(xué)透鏡，通過(guò)透鏡將聲波壓縮匯聚，形成狹窄波束，可以得到高清的二維圖像.使用聲學(xué)透鏡有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，第一不需要消耗能量，其工作在30W功率下就可進(jìn)行，第二是容易發(fā)射和接收同一個(gè)波束，不會(huì)與其他波束相混淆.運(yùn)用雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)物體時(shí)，需要根據(jù)物體與儀器的距離調(diào)整好雙頻識(shí)別聲吶的位置和角度，保證物體在雙頻識(shí)別聲吶的探測(cè)視野范圍以內(nèi).對(duì)于同一目標(biāo)物，探測(cè)角度不同，呈現(xiàn)的圖像可能有較大差異.以圖1為例，聲吶探測(cè)形式如圖1（a）所示，換能器在距離海底1m的深處，與水平方向呈15°進(jìn)行觀察，發(fā)射的波束覆蓋海底兩個(gè)目標(biāo)物，回波包含目標(biāo)物的大小、距離和方位信息.圖1（b）是成像示意圖，圖像中顯示的效果如同從上往下的監(jiān)測(cè)視野.發(fā)射的波束會(huì)被物體所阻擋導(dǎo)致物體后面沒(méi)有回波信號(hào)，這樣會(huì)形成“聲影區(qū)”.如果回波信號(hào)強(qiáng)，那么目標(biāo)物顯示在圖像上相對(duì)于海底就亮，反之圖像就顯得較暗.

圖1 DIDSON傾斜和成像范圍

當(dāng)聲吶位置和目標(biāo)物體位置一定的時(shí)候，調(diào)整聲吶的角度可以調(diào)整雙頻識(shí)別聲吶的成像范圍.當(dāng)聲吶的角度越傾斜，其所能探測(cè)到的視野就越小，所成圖像越來(lái)越小，最后顯示范圍也會(huì)縮小.圖2（a）雙頻識(shí)別聲吶的觀察角度比圖1（a）更為陡峭，波束只能覆蓋海底很小的一部分區(qū)域.圖2（b）為成像的示意圖，在這種條件下圖像呈現(xiàn)效果不佳，因?yàn)橐环矫娌ㄊ采w區(qū)域小，另一方面海底回波信號(hào)較強(qiáng)，目標(biāo)物不易從背景中識(shí)別.因此在圖1（a）所示的條件下，物體比較容易識(shí)別.

圖2 較大傾斜角度后DIDSON成像范圍

對(duì)于DIDSON，10m以內(nèi)的物體是以高頻探測(cè)，10m以外的物體是以低頻探測(cè).DIDSON要對(duì)10m處的目標(biāo)物形成一幀完整的畫(huà)面需要0.1s，對(duì)30m處的目標(biāo)物形成一幀完整的畫(huà)面需要0.15s.雙頻識(shí)別聲吶發(fā)射的波束之間有一定的間隔，這會(huì)使得安裝在移動(dòng)物體上或者所探測(cè)的目標(biāo)物在移動(dòng)的條件下，監(jiān)測(cè)過(guò)程中的圖像效果會(huì)受一定影響，會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀輪廓，當(dāng)相對(duì)移動(dòng)速度適中時(shí)，鋸齒狀現(xiàn)象會(huì)得到明顯的改善.

1.3 聲學(xué)圖像的處理

利用V5.25軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.在DIDSON采集生成文件的過(guò)程中，讀取魚(yú)類(lèi)的信息有兩種方式，一種是設(shè)備自動(dòng)識(shí)別，另一種是人工手動(dòng)甄選.在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)識(shí)別與人工手動(dòng)甄選結(jié)合，通過(guò)可視化界面觀察采樣數(shù)據(jù)，導(dǎo)出魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)，可以達(dá)到較好的魚(yú)類(lèi)數(shù)據(jù)處理效果.圖3為2014年4月份貴州省北盤(pán)江魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理顯示圖像，結(jié)果顯示有超出正常體長(zhǎng)的魚(yú)類(lèi)，可以判斷為錯(cuò)誤數(shù)據(jù).將自動(dòng)識(shí)別與人工手動(dòng)甄選相結(jié)合，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除.

圖3 DIDSON監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理顯示圖像

必須對(duì)監(jiān)測(cè)影像進(jìn)行一定的處理，才能將其顯示成所能識(shí)別的清晰圖像.這一過(guò)程包括：顏色模式、線性插值以及平滑去噪.雙頻識(shí)別聲吶采集的數(shù)據(jù)使用0到255表示的回波強(qiáng)度，要想顯示的圖像具有可視性，需要將不同的強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)成不同的顏色，在對(duì)圖像顏色處理時(shí)，要進(jìn)行顏色的混合，但要遵循一定的規(guī)則，即在不同的顏色模式下，對(duì)顏色進(jìn)行處理.

由于DIDSON數(shù)據(jù)以極坐標(biāo)的形式進(jìn)行采集，距離聲學(xué)鏡頭遠(yuǎn)的位置采樣點(diǎn)稀疏.將處理后的魚(yú)類(lèi)數(shù)據(jù)在surfer中插值，得到清晰地魚(yú)類(lèi)影像.

圖像的平滑處理過(guò)程，可以將水下聲吶采集數(shù)據(jù)時(shí)受噪聲影響的程度盡量減小.聲吶在采集目標(biāo)圖像和傳輸過(guò)程中，受到各種背景噪聲的影響，包括攝影儀器和處理電路產(chǎn)生的噪聲，水流天氣等造成的環(huán)境噪聲，以及魚(yú)類(lèi)等水下生物發(fā)出的生物噪聲，這些噪聲使得目標(biāo)對(duì)象在圖像中顯示模糊，所以對(duì)聲學(xué)圖像進(jìn)行去噪十分關(guān)鍵.

應(yīng)用高斯移動(dòng)平均自適應(yīng)背景去除法，公式如下：

式中，Th為噪音閾值，I（x，y）為圖像位置（x，y）中像素輝度；B（x，y）為圖像背景的平均輝度.通過(guò)公式（1）對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè).

為了避免軟件的重復(fù)計(jì)數(shù)，對(duì)魚(yú)類(lèi)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤.目前，針對(duì)目標(biāo)線性運(yùn)動(dòng)軌跡，跟蹤技術(shù)及理論發(fā)展較成熟.但魚(yú)類(lèi)個(gè)體活動(dòng)較靈活，有很高的瞬時(shí)加速度，運(yùn)動(dòng)軌跡不一定為線性運(yùn)動(dòng).所以，對(duì)于魚(yú)類(lèi)行為跟蹤計(jì)數(shù)功能有待進(jìn)一步研究.

2 DIDSON在魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查中的應(yīng)用

目前，利用水聲學(xué)評(píng)估魚(yú)類(lèi)資源已成為魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查的一個(gè)重要手段.國(guó)外運(yùn)用雙頻識(shí)別聲吶DIDSON進(jìn)行魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查與評(píng)估的方法逐漸成熟，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究仍處于探索階段.

2.1 國(guó)外概況

國(guó)外發(fā)揮DIDSON在魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)魚(yú)類(lèi)行為、魚(yú)類(lèi)資源分布、魚(yú)類(lèi)洄游等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此作為基礎(chǔ)對(duì)生態(tài)環(huán)境及魚(yú)類(lèi)資源保護(hù)提出建設(shè)性意見(jiàn)及保護(hù)措施.

1）監(jiān)測(cè)魚(yú)類(lèi)行為

通過(guò)雙頻識(shí)別聲吶DIDSON的探測(cè)，評(píng)估魚(yú)類(lèi)空間分布，比較密度差異，從而監(jiān)測(cè)魚(yú)類(lèi)行為.Becker等［14］利用DIDSON觀察魚(yú)類(lèi)在水底建筑物周?chē)奂闆r，探究人造光源對(duì)魚(yú)群覓食行為及聚集情況的影響程度，發(fā)現(xiàn)有光源存在時(shí)，較大食肉性魚(yú)類(lèi)有集群行為.Handegard等［15］對(duì)魚(yú)類(lèi)行為進(jìn)行觀察，研究魚(yú)類(lèi)生活習(xí)性與捕獲魚(yú)類(lèi)時(shí)節(jié)最優(yōu)關(guān)系.并且將DIDSON自動(dòng)計(jì)數(shù)功能與手動(dòng)計(jì)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，當(dāng)魚(yú)類(lèi)密度較低時(shí)，DIDSON計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性較高.

2）魚(yú)類(lèi)資源評(píng)估

漁業(yè)資源調(diào)查中，DIDSON多用于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，調(diào)查和評(píng)估特殊水動(dòng)力區(qū)域魚(yú)類(lèi)資源時(shí)空分布特征.國(guó)外運(yùn)用DIDSON較為成熟，走航式監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷突破.Able等［16］將DIDSON安裝在移動(dòng)設(shè)備上，對(duì)河口棲息地魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查.Han等［17］針對(duì)養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)魚(yú)類(lèi)轉(zhuǎn)移過(guò)程計(jì)數(shù)和體長(zhǎng)測(cè)量情況，基于DIDSON攝像功能，提出一種較為成熟的魚(yú)類(lèi)資源評(píng)估和體長(zhǎng)判定方法.Boswell等［18］利用DIDSON評(píng)估特定區(qū)域魚(yú)群資源，研究出精確高效的半自動(dòng)后期數(shù)據(jù)處理體系，不再完全依靠人工后期處理，對(duì)于探測(cè)魚(yú)類(lèi)的體長(zhǎng)、數(shù)量、游泳速度及魚(yú)類(lèi)的定位等有很好的應(yīng)用效果.穩(wěn)定的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)于DIDSON在魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查方面的應(yīng)用將會(huì)起到重要作用.

3）魚(yú)類(lèi)洄游

魚(yú)類(lèi)通過(guò)洄游變換棲息場(chǎng)所，擴(kuò)大對(duì)空間環(huán)境的利用，最大限度地提高種群存活、攝食、繁殖和避開(kāi)不良環(huán)境條件的能力，具有重要的生態(tài)學(xué)意義.2008～2011年Macnamara等［19］通過(guò)對(duì)歐洲鰻魚(yú)連年監(jiān)測(cè)，確定洄游運(yùn)動(dòng)規(guī)律、魚(yú)類(lèi)群體大小及可補(bǔ)資源量.Pavlov等［20］運(yùn)用DIDSON監(jiān)測(cè)鱒魚(yú)產(chǎn)卵性洄游，系統(tǒng)地分析魚(yú)類(lèi)洄游數(shù)量及體長(zhǎng)分布特征.為建設(shè)專(zhuān)門(mén)魚(yú)類(lèi)洄游過(guò)魚(yú)通道，Maxwell等［21］利用DIDSON對(duì)河底地形進(jìn)行探測(cè)，從而了解魚(yú)類(lèi)棲息地特征，保護(hù)瀕危魚(yú)類(lèi).

2.2 國(guó)內(nèi)概況

目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)雙頻識(shí)別聲吶DIDSON利用多為漁業(yè)資源的定量評(píng)估、探究魚(yú)類(lèi)行為與生態(tài)環(huán)境之間的影響等.

童劍鋒等［22－23］利用 DIDSON 對(duì)洄游性魚(yú)類(lèi)香魚(yú)進(jìn)行計(jì)數(shù)，提出對(duì)于體長(zhǎng)小于6cm魚(yú)類(lèi)計(jì)數(shù)的新方法，并且對(duì)雙頻識(shí)別聲吶的圖像處理在漁業(yè)資源應(yīng)用方面進(jìn)行了初步研究.2013年熊鋒等［24］利用DIDSON對(duì)葛洲壩船閘附近魚(yú)類(lèi)活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，探討船閘的運(yùn)行對(duì)魚(yú)類(lèi)活動(dòng)規(guī)律的影響情況，進(jìn)而為過(guò)魚(yú)設(shè)施與船閘的結(jié)合提供依據(jù).周家飛等［25］于2013年4月及6月份運(yùn)用DIDSON對(duì)葛洲壩下游近壩區(qū)魚(yú)類(lèi)資源總量及不同時(shí)空魚(yú)類(lèi)資源分布密度進(jìn)行調(diào)查，探究魚(yú)類(lèi)密度對(duì)水環(huán)境變化的響應(yīng)關(guān)系.

除了在魚(yú)類(lèi)方面的應(yīng)用，近兩年來(lái)DIDSON的應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展.為了對(duì)水工建筑物的水下病害情況進(jìn)行檢測(cè)，徐毅等［26］應(yīng)用DIDSON進(jìn)行觀測(cè).同樣，榮海北等［27］應(yīng)用DIDSON對(duì)三河船閘工程水下部分進(jìn)行探測(cè)，得到高清晰度的探測(cè)影像，為今后工程的進(jìn)一步維護(hù)提供基礎(chǔ)資料.

3 影響DIDSON在魚(yú)類(lèi)資源應(yīng)用過(guò)程中的因素

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究狀況，結(jié)合DIDSON實(shí)際操作應(yīng)用，筆者發(fā)現(xiàn)運(yùn)用DIDSON進(jìn)行魚(yú)類(lèi)資源定量評(píng)估、魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)判定及種類(lèi)鑒別時(shí)會(huì)受到一定因素的影響.體長(zhǎng)判定過(guò)程中，魚(yú)類(lèi)自身和DIDSON儀器性能為主要影響因素；魚(yú)類(lèi)資源定量評(píng)估時(shí)，外界環(huán)境因素占主導(dǎo)地位.

3.1 體長(zhǎng)

體長(zhǎng)具有重要的生物和生態(tài)學(xué)意義，通過(guò)體長(zhǎng)探測(cè)得出長(zhǎng)度頻率分布，分析魚(yú)類(lèi)年齡組成及生長(zhǎng)狀況，評(píng)估增殖放流效果、魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀，判斷種群年齡結(jié)構(gòu)合理性等.V5.25軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接得到魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)，探測(cè)結(jié)果受到魚(yú)類(lèi)與換能器之間距離、位于波束中的位置、魚(yú)類(lèi)自身結(jié)構(gòu)等因素的影響.就DIDSON本身而言，換能器發(fā)射的波束中心與波束邊緣的強(qiáng)度不同也會(huì)造成影響［28］.張慧等［29］、Burwen等［30］利用DIDSON調(diào)查魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)，觀察魚(yú)類(lèi)游泳行為，指出游泳行為會(huì)造成體長(zhǎng)探測(cè)的明顯差異.魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)偏小時(shí)，探測(cè)結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)誤差.圖4為2013年8月份葛洲壩2號(hào)、3號(hào)船閘連續(xù)晝夜定點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，據(jù)走訪漁民得知該區(qū)域內(nèi)魚(yú)體體長(zhǎng)較小.分析數(shù)據(jù)顯示，體長(zhǎng)小于10cm魚(yú)類(lèi)個(gè)體所占比重不到10%，與實(shí)際魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)分布情況存在偏差.

圖4 葛洲壩2號(hào)、3號(hào)船閘連續(xù)晝夜定點(diǎn)監(jiān)測(cè)

魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)的確定依靠魚(yú)類(lèi)個(gè)體的回波強(qiáng)度值，由于周?chē)h(huán)境噪音的影響，建議設(shè)置動(dòng)態(tài)的閥值.對(duì)于探測(cè)到的體長(zhǎng)分布結(jié)構(gòu)與實(shí)際存在偏差的情況，提高DIDSON的信噪比，加強(qiáng)換能器分辨率，結(jié)合拖網(wǎng)調(diào)查取證估算各部分體長(zhǎng)所占比重.

3.2 定量評(píng)估

水電站的建設(shè)、魚(yú)類(lèi)棲息地退化和水質(zhì)問(wèn)題的惡化都使得洄游性魚(yú)類(lèi)的數(shù)量急劇下降、分布范圍縮小.一些洄游性珍稀魚(yú)類(lèi)受到威脅甚至遭到滅絕，它們具有非常重要的生態(tài)和社會(huì)性價(jià)值.對(duì)于洄游性魚(yú)類(lèi)數(shù)量和分布情況的調(diào)查刻不容緩.水體的高渾濁度、監(jiān)測(cè)水域的具體特性（河寬、海岸形狀等）、魚(yú)類(lèi)可捕量及魚(yú)類(lèi)密度都對(duì)DIDSON定量評(píng)估的準(zhǔn)確性具有一定的影響.回波信號(hào)也可能被環(huán)境所干擾，例如產(chǎn)生的氣泡、漂浮物，Bremher等［31］發(fā)現(xiàn)這些干擾都會(huì)影響來(lái)自魚(yú)體回波信號(hào)的接收，導(dǎo)致設(shè)備對(duì)魚(yú)體反射信號(hào)的錯(cuò)誤識(shí)別.Guillard等［32］在探究漁船對(duì)魚(yú)群行為影響的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)密度大小會(huì)對(duì)魚(yú)類(lèi)資源總量的評(píng)估準(zhǔn)確性造成影響.Cronkite等［33］用DIDSON評(píng)估成年大馬哈魚(yú)遷移數(shù)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)游泳速度影響DIDSON計(jì)數(shù)功能的準(zhǔn)確性.另外，當(dāng)魚(yú)類(lèi)重復(fù)在某個(gè)區(qū)域游動(dòng)時(shí)可能會(huì)造成DIDSON的重復(fù)計(jì)數(shù).

對(duì)生態(tài)監(jiān)測(cè)研究而言，雙頻識(shí)別聲吶DIDSON的重要性不容忽視，綜合考慮上述影響因素，在進(jìn)行魚(yú)類(lèi)資源定量評(píng)估時(shí)需注意以下幾個(gè)重要條件：1）魚(yú)類(lèi)需通過(guò)換能器發(fā)射的波束，這也就要求我們實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)注意監(jiān)測(cè)區(qū)域的全面性；2）魚(yú)類(lèi)積極單向的游動(dòng)；3）DIDSON進(jìn)行走航監(jiān)測(cè)時(shí)，需要確定合適的行船速度，合適的安裝方式等；4）規(guī)范操作流程，在監(jiān)測(cè)前向當(dāng)?shù)貪O民及該行業(yè)主管部門(mén)提前了解具體情況.

3.3 種類(lèi)鑒別

聲學(xué)探測(cè)方法最主要的限制是難以對(duì)魚(yú)的種類(lèi)進(jìn)行辨別.應(yīng)用DIDSON能否通過(guò)聲影識(shí)別魚(yú)類(lèi)呢？DIDSON提供了高質(zhì)量的影像資料，Horne等［34］經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅僅依靠DIDSON的成像技術(shù)直接對(duì)魚(yú)種進(jìn)行辨別是不可能的.通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到魚(yú)類(lèi)的遷移特性、生態(tài)和生物學(xué)特征可以間接判斷魚(yú)類(lèi)種類(lèi).海洋中聚集魚(yú)群多為單一物種，相比之下，江河水體中魚(yú)類(lèi)個(gè)體大小不一、魚(yú)群種類(lèi)多樣化，增加了利用DIDSON辨別物種的難度.很多學(xué)者都進(jìn)行了這方面的研究，結(jié)合拖網(wǎng)、垂釣等，綜合各種調(diào)查資料辨別魚(yú)類(lèi)物種，工作者自身對(duì)調(diào)查區(qū)域的了解程度也是非常重要的.

辨別種類(lèi)的手段正在開(kāi)發(fā)和優(yōu)化.Langkau等［35］進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)提取DIDSON監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析聲影圖像，對(duì)不同體長(zhǎng)的4種魚(yú)類(lèi)進(jìn)行辨別.Mueller等［36］在對(duì)鰻魚(yú)進(jìn)行識(shí)別過(guò)程中對(duì)于聲吶圖像的后期處理總結(jié)為4步：①圖像加工；②目標(biāo)跟蹤；③參數(shù)設(shè)置；④分類(lèi)辨別.每一種魚(yú)都存在特定擺尾頻率，一些研究中根據(jù)魚(yú)類(lèi)擺尾頻率進(jìn)行種類(lèi)辨別，在平穩(wěn)水流中可以通過(guò)回聲圖得出魚(yú)類(lèi)擺尾頻率.Mueller等［37］利用DIDSON探究?jī)煞N鮭魚(yú)的擺尾頻率，分別為1.0～2.0Hz、2.0～3.5Hz.目前為止，此種鑒別實(shí)驗(yàn)還未在開(kāi)放水體中進(jìn)行，有一定的局限性.但也為魚(yú)類(lèi)判別提供了新的研究方向.

4 改善措施及未來(lái)應(yīng)用展望

水生科學(xué)領(lǐng)域，利用DIDSON評(píng)估魚(yú)類(lèi)資源和種類(lèi)鑒別是一個(gè)相對(duì)比較新的手段.如今，DIDSON應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)行為觀察、漁業(yè)資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及漁業(yè)養(yǎng)殖等方面，特別針對(duì)存在較大支流的湖泊性水域調(diào)查洄游性魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀有其特殊優(yōu)勢(shì)：1）DIDSON接近光學(xué)性質(zhì)的探測(cè)影像，再現(xiàn)魚(yú)類(lèi)游泳行為，研究魚(yú)類(lèi)與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系；2）對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)計(jì)數(shù)，直接導(dǎo)出魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng)；3）利用DIDSON進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，觀察特殊水動(dòng)力區(qū)域魚(yú)類(lèi)聚集及上下行情況，從而為過(guò)魚(yú)設(shè)施的修建提供依據(jù)；4）通過(guò)圖像后期處理、聲影識(shí)別及擺尾頻率等，對(duì)特定區(qū)域研究對(duì)象種類(lèi)進(jìn)行鑒別.

4.1 改善措施

評(píng)估和調(diào)查魚(yú)類(lèi)資源過(guò)程中，DIDSON仍受環(huán)境及自身因素制約.今后的研究過(guò)程中，著重解決以下不足之處：

1）魚(yú)類(lèi)資源定量監(jiān)測(cè)過(guò)程中，魚(yú)群對(duì)船只的避讓行為導(dǎo)致定量評(píng)估出現(xiàn)誤差.針對(duì)此種情況，建議在走航過(guò)程中選用噪音較小或者無(wú)噪音設(shè)備攜帶DIDSON進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)搭載設(shè)備進(jìn)行研發(fā)，尋求更好的應(yīng)用方式.

2）雙頻識(shí)別聲吶DIDSON數(shù)據(jù)后處理過(guò)程中，背景去噪技術(shù)有待加強(qiáng)研究.當(dāng)前DIDSON數(shù)據(jù)后處理主要依靠人工進(jìn)行，工作量大且會(huì)造成一定的誤差，后期可通過(guò)對(duì)軟件二次開(kāi)發(fā)使數(shù)據(jù)處理程序參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)便化、一體化以及可視化，代替人工進(jìn)行排錯(cuò).

3）魚(yú)類(lèi)個(gè)體較小時(shí)，回聲信號(hào)較弱，容易受到環(huán)境噪聲的影響，不能正確完成計(jì)數(shù)功能.聲吶波束并非一起發(fā)射，魚(yú)類(lèi)自身存在游泳速度，引起設(shè)備不能正確識(shí)別一條魚(yú)的頭部和尾部，得到超出正常范圍的魚(yú)類(lèi)體長(zhǎng).對(duì)DIDSON進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，通過(guò)增加換能器的發(fā)射頻率及發(fā)射波束的數(shù)量提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

4）與回聲探測(cè)儀相比，DIDSON的監(jiān)測(cè)區(qū)域較小.對(duì)于大范圍魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查有其不適應(yīng)性.回聲探測(cè)儀有較大的監(jiān)測(cè)范圍，例如EY60、EK500等探測(cè)水體深度可達(dá)到幾千米，能夠顯現(xiàn)水底地形截面圖像.實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中將DIDISON與回聲探測(cè)儀相結(jié)合，從整體與局部?jī)煞矫鎸?duì)探測(cè)水域進(jìn)行研究，兩者相互補(bǔ)充，全面反映該水域水生環(huán)境與魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀等情況.

4.2 未來(lái)應(yīng)用展望

相對(duì)于光學(xué)成像技術(shù)，雖然DIDSON成像分辨率較低，但其在混濁、能見(jiàn)度低的水體中具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)“看”到水下物體的能力.DIDSON在應(yīng)用過(guò)程中存在局限性，但對(duì)于了解資源量現(xiàn)狀、調(diào)查生物與環(huán)境之間的相互影響等仍然是精確高效的手段.

1）目前關(guān)于魚(yú)類(lèi)資源密度調(diào)查方式較少，可結(jié)合DIDSON、ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）測(cè)得魚(yú)類(lèi)資源總量、斷面平均流速和流量.據(jù)ρ＝N／V（其中，N代表魚(yú)類(lèi)總數(shù)，V為監(jiān)測(cè)區(qū)域水體體積，即流量乘以監(jiān)測(cè)時(shí)間）得到該區(qū)域資源密度.

2）利用DIDSON對(duì)特殊水動(dòng)力區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，觀察魚(yú)類(lèi)在特殊斷面上下行情況，進(jìn)而為過(guò)魚(yú)設(shè)施的修建研究提供依據(jù).

3）利用水下地形測(cè)量?jī)x器與FLOW3D軟件構(gòu)建魚(yú)類(lèi)棲息地水動(dòng)力模型，結(jié)合DIDSON觀察棲息地魚(yú)類(lèi)的行為，進(jìn)而對(duì)棲息地適宜性作出有效評(píng)估.

4）將回聲探測(cè)儀與DIDSON同時(shí)應(yīng)用到監(jiān)測(cè)過(guò)程中，從整體與局部?jī)煞矫嬗^察魚(yú)類(lèi)資源現(xiàn)狀等.

5）與多普勒流速儀、多參等儀器結(jié)合，研究魚(yú)類(lèi)與生態(tài)環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系等.

［1］ Portier P.Sur l＇application Des Ondes Ultra－sonores Aux Recherches D＇océanographie Biologique［J］.CR Soc.Biol.，Paris，1924：91.

［2］ Kimura K.On the Detection of Fish－groups by an A－coustic Method［J］.Journal of the Imperial Fisheries Institute，Tokyo，1929，24：41－45.

［3］ 張慧杰，危起偉，楊德國(guó).回聲探測(cè)儀的發(fā)展趨勢(shì)及漁業(yè)應(yīng)用［J］.水利漁業(yè)，2008（1）：9－13.

［4］ 譚細(xì)暢，陶江平，李新輝，等.回聲探測(cè)儀在我國(guó)內(nèi)陸水體魚(yú)類(lèi)資源調(diào)查中的初步應(yīng)用［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009（3）：60－64.

［5］ Bodholt H.Fish Density Derived from Echo－integration and In－situ Target Strength Measurements［J］.ICES CM，1990：11.

［6］ Rose G A，Leggett W C.Hydroacoustic Signal Classification of Fish Schools by Species［J］.Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences，1988，45（4）：597－604.

［7］ Brehmer P A.Fisheries Acoustics：Theory and Practice［J］.Fish and Fisheries，2006，7（3）：227－228.

［8］ 任玉芹，王 珂，段辛斌，等.鳙目標(biāo)強(qiáng)度和行為特征的水聲學(xué)研究［J］.淡水漁業(yè)，2011，41（2）：3－9.

［9］ 任玉芹，王 珂，段辛斌，等.水聲學(xué)探測(cè)在江河魚(yú)類(lèi)資源評(píng)估中的技術(shù)分析［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2010（2）：64－68.

［10］譚細(xì)暢，史建全，張宏，等.EY60回聲探測(cè)儀在青海湖魚(yú)類(lèi)資源量評(píng)估中的應(yīng)用［J］.湖泊科學(xué)，2009，21（6）：865－872.

［11］王崇瑞，張輝，杜浩，等.采用BioSonicsDT－X超聲波回聲儀評(píng)估青海湖裸鯉資源量及其空間分布［J］.淡水漁業(yè)，2011，41（3）：15－21.

［12］Maxwell S L，Gove N E.The Feasibility of Estimating Migrating Salmon Passage Rates in Turbid Rivers Using a Dual Frequency Identification Sonar （DIDSON）［J］.Alaska Department of Fish and Game Regional Information Report1，2004（2A04－05）.

［13］Petreman I C，Jones N E，Milne S W.Observer Bias and Subsampling Efficiencies for Estimating the Number of Migrating Fish in Rivers Using Dual－frequency Identification Sonar（DIDSON）［J］.Fisheries Research，2014，155：160－167.

［14］Becker A，Whitfield A K，Cowley P D，et al.Potential Effects of Artificial Light Associated with Anthropogenic Infrastructure on the Abundance and Foraging Behaviour of Estuary－associated Fishes［J］.Journal of Applied Ecology，2013，50（1）：43－50.

［15］Handegard N O，Williams K.Automated Tracking of Fish in Trawls using the DIDSON （Dual Frequency I－dentification Sonar）［J］.ICES Journal of Marine Science：Journal du Conseil，2008，65（4）：636－644.

［16］Able K W，Grothues T M，Rackovan J L，et al.Application of Mobile Dual－frequency Identification Sonar（DIDSON）to Fish in Estuarine Habitats［J］.Northeastern Naturalist，2014，21（2）：192－209.

［17］Han J，Honda N，Asada A，et al.Automated Acoustic Method for Counting and Sizing Farmed Fish during Transfer using DIDSON［J］.Fisheries Science，2009，75（6）：1359－1367.

［18］Boswell K M，Wilson M P，Cowan Jr J H.A Semiautomated Approach to Estimating Fish Size，Abundance，and Behavior from Dual－frequency Identification Sonar（DIDSON）Data［J］.North American Journal of Fisheries Management，2008，28（3）：799－807.

［19］Macnamara R，Mccarthy T K.Silver eel（Anguilla anguilla）Population Dynamics and Production in the River Shannon，Ireland［J］.Ecology of Freshwater Fish，2014，23（2）：181－192.

［20］Pavlov D S，Borisenko E S，Pashin V M.Investigations of Spawning Migration and Assessment of Abundance of the Kamchatka Steelhead（Parasalmo mykiss）from the Utkholok River by Means of Didson Dual－frequency I－dentification Sonar［J］.Journal of Ichthyology，2009，49（11）：1042－1064.

［21］Maxwell S L，Smith A V.Generating River Bottom Profiles with a Dual－frequency Identification Sonar（DIDSON）［J］.North American Journal of Fisheries Management，2007，27（4）：1294－1309.

［22］童劍鋒，韓 軍，淺田昭，等.基于聲學(xué)攝像儀的溯河洄游幼香魚(yú)計(jì)數(shù)［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009，36（2）：29－33.

［23］童劍鋒，韓 軍，沈 蔚.聲學(xué)攝像儀圖像處理的初步研究及在漁業(yè)上的應(yīng)用［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，156（17）：149－152.

［24］熊 鋒，王從鋒，劉德富，等.葛洲壩1號(hào)船閘啟閉閘門(mén)對(duì)近閘區(qū)域魚(yú)類(lèi)活動(dòng)規(guī)律的影響［J］.水生態(tài)學(xué)雜志，2014，35（5）：8－14.

［25］周家飛，王從鋒，劉德富，等.葛洲壩下游近壩區(qū)水域魚(yú)類(lèi)資源聲學(xué)調(diào)查與評(píng)估［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2014（11）：1551－1557.

［26］徐 毅，趙 鋼，王茂枚，等.雙頻識(shí)別聲納技術(shù)在水工建筑物水下外觀病害檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2014，45（7）：103－106.

［27］榮海北，潘衛(wèi)凱，李志榮.雙頻識(shí)別聲吶在三河船閘工程水下檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2014（11）：60－62.

［28］Tuser M，F(xiàn)rouzováJ，Balk H，et al.Evaluation of Potential Bias in Observing Fish with a DIDSON Acoustic Camera［J］.Fisheries Research，20Z14，155：114－121.

［29］Zhang H，Wei Q，Kang M.Measurement of Swimming Pattern and Body Length of Cultured Chinese Sturgeon by Use of Imaging Sonar［J］.Aquaculture，2014，434：184－187.

［30］Burwen D L，F(xiàn)leischman S J，Miller J D.Accuracy and Precision of Salmon Length Estimates Taken from DIDSON Sonar Images［J］.Transactions of the American Fisheries Society，2010，139（5）：1306－1314.

［31］Brehmer P，Chi T D，Mouillot D.Amphidromous Fish School Migration Revealed by Combining Fixed Sonar Monitoring（Horizontal Beaming）with Fishing Data［J］.Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，2006，334（1）：139－150.

［32］Guillard J，Balay P，Colon M，et al.Survey Boat Effect on YOY Fish Schools in a Pre－alpine Lake：Evidence from Multibeam Sonar and Split－beam Echosounder DataV Ecology of Freshwater Fish，2010，19（3）：373－380.

［33］Cronkite G，Station P B.Use of High－frequency Imaging Sonar to Estimate Adult Sockeye Salmon Escapement in the Horsefly River，British Columbia［M］.Fisheries and Oceans Canada，Science Branch，Pacific Region，Pacific Biological Station，2006.

［34］Horne J K.Acoustic Approaches to Remote Species I－dentification：a Review［J］.Fisheries oceanography，2000，9（4）：356－371.

［35］Langkau M C，Balk H，Schmidt M B，et al.Can Acoustic Shadows Identify Fish Species？A Novel Application of Imaging Sonar Data［J］.Fisheries Management and Ecology，2012，19（4）：313－322.

［36］Mueller A，Mulligan T，Withler P K.Classifying Sonar Images：Can a Computer－driven Process Identify Eels？［J］.North American Journal of Fisheries Management，2008，28（6）：1876－1886.

［37］Mueller A，Burwen D L，Boswell K M，et al.Tail－beat Patterns in Dual－frequency Identification Sonar Echograms and Their Potential Use for Species Identification and Bioenergetics Studies［J］.Transactions of the American Fisheries Society，2010，139（3）：900－910.