Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические и методические основы гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс 15
1.1 Краткий экскурс в историю развития гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс 15
1.2 Физические основы гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс 17
1.3 Анализ методики гидроакустической оценки локализованных значений плотности гидробионтов 40
1.4 Анализ методики получения абсолютных значений численности (биомассы) гидробионтов по данным гидроакустической оценки локализованных значений плотности 67
1.5 Выводы из проведенного анализа процесса количественной оценки численности (биомассы) гидробионтов гидроакустическим методом 74
Глава 2. Математическая модель процесса количественной оценки значений плотности водных биомасс гидроакустическим методом 79
2.1 Структурная схема модели 80
2.2 Основные допущения, принятые в модели 87
2.3 Идентификация параметров модели 92
Глава 3. Программно-техническая реализация математической модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом 124
3.1 Общее описание состава и предназначения программно-технического комплекса для количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом АСКОР-2 124
3.2 Блок-схема алгоритма программной реализации модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом 130
Глава 4. Идентификация модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом на примере использования программно-технического комплекса АСКОР-2 на разнотипных внутренних водоемах Российской Федерации 149
Заключение 164
Библиографический список литературы 165
- Физические основы гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс
- Анализ методики получения абсолютных значений численности (биомассы) гидробионтов по данным гидроакустической оценки локализованных значений плотности
- Блок-схема алгоритма программной реализации модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом
- Идентификация модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом на примере использования программно-технического комплекса АСКОР-2 на разнотипных внутренних водоемах Российской Федерации
Введение к работе
Устойчивое хозяйственное использование водных биоресурсов требует постоянного, объективного и регулярно возобновляемого количественного знания о состоянии запаса используемой популяции. Задача количественной оценки запасов биоресурсов традиционно решалась выборочными контрольными обловами сетными или траловыми орудиями лова и использованием данных промысловой статистики. Технология проведения выборочных обловов требует значительных временных и материальных затрат, объемы получаемых выборочных материалов зачастую малы из-за ограниченности выделяемых на исследования ресурсов. В России, в связи с изменением в девяностые годы прошлого столетия общей экономической модели развития общества, резко упала достоверность данных промысловой статистики из-за недисциплинированности и бесконтрольности множества частных рыбопромышленников в условиях рыночных отношений. На внутренних водоемах России, задача эффективного и достоверного знания количественных параметров состояния той или иной популяции промысловых гидробионтов становится еще более насущной, в связи с усиливающимся отрицательным антропогенным влиянием на окружающую среду и экономической неготовностью общества к принятию масштабных мер по сохранению и поддержанию водоемов в экологическом состоянии, обеспечивающем воспроизводство биоресурсов.
Для дистанционной регистрации гидробионтов, в целях их количественной оценки, используются методы различной физической природы: электромагнитной (в оптическом диапазоне) и акустической. В силу физической природы водной среды и её обычной замутненности мелкими живыми и неживыми объектами, дальность оптической регистрации объектов в воде ограничена несколькими метрами, что не удовлетворяет граничным условиям распределения интересующих объектов в толще воды. В отличие от электромагнитных, акустические волны в водной среде распространяются на значительно большие дистанции, в вертикальном направлении практически перекрывающие диапазон глубин, в пределах которых обитают объекты, охваченные рыбохозяйственной деятельностью человечества, и представляющие интерес для количественной оценки их численности или биомассы.
Гидроакустические приборы, такие как рыбопоисковые эхолоты, гидролокаторы, траловые зонды и другие, получили широчайшее применение в рыбной промышленности во всем мире и способствовали интенсификации промысла. В научных исследованиях, к которым относится количественная оценка водных гидробионтов, признание важности и объективности использования гидроакустики растет из года в год. Спектр применения гидроакустических приборов в научных исследованиях весьма широк: это и поиск гидробионтов, и изучение их распределения в толще воды и по акватории, и мечение рыб и других животных акустическими метками для изучения миграций, и акустический учет проходящих рыб в реках и рыбопропускных сооружениях при плотинах, и биоакустика, изучающая звуки живых существ, и многое другое. Количественная оценка гидробионтов, возможно, является самым важным применением гидроакустики в рыбохозяйственных научных исследованиях [64].
На начальных этапах применения гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс его внедрение сдерживалось не только отсутствием специализированной техники и детально разработанной методики, но и необходимостью использования высококвалифицированного и специально подготовленного инженерного персонала для проведения измерительного процесса, которым, по сути, является рассматриваемый метод. Развитие метода, накопление опыта его практического использования на разных объектах, современный уровень средств электронно-вычислительной техники и разработки программного обеспечения позволяют сделать возможным практическое использование метода конечными пользователями -биологами. Именно такое направление практического использования гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс наблюдается в развитых странах. Имея возможность использовать результаты оперативной гидроакустической оценки состояния исследуемой популяции наряду с биологическими данными многолетних наблюдений с большим объемом статистики, исследователь может решать сложные вопросы регулирования промысла конкретного объекта на конкретном водоеме. Предоставление специалистам - биологам, занимающимся регулированием промысла на внутренних водоема России, возможности использования объективно зарекомендовавшего себя гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс, представляется и важным и актуальным.
Рациональный промысел основывается на научно обоснованных квотах вылова конкретных объектов, в мировой практике квотирование все чаще решается по результатам оценки численности или биомассы гидроакустическим методом.
Правительством РФ утверждена «Концепция развития рыбного хозяйства Российской Федерации (2003 - 2020 гг.)», призванная определить порядок использования биоресурсов российскими рыбаками и внести значительные улучшения в систему управления рыболовством и биоресурсами российских морей и внутренних водоемов. Одним из важнейших направлений и задачей рыбохозяйственной науки на первом этапе реализации Концепции (2003 - 2005 гг.) признано следующее: «Существенное повышение качества оценки запасов и определения объемов ОДУ (общий допустимый улов), которое возможно лишь при использовании всей доступной информации и применения передовых технологий» [32].
Цели и задачи исследования
Гидроакустический метод оценки водных биомасс представляет собой комплексный и многостадийный процесс, основывающийся на фундаментальных физических знаниях о распространении и рассеянии ультразвука в воде, теории эхолокации, теории эксперимента и измерений, современных достижениях радиотехники, гидроакустической и электронно-вычислительной техники, прикладной математике и математической статистике, биологии и рыбохозяйственной науке. Комплексное теоретическое обоснование метода и методические указания по его использованию изложены во многих изданиях, только частично приведенных в библиографии [6,47,62,64, 61].
Целью выполненной диссертационной работы была разработка, через анализ теоретических основ и прикладных аспектов предмета исследований, и программная реализация эффективных численных методов гидроакустического метода оценки водных биомасс на внутренних водоемах с использованием ЭВМ. Задачами проведенного исследования были: анализ физической модели гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс; анализ математической модели гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс; разработка алгоритмов реализации математической модели гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс; разработка и программная реализация алгоритма выделения одиночных целей; разработка и программная реализация алгоритмов непрямого восстановления распределения силы цели одиночных объектов; разработка и программная реализация алгоритмов выделения донного сигнала. Этот аспект задачи характерен для внутренних водоемов, здесь, в отличие от условий открытого моря, диапазон глубин, в пределах которого происходит оценка запаса, практически всегда ограничен снизу изменчивым положением дна; разработка комплекса прикладных программ на языке высокого уровня, обеспечивающего работу программно-технического комплекса АСКОР-2. Название комплекса является аббревиатурой от словосочетания «Автоматизированная Система Количественной Оценки Рыбных запасов», вторая модификация. Разработка системы АСКОР-2 производились автором в Северном научно-исследовательском институте рыбного хозяйства Петрозаводского государственного университета (СевНИИРХ ПетрГУ) в развитие работ лаборатории гидроакустики института СеврыбНИИпроект по системе АСКОР, выполнявшихся в восьмидесятых годах; анализ практических результатов, полученных при проведении количественной оценки разнотипных гидробионтов на разнотипных внутренних водоемах РФ гидроакустическим методом, с использованием программно-технического комплекса АСКОР-2 и разработка практических рекомендаций по использованию метода.
Объект исследования
Объектом проведенных в выполненной диссертационной работе исследований был процесс интерпретации физического явления - звукового давления акустического эхосигнала в информацию о количестве и размерном составе популяции рассеивателей биологической природы, как части более широкой обратной задачи рассеяния.
Предмет исследования
Предметом исследования были численные методы реализации гидроакустического метода оценки водных биомасс с использованием средств электронно-вычислительной техники.
Методологическая и теоретическая основа исследования
Методологическую и теоретическую основу проведенных в диссертации исследований составили труды отечественных и зарубежных авторов в таких областях науки, как акустика и гидроакустика, радиотехника и вычислительная техника, теория вероятностей и математическая статистика, биология и рыбохозяйственная наука, математическое моделирование и программирование. В работе над диссертацией использовались методы прикладной математики, математического моделирования, теории вероятностей, математической статистики, математического программирования, теории графов, натурного эксперимента. Реализация алгоритмов и отладка программ производилась с использованием методов объектно-ориентированного и визуального программирования.
При написании работы автор использовал теоретические и практические результаты, полученные доктором технических наук Кудрявцевым В.И., доктором биологических наук Сечиным Ю.Т., доктором технических наук Юдановым К.И., доктором технических наук Чернецким В.И. и рядом других известных исследователей, работающих по данной, или близкой к ней, проблематике.
Информационная база исследования
Информационной базой, использованной автором при работе над диссертацией, служили научные источники в виде данных и сведений из книг и журналов, доклады на научных конференциях и семинарах, научные отчеты, публикации в Интернете, нормативная техническая документация (ГОСТы, ТУ, инструкции по эксплуатации, руководства пользователя и разработчика), результаты собственных расчетов и натурных экспериментов.
Научная новизна исследования
1. Разработана математическая модель, реализующая гидроакустический метод количественной оценки плотности водных биомасс.
2. Разработаны программно реализуемые алгоритмы идентификации параметров построенной модели.
3. На базе построенной модели разработан программно-технический комплекс по количественной оценке плотности гидробионтов гидроакустическим методом АСКОР-2 с использованием серийного эхолота, средств электронно-вычислительной техники и спутникового навигационного приемника системы GPS.
4. Проведена идентификация модели с использованием комплекса АСКОР-2 на разнотипных водоемах РФ. Проведены сравнения результатов системы АСКОР-2 по оценке плотности оцениваемых гидробионтов и восстановленного размерного распределения рыб с данными, полученными другими методами, в том числеконтрольными обловами.
5. Разработан пакет прикладных программ, состоящий из математического обеспечения процесса сбора информации при проведении гидроакустических съемок, программы камеральной обработки данных, полученных при проведении гидроакустических съемок, программы калибровки системы по отклику от эталонной цели.
6. Выполнено улучшение алгоритма непрямого восстановления распределения отражательной способности одиночных целей (восстановление размерного состава рыб) на базе известного метода Крейга-Форбса. Автором впервые использовались только максимальные значения амплитуд эхосигналов от одиночных целей, а не всего ансамбля регистрации каждой одиночной цели за ряд посылок эхолота. Программно реализованный алгоритм поиска максимумов указанных амплитуд не ограничен ни числом одиночных целей, ни числом регистрации каждой одиночной цели. Такое формирование исходного, для решения задачи восстановления искомого распределения отражательной способности одиночных целей, распределения амплитуд одиночных сигналов повышает точность и эффективность даваемых количественных оценок.
Практическая значимость работы
Результаты проведенного в настоящей диссертационной работе исследования имеют практическое значение, прежде всего, в рыбохозяйственной науке, в той её части, которая занимается непосредственно определением запасов эксплуатируемых человеком водных биоресурсов. Непосредственными основными пользователями разработанной системы гидроакустической оценки водных биомасс являются государственные отраслевые научно-исследовательские организации, осуществляющие регулирование рыбохозяйственной деятельности на внутренних водоемах Российской Федерации. Система, разработанная на основании предлагаемой работы, может использоваться и в прямой рыбохозяйственной деятельности, как средство оперативного получения информации о распределении охваченного промыслом биоресурса по акватории эксплуатируемого водоема в целях эффективного использования флота и орудий лова. В таком аспекте, результаты проведенного исследования и разработанная система количественной оценки водных биомасс, могут использоваться рыбопромышленными субъектами всех форм собственности. Еще одним направлением использования полученных результатов, являются экологические исследования на внутренних водоемах, с использованием полученных количественных данных о состоянии исследуемой популяции, как средства оценки экологического состояния водоема в условиях антропогенного воздействия. Такой аспект практического использования предлагаемой работы применим, к примеру, на водохранилищах ГЭС и АЭС. Не менее важным, чем указанные выше, является образовательный аспект практического использования полученных результатов и вьшолненной разработки. Использование разработанной, на основании изложенного в предлагаемой диссертационной работе исследования, системы АСКОР-2 и полученных демонстрационных материалов, в учебном процессе подготовки гидробиологов и ихтиологов, может углубить получаемые ими знания непосредственно о собственном предмете и дать практические навыки использования современных средств электронно-вычислительной техники и приборов в реальной жизни.
Апробация результатов исследования
Основные результаты предлагаемой диссертационной работы получены автором в результате выполнения работ по Государственным контрактам № 65-01/2001 от 01.01.2001, № 65-01/2002 от 01.01.2002 и № 65-01/2003 от 01.01.2003 между Государственным комитетом Российской Федерации по рыболовству и институтом СевНИИРХ Петрозаводского государственного университета, и по договорам на разработку и создание научно-технической продукции между институтом СевНИИРХ Петрозаводского государственного университета и федеральным государственным предприятием ВостСибрыбцентр (Улан-Удэ), институтом КаспНИИРХ (Астрахань) и институтом СевПИНРО (Архангельск). Текущие, промежуточные и окончательные результаты проводимых исследований, составившие основу предлагаемой к рассмотрению работы, регулярно заслушивались на Ученом Совете Северного научно-исследовательского института рыбного хозяйства Петрозаводского государственного университета (СевНИИРХ ПетрГУ).
Результаты проведенного в предлагаемой работе исследования реализованы в системе количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом АСКОР-2. Апробация системы проходила в 2000 - 2003 годах на разнотипных внутренних водоемах Российской федерации с проведением количественных оценок рыбных и нерыбных объектов. В указанный период проводились экспериментальные, демонстрационно-сравнительные работы и практические гидроакустические съемки по количественной оценке запасов биоресурсов на следующих водоемах Российской Федерации: озеро Байкал, заказчик - ФГУП «ВостСибрыбцентр; Северный Каспий, заказчик - институт КаспНИИРХ; Белое Море, заказчик - институт СевПИНРО; Куйбышевское водохранилище на реке Волга, заказчик - Татарское отделение института ГосНИОРХ; Онежское озеро, заказчик - Госкомрыболовство РК; Озеро Сайма, Финляндия. По заказу Совета Министров Северных стран проводились международные работы по сопоставлению методик использования гидроакустического метода оценки водных биомасс. Полученные количественные данные использовались заказчиками при регулировании промысла на указанных водоемах. При выполнении практических гидроакустических съемок проводилось обучение персонала заказчика методике получения гидроакустической оценки запаса изучаемого объекта.
Результаты проведенных исследований докладывались автором на следующих собраниях, семинарах, симпозиумах и коллоквиумах:
1. Собрание членов Росрыбхоза и заседание Совета Росрыбхоза 29 марта 2001 г., г.Москва. Доклад Дегтев А.И., Сычев А.Н. «Использование гидроакустического комплекса АСКОР-2 для определения запасов рыб».
2. Отраслевое совещание по проблемам промышленного рыболовства и производства товарной рыбы во внутренних водоемах России 8-11 октября 2001 г. п.Рыбное Дмитровского р-на, Московской обл. Доклад: Дегтев А.И. (СевНИИРХ), Соколов А.В. (ВостСибрыбцентр) «Перспективы использования гидроакустических комплексов при оценке абсолютной численности рыб».
3. Международный семинар «Изменение экосистемы Каспийского моря в условиях активизации ресурсной деятельности» 17-18 октября 2001 г., Астрахань. Доклады: Дегтев А.И. «Автоматизированная система количественной оценки рыбных запасов гидроакустическим методом АСКОР-2»; Сычев А.Н., Дегтев А.И. «Опыт и перспективы оценки рыбных запасов гидроакустическим методом на внутренних водоемах на примере оз. Онежское, Байкал и Северной части Каспийского моря».
4. Международный семинар по научно-образовательному проекту МОК ЮНЕСКО «Каспийский плавучий университет» 29 марта 2002 г. г. Астрахань. Доклад: Дегтев А.И., Сычев А.Н «Опыт и перспективы оценки рыбных запасов гидроакустическим методом».
5. Второй международный симпозиум «Экологические эквивалентные и экзотические виды гидробионтов в великих и больших озерах мира» 27-31 августа 2002 г. Улан-Удэ. Доклад: Дегтев А.И. «Результаты гидроакустических исследований по количественной оценке рыбных ресурсов озера Байкал с использованием комплекса АСКОР-2».
6. Отраслевое совещание-семинар «Проблемы изучения сырьевых ресурсов больших рек Сибири и Дальнего Востока» 22-27 сентября 2003 г., г. Хабаровск. Доклад: Дегтев А.И. «Автоматизированная система количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом («АСКОР-2»)».
7. Расширенный коллоквиум лаборатории методов и средств гидроакустических съемок биоресурсов, лаборатории системного анализа биоресурсов и лаборатории интенсивности рыболовства 24 ноября 2003 г., ВНИРО, г. Москва. Доклад: Дегтев А.И. «О результатах регулярных акустических съемок байкальского омуля (2000 - 2003 гг., в том числе в 2003 г. с участием ВНИРО) на судне ВостСибрыбцентра с помощью разработанной СевНИИРХом системы АСКОР-2»
В ходе работы над изложенным в предлагаемой диссертацией исследованием и реализацией программно-технического комплекса количественной оценки водных биомасс АСКОР-2 автором сделаны следующие публикации в виде статей и тезисов докладов:
1. Дегтев А.И. Статистический анализ результатов эхосъемок. Инструментальные методы оценки запасов промысловых объектов: Сб. науч. тр./ПИНРО - ВНИРО. -Мурманск, 1988;
2. Дегтев А.И., Ивантер Д.Э. Автоматизированная система количественной оценки рыбных запасов гидроакустическим методом АСКОР-2. «Рыбное хозяйство», № 4,2002;
3. Дегтев А.И., Сычев А.Н. Количественная оценка рыбных ресурсов с использованием гидроакустического комплекса АСКОР-2. «Рыбное хозяйство», № 5,2002;
4. Ермолин В.П., Сычев А.Н., Дегтев А.И. Оценка запасов рыб на Волгоградском водохранилище с помощью гидроакустических приборов. УДК 639.2.053.8. «Рыбное хозяйство», № 12, 1990;
5. Пронина О.А., Дегтев А.И., Кудрявцев В.И., Воробьев А.В. Опыт количественной оценки запасов макрофитов Белого Моря гидроакустическим методом. «Рыбное хозяйство», № 3, 2004;
6. Auvinen H., Bergstrand E., Degtev A., Enderlein 0., Jurvelius J., Knudsen F., Peltonen H., Lilja J., Marjomaki Т., Lindem T. Comparison and development of assessment methods for pelagic fish stocks in northern great lakes. Final report. Financed by the Nordic Council of Ministers. Project number 661045. Journal number 66010211301. January 10, 2003. Enonkoski, Finland.
7. Отраслевое совещание по проблемам промышленного рыболовства и производства товарной рыбы во внутренних водоемах России 8-11 октября 2001 г. п.Рыбное Дмитровского р-на, Московской обл. Доклад: Дегтев А.И. (СевНИИРХ), Соколов А.В. (ВостСибрыбцентр) «Перспективы использования гидроакустических комплексов при оценке абсолютной численности рыб».
8. Международный семинар «Изменение экосистемы Каспийского моря в условиях активизации ресурсной деятельности» 17-18 октября 2001 г., Астрахань. Доклады: Дегтев А.И. «Автоматизированная система количественной оценки рыбных запасов гидроакустическим методом АСКОР-2»;
9. Сычев А.Н., Дегтев А.И. «Опыт и перспективы оценки рыбных запасов гидроакустическим методом на внутренних водоемах на примере оз. Онежское, Байкал и Северной части Каспийского моря».
10. Международный семинар по научно-образовательному проекту МОК ЮНЕСКО «Каспийский плавучий университет» 29 марта 2002 г. г. Астрахань. Доклад: Дегтев А.И., Сычев А.Н «Опыт и перспективы оценки рыбных запасов гидроакустическим методом».
11. Второй международный симпозиум «Экологические эквивалентные и экзотические виды гидробионтов в великих и больших озерах мира» 27-31 августа 2002 г. Улан-Удэ. Доклад: Дегтев А.И. «Результаты гидроакустических исследований по количественной оценке рыбных ресурсов озера Байкал с использованием комплекса АСКОР-2».
12. Отраслевое совещание-семинар «Проблемы изучения сырьевых ресурсов больших рек Сибири и Дальнего Востока» 22-27 сентября 2003 г., г. Хабаровск. Доклад: Дегтев А.И. «Автоматизированная система количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом («АСКОР-2»)».
Физические основы гидроакустического метода количественной оценки водных биомасс
В предлагаемой диссертационной работе рассматриваются только те вопросы гидроакустического метода оценки водных биомасс, которые реализуются вертикальной эхолокацией, поэтому во всех разделах работы, так же как и в текущем, анализируются только те аспекты проблемы, которые относятся к вертикальной эхолокации в направлении вниз, от поверхности ко дну. Звук есть процесс регулярных колебаний молекул упругой среды, направление возвратно-поступательных движений частиц жидкости параллельно направлению распространения звуковой волны, благодаря свойству среды - упругости, процесс распространяется в среде со скоростью звука.
Для плоской звуковой волны справедливо следующее соотношение, связывающее давление и скорость перемещения частиц жидкости: где: р - давление; р - плотность жидкости; с - скорость распространения волны; и - скорость перемещения частиц жидкости. Коэффициент пропорциональности р-с называется удельным акустическим сопротивлением жидкости, для морской воды его значение равно 1.5-Ю5 г/(см2-с), для воздуха - 42 г/(см2-с) [38]. Энергия распространяющейся акустической волны состоит из кинетической, в форме энергии движущихся частиц, и потенциальной, в форме давления. В единицу времени, через перпендикулярно расположенную площадку единичного размера, распространяющейся акустической волной переносится количество энергии, называемое интенсивностью волны, и определяемое выражением: В качестве единицы интенсивности в гидроакустике принята интенсивность плоской звуковой волны со значением среднеквадратичного давления равным 1 мкПа [22,38].
Уровнем звуковой волны называется число децибел, на которое ее интенсивность отличается от интенсивности эталонной волны. Децибел - давно сложившаяся и удобная единица для работы с величинами с большими приращениями. Число децибел определяется выражением: iV lOlg—-, где /jH І2 - сравниваемые интенсивности. Скорость звука в воде определяется модулем объемной упругости и плотностью воды [22] и ее действительная часть выражается в виде: р - плотность среды. Скорость звука в воде зависит от глубины, солености и температуры, так как модуль упругости и плотность воды зависят от этих параметров. Широко используется эмпирические формулы [1,14,21] расчета скорости звука в соленой воде: Для пресной воды используется эмпирическая формула [54], дающая хорошие результаты в широком диапазоне температур - от 0 до 95 С: h - глубина, м. Формулы 1.2.4 и 1.2.5 использовались автором в практических работах в процессе исследований и написании настоящей диссертационной работы, график на рисунке 1.2.1 иллюстрирует зависимость скорости звука от температуры воды для условий Белого моря (соленость 27 промилле, рассчитанную по формуле 1.2.4) и озера Байкал (пресная вода, рассчитанную по формуле 1.2.5). Значение параметра глубины h принято равным половине рабочего диапазона исследований - для Белого моря 10 м [21]. Морская вода, соленость 27 промилле
Пресная вода Рисунок 1.2.1. График зависимости скорости звука от температуры воды для различных значений солености воды В идеальном случае - изотропной среде, скорость звука одинакова во всех направлениях и во всех точках, акустические лучи и волновые поверхности взаимно перпендикулярны. В реальности, водная среда, конечно же, не является изотропной. Существуют собственно неоднородности среды в виде слоев и объемов с различными акустическими свойствами, граничные условия распространения звука - поверхность и дно не являются идеальными, плоскими разделителями. Это приводит к существенному искажению акустического поля в виде нарушения фазовых соотношений и рассеяния части энергии по другим направлениям [22]. В общем случае, распространение звука в упругой среде описывается волновым дифференциальным уравнением в частных производных, связывающее, с учетом граничных условий и конкретных условий среды, акустическое давление, координаты места и время: Существует два подхода к решению уравнения 1.2.6. Первый, основанный на теории нормальных волн, требует привлечения сложного математического аппарата, реализуемого на ЭВМ, и информации, как об амплитудах, так и о фазах акустического сигнала. При наличии такой информации этот подход обеспечивает точное и надежное решение, но недостаточность информации о фактических параметрах среды, в которой происходит волновой процесс, зачастую сводит преимущества строгого метода на нет. По аналогии с геометрической оптикой, второй метод - лучевая акустика позволяет получить правильное представление о распределении энергии звукового поля в пространстве и времени. В лучевой акустике действует постулат о волновых фронтах (поверхностях постоянной фазы) и подразумевается, что размеры неоднородностей среды много больше длины волны и на длине волны не происходит значимых изменений характеристик среды [22,38]. Практическим результатом применения теории лучевой акустики является закон Снеллиуса, описывающий рефракцию акустических лучей в среде, состоящей из слоев с переменной скоростью звука: const - постоянная, равная величине, обратной скорости звука в слое, где луч становится горизонтальным. По формуле Снеллиуса прослеживается траектория луча, последовательно проходящего вертикально стратифицированные слои с разными характеристиками водной среды. При падении волны на границу раздела двух сред происходит частичные отражение и прохождение волны, соотношение интенсивностей отраженного и прошедшего звука зависит от соотношения значений удельного акустического сопротивления в граничных средах. Для описания процесса прохождения падающей звуковой волны через границу двух сред с разными акустическими свойствами, используют коэффициент прозрачности:
Анализ методики получения абсолютных значений численности (биомассы) гидробионтов по данным гидроакустической оценки локализованных значений плотности
Как показано в подразделе 1.3 «Анализ методики гидроакустической оценки локализованных значений плотности гидробионтов» предлагаемой диссертационной работы, результатом программно-технического решения обратной задачи рассеяния в её применении к гидроакустическому методу, является получение акустических характеристик обратного рассеяния зарегистрированных объектов и их интерпретация в относительные локализованные значения плотности. Под локализованным значением плотности понимается среднее, в интервале усреднения по формуле 1.2.23, значение плотности зарегистрированных объектов, определенное на поверхности акватории, охваченной гидроакустической съемкой, декартовыми координатами р(х,у).
В общем случае, поверхность акватории, охваченной гидроакустической съемкой, представляет собой поверхность геоида, и строгое решение по восстановлению абсолютных численности значений по относительным, пространственно распределенным значениям, требует применения методов сферической геометрии. На внутренних водоемах, размеры акваторий, охватываемых гидроакустической съемкой, достаточно малы для того, чтобы считать геометрические эффекты сферической формы геоида пренебрежимо малыми, и использовать планарное представление поверхности рассматриваемой акватории. Гидроакустическая съемка по оценке запасов гидробионтов представляет собой движение судна с гидроакустическими приборами по обследуемой акватории по достаточно регулярной сетке галсов. Вид сетки галсов, её расположение на акватории, дистанция между соседними галсами являются важными вопросами количественной оценки гидробионтов гидроакустическим способом и рыбохозяйственной науки в целом и достаточно подробно освещен в ряде работ, только частично приведенных в библиографии к предлагаемой диссертационной работе [15,24,44,47,61,62,64,67]. Здесь же, ограничимся только рассмотрением вопросов, непосредственно связанных с методами численного восстановления абсолютных значений численности (биомассы) по локализованным, пространственно распределенным, значениям плотности. Для иллюстрации, на рисунке 1.4.1, приведена сетка галсов, проведенной автором гидроакустической съемки омуля на акватории
Селенгинского мелководья озера Байкал, здесь координаты локализованных значений плотности определялись в градусах широты и долготы с использованием приемника системы глобального позиционирования GPS. съемки по определению запаса омуля на акватории Селеигинекого мелководья озера Байкал. 3 июля - 7 июля 2001 года. Общая протяженное!ь га: сов - 28W км. На маршруте фактического движения, показанном красной линией, отмечены локализованные значения плотности рыбных скоплений в экземплярах на гектар (единица измерения принятая в рыбохозяйственной науке). Необходимая степень покрытия обследуемой акватории сеткой галсов на стадии планирования гидроакустической съемки может быть оценена исходя из следующих рассуждений [50.64J. Обозначим оценку дистанции между галсами в виде: галсов. Обозначим степень покрытия акватории галсами съемки в виде: где: d - степень покрытия акватории галсами съемки; s2 - среднеквадратичное отклонение; s - стандартное отклонение; CV - коэффициент вариации; р, - і -ое значение плотности; р - среднее значение плотности; N - число элементов выборки. Понятно, что зависящая от распределения случайной величины - зарегистрированной плотности, величина коэффициента вариации зависит так же и от степени покрытия акватории галсами съемки, чем больше d, тем меньше CV. На этапе планирования галсов съемки рекомендовано [64] значение для коэффициента вариации: отсюда планируемое значение для степени покрытия акватории галсами съемки: Необходимая дистанция между галсами и интервал накопления интеграла для усреднения по формуле 1.3.23, может быть оценен, так же, с использованием автокорреляционной функции вида: Автокорреляционная функция позволяет оценить дистанцию корреляционной зависимости выборочных значений между собой, на эту дистанцию можно достаточно обосновано экстраполировать выборочные значения, а внутри этой дистанции - усреднять выборочные значения. На практике, для расчета значений автокорреляционной функции используется выражение [64]: pl+J - плотность в точке i + j, где j = 0,1,2,...., N и N М; р - среднее значение плотности.
Для иллюстрации, на рисунке 1.4.2 представлен график автокорреляционной функции для значений плотности рыбных скоплений, зарегистрированных в ходе совместных российско-финляндских гидроакустических съемок на Ладожском озере летом 2003 года. Первый нуль функции означает границу корреляционной зависимости между элементами выборочного ряда. Для данного конкретного случая распределения плотности рыбных скоплений дистанция между галсами съемки может превышать два километра. Такой же подход может быть реализован для оценки значения интервала усреднения по формуле 1.2.23. На ранних стадиях применения гидроакустического метода оценки водных биомасс, для получения абсолютных значений численности (биомассы) по локализованным значениям плотности использовалось локальное, по стратифицированным выборкам, или глобальное, по всему объему выборки, усреднения данных, с дальнейшим простым расчетом по формуле: р - среднее значение плотности.
С развитием средств электронно-вычислительной техники появилась возможность вычислять абсолютные значения по распределенным в пространстве относительным значениям, используя значительно более изощренные численные методы. Пусть р(х,у) функция, определяющая значение плотности в декартовых координатах, пусть плотность определена в относительных единицах, таких как, экз/м2 или кг/м2. Тогда объем трехмерной фигуры, образованной плоскостью поверхности и сложной поверхностью, условно проходящей через точки с трехмерными координатами (х,у,р), равен абсолютному значению численности или биомассе: где: Q - абсолютное значение численности или биомассы в экземплярах или килограммах; Конечно, аналитическое решение задачи расчета абсолютной численности (биомассы) по пространственно распределенным значениям плотности с использованием подхода 1.4.6 невозможно. Но возможно численное интегрирование через использование интерполированных в узлы регулярной двухмерной координатной решетки рх,р2 - целочисленные индексы, нумерация которых зависит от координат начальной точки (х0,у0). Выбор значения интервала между узлами регулярной решетки, в узлы которой интерполируются зарегистрированные значения плотности, должен быть близким к выбранному интервалу усреднения и может быть осуществлен расчетом автокорреляционной функции. Непосредственно численный расчет абсолютных значений по интерполированным в узлы регулярной решетки пространственно распределенных зарегистрированных значений плотности может производиться по алгоритму, последовательно рассчитывающему каждый интеграл из двойного интеграла 1.4.6, например, по правилу «Симпсона 3/8» [69]
Блок-схема алгоритма программной реализации модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом
На рынке устройств ввода - вывода данных существует довольно широкий выбор серийных внешних аналого-цифровых преобразователей с параметрами, соответствующими требованиям метода. Конкретный выбор осуществляется разработчиком. При использовании стандартных плат АЦП-ЦАП для персональных компьютеров, подключаемых через шину ISA, при решении некоторых задач возникает ряд неудобств, состоящих в необходимости установки платы внутрь компьютера; в необходимости конфигурирования SetUp машины для корректной работы плат; в невозможности использования таких плат с портативными компьютерами типа NoteBook (к NoteBook стандартные платы могут подключаться только при помощи специального устройства Docking Station, довольно громоздкого и требующего сетевого питания). Одним из вариантов решения таких проблем, когда необходимо иметь устройство, которое можно быстро и удобно подключать к стандартным персональным компьютерам, к компьютерам типа NoteBook, к промышленным компьютерам, является использование внешних модулей, подключаемых к параллельному и USB (Universal Serial Bus) порту компьютера. Применение USB-интерфейса предоставляет целый ряд существенных преимуществ (все современные компьютеры, в том числе типа NoteBook, поддерживают данную шину), благодаря встроенным линиям питания, обеспечивающим ток до 500 мА, шина USB часто позволяет применять устройства без внешнего блока питания. Все подключенные к шине USB устройства конфигурируются автоматически (РпР) и допускают "горячее" включение/выключение [26,27]. К настоящему моменту, система АСКОР-2 реализована с использованием следующих устройств ввода - вывода данных: модуль Е-330, 12 -ти разрядный аналого-цифровой преобразователь с подключением к параллельному порту [26]; модуль Е-440, 14 -ти разрядный аналого-цифровой преобразователь с подключением к USB порту [27].
Наличие в системе внешнего накопителя данных объясняется довольно большим расходом дискового пространства при проведении гидроакустической съемки (до 30 МБ в час при непрерывной записи и частоте выборки 20 кГц), что при непрерывном и длительном характере съемок, естественным образом, требует периодического освобождения жесткого диска на внешний носитель.
В качестве внешнего спутникового навигационного GPS приемника может использоваться любая модель любого производителя, имеющая опции: внешнее питание 12-24 вольта постоянного тока; внешняя антенна для удобства работы во внутренних судовых помещениях; последовательный интерфейс передачи данных по стандарту NMEA . или другому известному.
К настоящему моменту, система АСКОР-2 реализована с использованием приемников Garmin GPS 12XL и Magellan GPS 315.
Программная часть системы состоит из двух частей: программы сбора информации, используемой непосредственно на съемках; программы камеральной обработки полученных данных.
Программная часть сбора информации в реальном масштабе времени обеспечивает: аналого-цифровое преобразование эхосигнала с программируемыми частотой выборки и усилением, ввод массива за посылку в компьютер при частоте следования посылок 10 - 1 Гц (базовые диапазоны 5 - 250 м); преобразование элементов целочисленного массива в логарифмические значения амплитуды; программную корректировку значений элементов массива по закону 40LgR с учетом параметризованных значений скорости звука, коэффициента затухания и значений коэффициентов усиления ВАРУ эхолота; масштабирование элементов массива относительно реперного значения амплитуды, определяемого по стандартной методике гидроакустической калибровки по эталонной цели; автоматическое определение положения дна с динамическим определением значения донного дискриминатора, учетом длительности донного сигнала, его формы и наследования ожидания донного сигнала по предыдущим реализациям для более полного учета придонных объектов; визуализацию процесса в привычном виде движущейся эхограммы, цветной или черно-белой (по выбору пользователя) с возможностью фазировки диапазона; автоматическое разделение одиночных и групповых целей по параметризованному двухстороннему критерию длительности; визуализацию, в виде гистограммы, входного амплитудного распределения одиночных целей и восстановленного модифицированным методом Крейга -Форбса распределения силы цели одиночных рыб за лаг и в слое, выбранных пользователем; вычисление и визуализацию, в виде таблицы, гидроакустических характеристик поверхностного и объемного рассеивания зарегистрированных объектов; ввод и визуализацию за каждую посылку навигационных данных с приемника системы GPS, набор навигационных данных определяется по желанию пользователя, по умолчанию - только широта и долгота места; запись на жесткий диск файла с оцифрованным эхосигналом и навигационными данными для последующей камеральной обработки; Камеральная часть программы является настольным приложением обработки данных, полученных системой при проведении гидроакустических съемок, с целью корректной их интерпретации в значения плотностей зарегистрированных рыбных скоплений и количественной оценки рыбных запасов на обследованной акватории. В этой части программы покадрово (размер кадра определяется пользователем) выполняются все выше описанные алгоритмы (естественно за исключением считывания сигнала с эхолота и записи его на диск), но со значительными добавлениями. Покадровый просмотр файла позволяет соотнести темп восприятия информации человеком со скоростью обработки её компьютером и применить некоторые рекурсивные алгоритмы обработки, улучшающие восприятие информации пользователем и точность даваемых оценок. В камеральной части программы дополнительно реализованы: раздельный просмотр кадра с одиночными целями или множественными. В кадре с одиночными целями, по отслеженным следам одиночных рыб, определяется фактическое число одиночных целей, попавших в зону обнаружения, а по максимуму амплитуды в каждом отслеженном следе, определяется реальная амплитуда сигнала от конкретной рыбы в момент нахождения её в максимальной близости к оси излучателя. Такой подход обеспечивает более аккуратное преобразование Крейга - Форбса для восстановления распределения силы цели; ручное определение положения дна. В случаях сложного рельефа или плотных придонных скоплений рыбы автоматический алгоритм поиска дна может захватывать дно или игнорировать рыбу, в этом случае пользователю предоставляется возможность ручной прорисовки положения дна, основываясь на своем опыте и человеческих возможностях по распознаванию образов. Такой подход обеспечивает более полный учет придонных объектов; интерактивное определение пользователем слоя обработки в кадре или фрагменте эхограммы; визуализация схемы фактического движения судна за время записи файла; табличное представление характеристик обратного рассеивания и плотностей, зарегистрированных за кадр или фрагмент скоплений;
Идентификация модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом на примере использования программно-технического комплекса АСКОР-2 на разнотипных внутренних водоемах Российской Федерации
Допущением для такого заключения служит отсутствие пропусков регистрации цели за время её нахождения в зоне регистрации.
Описанная изменчивость амплитуды эхосигнала от одиночной цели за ряд регистрации хорошо видна на рисунке 1.3.3, судно двигалось малым ходом, и цели находились в зоне регистрации достаточно долго для иллюстрации приведенных здесь рассуждений. Как видно из рисунка 2.3.11, цель, проходя через зону регистрации, будет регистрироваться на разных глубинах, это хорошо видно на рисунке 1.2.3, где одиночные цели зарегистрированы в виде «галок» со свисающими концами. Именно этим объясняется необходимость поиска одиночных сигналов, составляющих ансамбль регистрации одной и той же цели, в соседних посылках в пределах диапазона + тэффект. Сервисные функции программы, такие как, меню управления и настроек, вывод результатов на экран, печать и в файл, здесь не рассматриваются, так как они прямо не относятся к рассматриваемой модели количественной оценки плотности водных биомасс. В математическое обеспечение системы АСКОР-2 входит программа расчета параметров системы (модели), определяемых акустической калибровкой по эталонной цели. Непосредственно сама процедура калибровки гидроакустической аппаратуры подробно рассмотрена во многих специальных работах, например [7,47]. Ниже, на рисунке 3.2.3, приведена блок-схема программной реализации обработки эхосигнала от эталонной цели с целью получения значений параметров рассматриваемой в предлагаемой диссертационной работе модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом.
Некоторые пояснения по пунктам блок-схемы (рисунок 3.2.3) алгоритма получения значений параметров рассматриваемой модели с использованием эхосигнала от эталонной цели. 3. Файлы записи оцифрованного эхосигнала от эталонной цели обычно имеют небольшой размер, рекомендованное значение числа посылок не более 1000, поэтому сжатие эхограммы до размеров графического объекта производится методами класса графического объекта. 4. Указанная пользователем зона анализа (см. рисунки 2.3.6 и 2.3.8) указывает точное положение эхосигнала от эталонной цели и границы анализа. При выборе зоны анализа следует использовать участки эхограммы с наибольшими амплитудами эхосигнала от эталонной цели, сравнивая цвет сигнала на эхограмме со шкалой силы цели. Аналогичное решение существует и в других программных средствах по гидроакустической калибровке, например Simrad ЕР500 [68]. 5. Поиск посылки (блока считывания) с максимальным значением амплитуды от эталонной сферы означает поиск той посылки, в которой эталонная цель находилась на минимальном расстоянии от акустической оси антенны, в идеале — точно на оси. 6. Оператор break (оператор языка C++) означает прекращение циклического поиска заданного условия при наступлении его первой реализации. Глава 4. Идентификация модели количественной оценки водных биомасс гидроакустическим методом на примере использования программно-технического комплекса АСКОР-2 на разнотипных внутренних водоемах Российской Федерации Содержание настоящего раздела предлагаемой к рассмотрению диссертационной работы изложено, в основном, в сделанной автором, в соавторстве с с.н.с. института СевНИИРХ Сычевым А.Н., публикации в журнале «Рыбное хозяйство» № 5 за 2002 год «Результаты гидроакустических исследований по количественной оценке рыбных ресурсов Онежского озера, Северного Каспия и озера Байкал с использованием комплекса АСКОР-2»[12]. Так же использовались материалы сданной в публикацию в журнал «Рыбное хозяйство» статьи «Опыт количественной оценки макрофитов Белого моря гидроакустическим методом», написанную автором предлагаемой к рассмотрению диссертационной работы совместно с к.б.н. Прониной О.А. (СевПИНРО), д.т.н. Кудрявцевым В.И. (ВНИРО), Воробьевым А.В. (СевПИНРО). В 2000 - 2001 годах были проведены гидроакустические исследования с использованием комплекса АСКОР-2 по изучению распределения популяций рыб и оценке биоресурсов на трех разнотипных водоемах: Онежском озере, Северной части Каспийского моря и озере Байкал. На каждом водоеме данные по численности, полученные комплексом АСКОР-2, сопоставлялись с результатами контрольных обловов. Для перехода от численности к биомассе и определения видового соотношения рыб также использовались характеристики опытных траловых и сетных станций. Интерпретация относительных значений плотности, получаемых гидроакустическим методом (см. раздел 1.3), в оценку абсолютного значения численности (биомассы) проводилась по методике, изложенной в подразделе 1.4 с использованием программного пакета "Surfer8", производитель "Golden Software Inc", США. Для интерполяции значений пространственно распределенных зарегистрированных значений плотности в узлы регулярной решетки использовался «геостатистический» метод с линейной моделью вариограммы.
Онежское озеро Тралово-акустическая съемка Онежского озера, по согласованию с рыбодобывающими организациями, проводилась, главным образом, в зоне наиболее интенсивного рыболовства, т.е. пределах глубин от 10 до 40 метров. Площадь исследованной акватории составила около 300 тыс. га (примерно 1/3 площади водоема). Первоначальной задачей была количественная оценка популяций массовых мелкочастиковых рыб - ряпушки и корюшки. Из данных видов в Онежском озере наиболее ценным является ряпушка, которая здесь сравнительно мелкая, весом до 75 г и длиной до 20 см; в среднем 17 - 20 г и 12-14 см. Типично пелагический вид, держится глубин 20 - 25 м. Съемка показала: в летний нагульный период популяция ряпушки в северной части Онежского озера на очень небольшой акватории (около 13 тыс. га) образует скопление величиной биомассы более 700 т; плотность в данный период на отдельных участках доходила до 500 кг/га, в среднем по району составила 55 кг/га в то время как на остальной акватории показатели плотности биомассы редко превышали 5-6 кг/га. Общая биомасса ряпушки на
Онежском озере на обследованной акватории составила 3700 т. На рисунке 4.1 представлен планшет распределения ряпушки на акватории Повенецкого залива Онежского озера на время проведения гидроакустической съемки, в таблице 4.1 представлены численные результаты оценки биомассы ряпушки на указанной акватории. 150 Другой объект изучения среди массовых мелкочастиковых рыб - корюшка, которая в данном водоеме представлена мелкой формой, массой в среднем 5 - 6 г, длиной до 10 см. Держится, как в пелагиали, так и в придонном слое, в зависимости от времени года и суток. Результаты гидроакустических исследований свидетельствуют: популяция корюшки в нагульный период на большей части акватории Онежского озера находилась в рассеянном состоянии, показатели плотности биомассы невысокие, до 20 кг/га, в среднем до 10 кг/га. В то же время, как показала летняя съемка, в центральной и южной частях озера наблюдаются утренние вертикальные миграции корюшки, в результате чего в придонном слое на глубинах 20 - 22 м образуются мощные концентрации, в среднем 200 кг/га, высотой 2 - 4 м. Общая биомасса промыслового запаса корюшки на обследованной площади Онежского озера определена в 9,5 тыс. т. При определении пространственного распределения плотности биомассы и величины запаса крупночастиковых рыб (сиг, лосось, судак, лещ, налим и др.) бьша выделена размерная группа 23 - 70 см. В дальнейшем, видовое соотношение в ней определялось из многолетних данных опытных тралений и промысловой статистики для различных участков водоема. Средние показатели относительной биомассы крупночастиковых рыб в различных частях Онежского озера составили от 5 до 44 кг/га; общая биомасса промыслового запаса по всему водоему в пределах обследованной акватории определена в 2,7 тыс. т.
