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基于声学标志和无线跟踪方法的鱼类行为研究

王志超 陈国宝 曾雷

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基于声学标志和无线跟踪方法的鱼类行为研究

    作者简介: 王志超(1992 — ),男,硕士研究生,从事渔业资源及渔业水声学研究。E-mail: wzcwode@sina.com;
    通讯作者: 陈国宝, chenguobao@scsfri.ac.cn
  • 中图分类号: S 931.5

Study of fish behavior using acoustic fish tags and wireless tracker

    Corresponding author: Guobao CHEN, chenguobao@scsfri.ac.cn ;
  • CLC number: S 931.5

  • 摘要: 为了解增殖放流鱼类的行为规律,于2016年7月16日—7月31日在深圳七星湾湾口海域对紫红笛鲷(Lutjanus argentimaculatus)与黑鲷(Acanthopagrus schlegelii) 2种增殖放流品种取样进行体外悬挂式超声波标志跟踪研究,采用浮标式无线数据传输接收机进行标志信号接收,并对鱼类行为进行初步分析,4尾样品鱼中的2尾(1尾黑鲷和1尾紫红笛鲷)获取数据较为完整,另2尾(紫红笛鲷)在跟踪4 d后游离跟踪范围。结果表明,该研究选取的紫红笛鲷与黑鲷都存在较为明显的昼夜活动规律及藏匿等行为,主要集中在放流点附近100 m较小范围内活动,日间(7:00—20:00)获取的数据量明显少于夜间(20:00—7:00),黑鲷日间于9~10 m水层活动,夜间于8~9 m水层活动;紫红笛鲷日间于2~3.5 m水层活动,夜间于1~2 m水层活动。通过对增殖放流鱼类的标志跟踪,旨在促进该方法在鱼类行为研究及在增殖放流和海洋牧场建设效果评价方面的应用。
  • 图 1  发射-接收系统

    Figure 1.  Sending-receiving system

    图 2  接收机布置区域

    Figure 2.  Designed areas of receivers

    图 3  接收机、参考标志与跟踪标志间的位置关系

    Figure 3.  Position of receiver, reference pinger and tracking pinger

    图 4  4尾鱼的水平位置

    Figure 4.  Horizontal position of four fishes

    图 5  紫红笛鲷的深度变化

    Figure 5.  Depth change of L.argentimaculatus

    图 6  黑鲷的深度变化

    Figure 6.  Depth change of A.schlegelii

    图 7  紫红笛鲷与黑鲷有效数据量变化

    Figure 7.  Account of effective data volume

    表 1  标志不同发射周期对应的使用寿命

    Table 1.  Corresponding life of different emission cycles

    发射周期/s
    emission cycle
    电池寿命/d
    life of battery
    1 2
    5 10
    15 30
    180 360
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    表 2  放流鱼规格、投放时间、携带标志信息及数据获取情况

    Table 2.  Size, released date, information of tags and data acquired status of releasing fish

    鱼种
    species
    投放时间
    released date
    体长/cm
    length
    体质量/g
    body mass
    标志编码
    code
    发射间隔/s
    interval
    有效数据天数
    acquisition days
    是否再次获取
    acquisition again
    紫红笛鲷
    L.argentimaculatus
    7月16日 25.5 650 1 15 4 ×
    紫红笛鲷
    L.argentimaculatus
    7月17日 27.8 900 2 15 15
    紫红笛鲷
    L.argentimaculatus
    7月17日 29.5 1 250 3 5 4 ×
    黑鲷
    A.schlegelii
    7月17日 23 400 4 10 15
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    表 3  接收机及参考标志坐标转换

    Table 3.  Transformation of coordinates of receivers and reference pinger

    接收机
    receiver
    转换前WGS_1984坐标系WGS_1984
    coordinate system before transform
    转换后CGCS2000平面坐标系CGS2000
    coordinate system after transform
    S1 114°31′47.561″E 22°34′15.065″N 554 495.216 m 2 497 109.951 m
    S2 114°31′48.276″E 22°34′21.232″N 554 514.95 m 2 497 299.722 m
    S3 114°31′40.858″E 22°34′17.781″N 554 303.417m  2 497 192.824m
    参考标志
    reference Pinger
    114°31′43.705″E 22°34′17.781″N 554 386.448 m 2 497 192.824 m
    下载: 导出CSV
  • [1] 傅仰大. 海洋生物水声遥测介绍[J]. 海洋技术学报, 1981(1): 49-57
    [2] MORRISCOREY J, GREENJOHN M, SNELGROVEPAUL V R, et al. Temporal and spatial migration of Atlantic cod (Gadus morhua) inside and outside a marine protected area and evidence for the role of prior experience in homing[J]. Can J Fish Aquat Sci, 2014, 71(11): 1704-1712
    [3] LACROIX G L. Migratory strategies of Atlantic salmon (Salmo salar) postsmolts and implications for marine survival of endangered populations[J]. Can J Fish Aquat Sci, 2013, 70(1): 32-48
    [4] MITSUNAGA Y, ENDO C, BABARAN R P. Schooling behavior of juvenile yellowfin tuna Thunnus albacares around a fish aggregating device (FAD) in the Philippines[J]. Aquat Living Resour, 2013, 26(1): 79-84
    [5] MCMAHA N D, BRADY D C, COWAN D F, et al. Using acoustic telemetry to observe the effects of a groundfish predator (Atlantic cod, Gadus morhua) on movement of the American lobster (Homarus americanus)[J]. Can J Fish Aquat Sci, 2013, 70(11): 1625-1634
    [6] WHITNEY N M, TAQUET M, BRILL R W, et al. Swimming depth of dolphinfish (Coryphaena hippurus) associated and unassociated with fish aggregating devices[J]. Fish Bull, 2016, 114(4): 426-434
    [7] BACHELER N M, PARAMORE L M, BURDICK S M, et al. Variation in movement patterns of red drum (Sciaenops ocellatus) inferred from conventional tagging and ultrasonic telemetry[J]. Fish Bull, 2009, 107(4): 405-419
    [8] ITO Y, MIURA H, NAKAMURA K, et al. Behavior properties of Jack mackerel Trachurus japonicus using ultrasonic biotelemetry in artificial reef off the coast of Hamochi, Sado Island, the Sea of Japan[J]. Nippon Suisan Gakkaishi, 2009, 75(6): 1019-1026
    [9] REUBENS J T, PASOTTI F, DEGRAER S, et al. Residency, site fidelity and habitat use of Atlantic cod (Gadus morhua) at an offshore wind farm using acoustic telemetry[J]. Mar Environ Res, 2013, 90(3): 128-135
    [10] 危起伟, 杨德国. 长江中华鲟超声波遥测技术[J]. 水产学报, 1998, 22(3): 211-217
    [11] 郭禹, 汤勇, 赵文武, 等. 基于小型声学标记的花尾胡椒鲷行为研究[J]. 上海海洋大学学报, 2016, 25(2): 282-290
    [12] 佟飞, 秦传新, 余景, 等. 粤东柘林湾溜牛人工鱼礁建设选址生态基础评价[J]. 南方水产科学, 2016, 12(6): 25-32
    [13] 莫宝霖, 秦传新, 陈丕茂, 等. 基于Ecopath模型的大亚湾海域生态系统结构与功能初步分析[J]. 南方水产科学, 2017, 13(3): 9-19
    [14] 罗宏伟, 段辛斌, 刘绍平, 等. 手术植入发射器对鱼类影响研究进展[J]. 应用生态学报, 2013, 24(4): 1160-1168
    [15] WILLIAMS-GROVE L J, SZEDLMAYER S T. Depth preferences and three-dimensional movements of red snapper, Lutjanus campechanus, on an artificial reef in the northern Gulf of Mexico[J]. Fish Res, 2017, 190: 61-70
    [16] LUO J G, SERFY J E, SPONAUGLE S, et al. Movement of gray snapper Lutjanus griseus among subtropical seagrass, mangrove, and coral reef habitats[J]. Mar Ecol Prog Ser, 2009, 380: 255-269
    [17] HOBSON E. Activity of Hawaiian reef fishes during the evening and morning transitions between daylight and darkness[J]. Fish Bull, 1972, 70(3): 715-740
    [18] ZAGARS M, IKEJIMA K, ARAI N, et al. Migration patterns of juvenile Lutjanus argentimaculatus in a mangrove estuary in Trang province, Thailand, as revealed by ultrasonic telemetry[J]. Environ Biol Fish, 2012, 94(2): 377-388
    [19] IIGO M, TABATA M. Circadian rhythms of locomotor activity in the goldfish Carassius auratus[J]. Physiol Behav, 1996, 60(3): 775-781
    [20] YOKOTA T, MITAMURA H, ARAI N, et al. Comparison of behavioral characteristics of hatchery-reared and wild red tilefish Branchiostegus japonicus released in Maizuru Bay by using acoustic biotelemetry[J]. Fish Sci, 2006, 72(3): 520-529
    [21] CURREY L M, HEUPEL M R, SIMPFENDORFER C A, et al. Sedentary or mobile? Variability in space and depth use of an exploited coral reef fish[J]. Mar Biol, 2014, 161(9): 2155-2166
    [22] MITAMURA H, UCHIDA K, MIYAMOTO Y, et al. Short-range homing in a site-specific fish: search and directed movements[J]. J Exp Biol, 2012, 215(Pt 16): 2751-2759
    [23] YOKOTA T, MASUDA R, ARAI N, et al. Hatchery-reared fish have less consistent behavioral pattern compared to wild individuals, exemplified by red tilefish studied using video observation and acoustic telemetry tracking[J]. Hydrobiologia, 2007, 582(1): 109-120
    [24] GALLAWAY B J, SZEDLMAYER S T, GAZEY W J. A life history review for red snapper in the Gulf of Mexico with an evaluation of the importance of offshore petroleum platforms and other artificial reefs[J]. Rev Fish Sci, 2009, 17(1): 48-67
    [25] MECKLEY T D, HOLBROOK C M, WAGNER C M, et al. An approach for filtering hyperbolically positioned underwater acoustic telemetry data with position precision estimates[J]. Anim Biotelem, 2014, 2(1): 7
    [26] XYDES A, MOLINE M, LOWE C G, et al. Behavioral characterization and Particle Filter localization to improve temporal resolution and accuracy while tracking acoustically tagged fishes[J]. Ocean Eng, 2013, 61(15): 1-11
    [27] GJELLAND K Ø, HEDGER R D. Environmental influence on transmitter detection probability in biotelemetry: developing a general model of acoustic transmission[J]. Methods Ecol Evol, 2013, 4(7): 665-674
    [28] STEEL A E, COATES J H, HEARN A R, et al. Performance of an ultrasonic telemetry positioning system under varied environmental conditions[J]. Anim Biotelem, 2014, 2(1): 1-17
    [29] DANCE M A, MOULTON D L, FUREY N B, et al. Does transmitter placement or species affect detection efficiency of tagged animals in biotelemetry research?[J]. Fish Res, 2016, 183: 80-85
    [30] ABECASIS D, COSTA B H, AFONSO P A, et al. Early reserve effects linked to small home ranges of a commercial fish, Diplodus sargus, Sparidae[J]. Mar Ecol Prog Ser, 2015, 518: 255-266
    [31] IAFRATE J D, WATWOOD S L, REYIER E A, et al. Effects of pile driving on the residency and movement of tagged reef fish[J]. PLoS One, 2016, 11(11): e0163638
  • [1] 柳琪区又君 . 鱼类早期发育阶段摄食行为研究现状. 南方水产科学, 2006, 2(1): 71-75.
    [2] 武智谭细畅李新辉汤勇 . 珠江首次禁渔西江段鱼类资源声学跟踪监测分析. 南方水产科学, 2014, 10(3): 24-28. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2014.03.004
    [3] 刘劲科陈春亮 . 计算机在拖网配纲检验中的应用. 南方水产科学, 2007, 3(5): 61-64.
    [4] 胡晓亮王锡昌李玉林王易芬沈建 . 基于介电特性的狭鳕鱼糜无线电波解冻数值模拟. 南方水产科学, 2018, 14(5): 95-102. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.05.012
    [5] 王萍桂福坤吴常文金姗姗 . 光照对眼斑拟石首鱼行为和摄食的影响. 南方水产科学, 2009, 5(5): 57-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-2227.2009.05.010
    [6] 沈亚男张博姜松刘宝锁黄桂菊喻达辉 . 基于脂肪酸标志法的不同海区合浦珠母贝的摄食差异研究. 南方水产科学, 2015, 11(6): 27-33. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2015.06.004
    [7] 许明昌 . 基于单片机和无线电遥控技术的网衣升降控制系统设计. 南方水产科学, 2012, 8(1): 75-82. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2012.01.012
    [8] 武智李新辉李捷陈方灿朱书礼 . 红水河岩滩水库鱼类资源声学评估. 南方水产科学, 2017, 13(3): 20-25. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.03.003
    [9] 廖锐区又君 . 鱼类耳石研究和应用进展. 南方水产科学, 2008, 4(1): 69-74.
    [10] 吕俊霖陈怡飙谢威戴世明 . 基于Flash的鱼类标本展示技术. 南方水产科学, 2010, 6(6): 70-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-2227.2010.06.012
    [11] 徐田振李新辉李跃飞杨计平武智朱书礼李捷 . 郁江中游金陵江段鱼类早期资源现状. 南方水产科学, 2018, 14(2): 19-25. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2018.02.003
    [12] 李本旺蓝昭军李强黄永强莫介化王晓斌1李春枝李敏 . 东莞淡水和河口鱼类资源状况调查. 南方水产科学, 2011, 7(2): 22-28. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2011.02.004
    [13] 段志刚吴金英李文笙 . 低温对罗非鱼类影响的相关研究进展. 南方水产科学, 2011, 7(6): 77-82. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2011.06.013
    [14] 张月平陈丕茂 . 南沙岛礁周围水域主要鱼类食物网. 南方水产科学, 2005, 1(6): 23-33.
    [15] 刘良国王文彬杨春英罗玉双杨品红 . 洞庭湖水系资江干流鱼类资源现状调查. 南方水产科学, 2014, 10(2): 1-10. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2014.02.001
    [16] 韩林强李胜杰于凌云白俊杰 . RNA干扰技术在鱼类中的研究进展. 南方水产科学, 2009, 5(3): 67-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-2227.2009.03.012
    [17] 王迪林昭进 . 珠江口鱼类群落结构的时空变化. 南方水产科学, 2006, 2(4): 37-45.
    [18] 袁华荣陈丕茂秦传新黎小国周艳波冯雪余景舒黎明唐振朝佟飞 . 南海柘林湾鱼类群落结构季节变动的研究. 南方水产科学, 2017, 13(2): 26-35. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.02.004
    [19] 梁庆洋齐占会巩秀玉韩婷婷史荣君张文博谷阳光黄洪辉 . 大亚湾鱼类深水网箱养殖对环境的影响. 南方水产科学, 2017, 13(5): 25-32. doi: 10.3969/j.issn.2095-0780.2017.05.004
    [20] 孙冬芳李永振董丽娜 . AFLP技术在鱼类种群分析中的应用. 南方水产科学, 2009, 5(6): 71-75. doi: 10.3969/j.issn.1673-2227.2009.06.013
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-08-30
  • 录用日期:  2017-09-25
  • 刊出日期:  2018-04-01

基于声学标志和无线跟踪方法的鱼类行为研究

    作者简介:王志超(1992 — ),男,硕士研究生,从事渔业资源及渔业水声学研究。E-mail: wzcwode@sina.com
    通讯作者: 陈国宝, chenguobao@scsfri.ac.cn
  • 1. 中国水产科学研究院南海水产研究所,中国水产科学研究院海洋牧场技术重点实验室,农业部南海渔业资源环境科学观测实验站,广东 广州 510300
  • 2. 大连海洋大学,辽宁 大连 116023

摘要: 为了解增殖放流鱼类的行为规律,于2016年7月16日—7月31日在深圳七星湾湾口海域对紫红笛鲷(Lutjanus argentimaculatus)与黑鲷(Acanthopagrus schlegelii) 2种增殖放流品种取样进行体外悬挂式超声波标志跟踪研究,采用浮标式无线数据传输接收机进行标志信号接收,并对鱼类行为进行初步分析,4尾样品鱼中的2尾(1尾黑鲷和1尾紫红笛鲷)获取数据较为完整,另2尾(紫红笛鲷)在跟踪4 d后游离跟踪范围。结果表明,该研究选取的紫红笛鲷与黑鲷都存在较为明显的昼夜活动规律及藏匿等行为,主要集中在放流点附近100 m较小范围内活动,日间(7:00—20:00)获取的数据量明显少于夜间(20:00—7:00),黑鲷日间于9~10 m水层活动,夜间于8~9 m水层活动;紫红笛鲷日间于2~3.5 m水层活动,夜间于1~2 m水层活动。通过对增殖放流鱼类的标志跟踪,旨在促进该方法在鱼类行为研究及在增殖放流和海洋牧场建设效果评价方面的应用。

English Abstract

  • 超声波标志跟踪是研究鱼类行为的有效方式,研究主要面向海洋生物的生态行为、生理行为以及人类活动对海洋生物的影响[1]。国外利用超声波标志跟踪方法对鱼类行为的研究开展较早,对鳕鱼、鲑鱼、金枪鱼等经济鱼类的洄游迁徙做了大量研究[2-4],对鱼类摄食、昼夜活动以及季节活动等行为的研究也获得了大量成果[5-7]。近年来,在人工鱼礁区开展的研究已经可以通过分析鱼类的活动规律达到初步评价鱼礁投放效果的目的[8-9]。我国的相关研究开展较少,危起伟等[10]对中华鲟(Acipenser sinensis)的洄游进行了研究,使超声波标志跟踪方法在珍稀鱼类的资源保护研究中得到应用;郭禹等[11]对花尾胡椒鲷(Plectorhinchus cinctus)的超声波标志跟踪研究,在放流鱼类行为研究方面进行了初步探索,但尚未见有在天然水域内进行研究的报道。

    本研究尝试改进数据的获取方法,采用浮标式接收机,利用无线通信网络动态传输信标的数据,并改进测位计算方法,对大亚湾沿海常见的养殖及垂钓并作为典型增殖放流品种的紫红笛鲷(Lutjanus argentimaculatus)和黑鲷(Acanthopagrus schlegelii)进行现场跟踪,在获得跟踪鱼类行为的同时考察系统的性能,为今后有效开展鱼类声学标志跟踪研究提供参考,并促进标志跟踪方法在增殖放流和海洋牧场建设效果评价方面的应用。

    • 本研究使用FPX-1030-60P50型编码标志,发射频率62.5 kHz,声源级155 dB relμPa。外观直径10 mm,长35 mm,空气中质量4.5 g,水中质量1.8 g。标志发射周期性脉冲信号,不同周期对应的标志使用寿命见表1。标志自身带有压力传感器,随深度的增大标志发射脉冲的内部间隔(1次发射2个脉冲)增大,通过测量脉冲信号的内部间隔换算推定深度。

      发射周期/s
      emission cycle
      电池寿命/d
      life of battery
      1 2
      5 10
      15 30
      180 360

      表 1  标志不同发射周期对应的使用寿命

      Table 1.  Corresponding life of different emission cycles

      本研究使用FMR1000型接收装置接收信号,信号带宽为55~70 kHz;接收放大器总增益为70 dB,携带专用IC进行编码相关处理,相位调制;接收频率9 600 bit·s–1,耐压0.5 MPa (50 m水深)。接收装置加入中国移动GPRS网络通讯模块,数据不仅可以保存在SD卡,也可以通过移动网络发回实时数据,由自主搭建的服务器端接收保存,用户可以使用客户端下载服务器端数据进行跟踪等处理,发射-接收系统原理见图1

      图  1  发射-接收系统

      Figure 1.  Sending-receiving system

    • 本研究于2016年7月16日—7月31日在深圳七星湾湾口海域进行,为大亚湾海域生态基础最优时节(夏季)[12],平均水深小于10 m,研究区域的食物网结构较为简单[13]。接收机列阵包括3个接收单元。接收机布置为三角形阵列,参考标志布置于3个接收单元中心区域(图2)。接收机布置距离根据可接收信号的最大距离而定,主要考虑水深对接收距离的影响,将接收机布置距离设计在200 m,参考标志布置在接收范围中心区域,使用差分GPS记录接收机及参考标志布置位置。

      图  2  接收机布置区域

      Figure 2.  Designed areas of receivers

    • 研究标记3尾紫红笛鲷和1尾黑鲷,标记鱼为体长20~30 cm的养殖成鱼。超声波标志有体内植入和体外悬挂2种方式,虽然采用体内植入标志不易刮掉,但是手术过程较为复杂且对鱼伤害较大[14],采用体外悬挂可以减小鱼的负担且恢复更快,故本研究采用体外悬挂方式。选取较为活跃的个体悬挂标志,使用适量鱼安定麻醉后将超声波标志悬挂于鱼背脊上,悬挂前后对伤口进行消毒处理,防止感染,标记悬挂过程尽量减小对鱼的创伤,保证鱼的正常活动。标记完成后将鱼置于清水中,待麻醉恢复将鱼在接收器列阵中心区域释放。7月16日投放了1#标记鱼,7月17日投放了2#、3#、4#标记鱼。放流前标记鱼活动情况良好。根据研究需要设置3个不同时间间隔,1#和2#标志设置为15 s,3#设置为5 s,4#设置为10 s。将3个接收机同时获取且存在周期性时间规律的数据视为有效数据。研究期间2#和4#标志表现良好,获取了全部15 d的有效数据,1#和3#标志都只获取到4 d的有效数据,且在之后的跟踪过程中没有再次发现有效数据(表2)。

      鱼种
      species
      投放时间
      released date
      体长/cm
      length
      体质量/g
      body mass
      标志编码
      code
      发射间隔/s
      interval
      有效数据天数
      acquisition days
      是否再次获取
      acquisition again
      紫红笛鲷
      L.argentimaculatus
      7月16日 25.5 650 1 15 4 ×
      紫红笛鲷
      L.argentimaculatus
      7月17日 27.8 900 2 15 15
      紫红笛鲷
      L.argentimaculatus
      7月17日 29.5 1 250 3 5 4 ×
      黑鲷
      A.schlegelii
      7月17日 23 400 4 10 15

      表 2  放流鱼规格、投放时间、携带标志信息及数据获取情况

      Table 2.  Size, released date, information of tags and data acquired status of releasing fish

    • 本研究使用的发射-接收系统匹配独立算法,由于接收到的信号会存在同一个信号的多重反射波,需要进行滤波处理提取相应的信号,获得准确的测位结果。水平测位方法基于长基线原理(接收器之间的距离远大于声波波长),根据标志发射信号到达各个接收器的时间差来计算。设S1~S3分别为3个接收机,B (xB, yB)为参考标志,P (xP, yP)为待计算位置标志,r1r2r3R1R2R3的距离以三角函数形式表示(图3)。

      图  3  接收机、参考标志与跟踪标志间的位置关系

      Figure 3.  Position of receiver, reference pinger and tracking pinger

      d1~d3表示各接收器接收的参考信标信号与跟踪信标间的时间差,这个时间差与声速c,参考信标与跟踪信标到各接收器的传播距离rR,及参考信标与跟踪信标在接收器接收时的同步时间差D之间存在如下关系:

      其中xPyPDR1~R3为未知所求项,r1~r3是已知项,消去R1~R3后得出深度方向的三维曲面坐标为:

      将式(5)–(4),(6)–(4)后得出结果用二维函数形式表示得:

      假设初始值为x(0)y(0),跟踪过程中,x(0)y(0)以微小幅度∆x,∆y在水平位置变化,则其在这种变化情况下的表达式变为:

      其中i=1,2。而当 ${{{f}}_{{i}}}\left( {{{{x}}^{\left( 0 \right)}} + \Delta {{x}},{{{y}}^{\left( 0 \right)}} + \Delta {{y}}} \right) = 0$ 时, ${\rm{O}}\left( {\Delta {{{x}}^2},\Delta {{{y}}^2}} \right)$ xy的二阶无穷小,近似为零,将i=1,2时条件下两式连立得二元一次方程组为:

      由于每个跟踪标志点x(0)y(0)以微小幅度∆x,∆y变化,其变化后得出的新坐标为:

      这样将(4)~(6)式带回(10)式返回计算。同样也需要给出微小差值ε,每一时间差内的微小位置变化需同时满足 $\left| {{{{x}}_{{p}}} - {{{x}}^{\left( {{\rm N}} \right)}}} \right| < \varepsilon $ $\left| {{{{y}}_{{p}}} - {{{y}}^{\left( {{\rm N}} \right)}}} \right| < \varepsilon $ 两个条件,然后用反复计算得出x(N)y(N),而此时的位置坐标x(N)y(N)为跟踪标记鱼体的位置坐标。在计算过程中N值需要多次反复计算才能得出。

      在实际计算中,为获取跟踪标记鱼的地理位置信息,需将接收机的经纬度坐标转化为平面投影坐标作为计算时使用的坐标,再通过高斯反算方法得到跟踪标记鱼的经纬度坐标。本研究的平面投影坐标转换见表3

      接收机
      receiver
      转换前WGS_1984坐标系WGS_1984
      coordinate system before transform
      转换后CGCS2000平面坐标系CGS2000
      coordinate system after transform
      S1 114°31′47.561″E 22°34′15.065″N 554 495.216 m 2 497 109.951 m
      S2 114°31′48.276″E 22°34′21.232″N 554 514.95 m 2 497 299.722 m
      S3 114°31′40.858″E 22°34′17.781″N 554 303.417m  2 497 192.824m
      参考标志
      reference Pinger
      114°31′43.705″E 22°34′17.781″N 554 386.448 m 2 497 192.824 m

      表 3  接收机及参考标志坐标转换

      Table 3.  Transformation of coordinates of receivers and reference pinger

      深度(D,m)计算公式为:

      其中a和b为深度模型拟合系数,通过出厂前进行耐压测试后获得,T为发射脉冲的内部时间间隔,随深度增大而增大。

    • 本文对研究获得结果所表明的鱼类行为进行初步分析,4尾鱼的水平位置计算结果见图4,计算结果显示为标记鱼的实际地理位置。紫红笛鲷2#和黑鲷4#在实验过程中获取数据较为完整,黑鲷4#的活动范围较小(活动半径80 m),紫红笛鲷2#的活动范围相对较大,在实验后期也稳定在较小的范围内活动(活动半径100 m)。紫红笛鲷1#和紫红笛鲷3#在跟踪4 d后游离跟踪范围,其中紫红笛鲷1#向离岸方向活动后信号消失,紫红笛鲷3#活动至岸边后信号消失。

      图  4  4尾鱼的水平位置

      Figure 4.  Horizontal position of four fishes

    • 取实验数据效果良好的紫红笛鲷2#和黑鲷4#进行分析。紫红笛鲷在实验期间内活动的深度主要集中在1~3 m水层,这一深度所占频率接近80%,其中1~2 m水层的活动占比接近60%,有部分时间在5 m以上较深水层活动(图5-a),20:00—7:00时段紫红笛鲷的活动深度虽然有一定波动,但相较于日间时段的深度较浅,总体相差接近0.6 m,活动深度的最大值出现在8:00—11:00,23:00前后及黎明时段(5:00—7:00)活动深度最浅(图5-b),结果表明,紫红笛鲷在实验期间表现出一定的昼夜活动变化。黑鲷入水后经过一段适应期,这段时间内在2~3 m的水层做无规律活动,适应环境后在底层活动,深度波动较小,范围在8~10 m (图6-a),黑鲷活动的深度变化并不明显,但也呈现出一定的波动规律,在9:00—14:00以及23:00—3:00时段达到深度最大值,5:00—7:00和19:00—22:00时段达到深度最小值(图6-b)。

      图  5  紫红笛鲷的深度变化

      Figure 5.  Depth change of L.argentimaculatus

      图  6  黑鲷的深度变化

      Figure 6.  Depth change of A.schlegelii

    • 研究过程中发现,大部分有效数据在夜间(20:00—7:00)时段获得,日间(7:00—20:00)时段只获得少量有效数据(图7-ab),除环境因素的影响外,主要原因是紫红笛鲷2#以及黑鲷4#在夜间和日间的活动频率以及活动区域不同导致日间时段数据大量遮蔽。紫红笛鲷2#有效数据量的最大值出现在2:00—6:00和0:00—1:00时段,9:00以后获得的有效数据量大量减少,13:00—15:00时段甚至没有获得有效数据。黑鲷4#夜间时段获得的有效数据量较多,在23:00—0:00、1:00—3:00和5:00—6:00等3个时段有效数据量最多,12:00—20:00时段获得的有效数据量最少,这个时段数据量的比例不足8%。紫红笛鲷2#与黑鲷4#在有效数据量的分布上基本一致。

      图  7  紫红笛鲷与黑鲷有效数据量变化

      Figure 7.  Account of effective data volume

    • 黑鲷4#在适应环境后稳定在8~10 m的底层活动,紫红笛鲷2#活动的水深相对较浅,但其同样属于岩礁性鱼类,应具有与黑鲷类似的底栖行为。数据结果表明紫红笛鲷2#的活动是存在明显变化规律的,可以排除标记鱼死亡或标志脱落等因素。主要存在以下2种原因: 1)紫红笛鲷的活动与季节因素有关,Williams-Grove和Szedlmayer[15]研究发现红鳍笛鲷(L.erythopterus)的活动深度存在季节性变化,在夏季8月并不完全贴近底层活动而主要集中于中上层,这与以往认为的底栖鱼类活动规律不同,同为笛鲷科鱼类,紫红笛鲷可能与红鳍笛鲷的活动规律存在相似之处;2)实验环境造成紫红笛鲷的活动深度发生变化,在不同环境下(如珊瑚礁区或红树林地带),紫红笛鲷的活动也不同,但是数据量的改变情况基本一致[16],紫红笛鲷2#日间的数据被大量遮蔽,表明其在实验区域找到适合藏匿的地点并遮蔽了部分信号。本研究发现紫红笛鲷2#与黑鲷4#活动深度昼夜变化的波动规律较为类似,由于活动水层不同,紫红笛鲷的深度变化相对明显,大部分岩礁性鱼类主要集中在夜间活动,日间活动相对较少[17],结果表明,紫红笛鲷和黑鲷在夜间的活动较为频繁,Zagars等[18]研究表明,紫红笛鲷在夜间的活动与潮位变化引起的食物量改变有关,环境的快速变化会影响鱼的昼夜活动,光线以及水温等条件的昼夜变化是形成鱼昼夜活动规律的原因之一[19]。紫红笛鲷和黑鲷的小范围活动及数据量变化表明2种鱼有藏匿行为,日间几乎很少活动,最活跃的时段为黎明前后的2~3 h以及日落后的2~3 h,在此期间深度的波动较为频繁。

      野生鱼和养殖鱼在行为特征上会有一定差别[20],本实验选取的样品鱼在野外捕获后于网箱中养殖,在行为上较为接近野生鱼,2种鱼都表现出定居性特征,鱼的定居行为受很多因素影响,一些岩礁性鱼类会根据季节及食物条件变化而迁徙[21],Mitamura等[22]研究表明在新栖息地放流的野生鱼会在一段时间后返回原栖息地,一些种类的野生个体相较于养殖个体在天然水域放流后会在放流地点停留更长时间[23],人类活动也会影响鱼对栖息地的选择[24],由于实验时间较短,无法判断这种定居行为的持续时间。

    • 本研究采用的跟踪测位方法以时间和水中声速作为基础数据,接收机记录的数据即为接收机接收到标志发射信号的时间序列,本研究使用的接收机记录数据精确到微秒(μs)。由于超声波标志自带压力传感器的灵敏度极高,目前无线跟踪测位系统的深度计算精度与实际深度基本可以达到一致,可以有效分析鱼的昼夜活动规律,同时需充分考虑到潮差对获取结果的影响。接收机采用数字解码技术,可有效屏蔽来自非标志发射信号的干扰,在数据获取过程中进行1次滤波。测位计算方法依据长基线原理设计,在计算之前需要对数据进行2次滤波,初步获取测位结果后进行迭代计算,提高定位精度,现有的滤波手段无法完全滤除杂波干扰,目前定位精度仅可以达到米级,这样的精度可以对鱼的活动范围进行判断,但无法得到鱼的精确位置,目前用于定位跟踪的同类产品也面临这样的问题,且在对移动目标进行定位时精度会更差一些,通过滤波处理和改进算法可以在一定程度上提高定位精度[25-26]

      本研究发现,环境变化对标志跟踪效果存在影响。本文提到的有效数据量变化主要受鱼类活动节律影响,同时在一定程度上会受到环境背景噪声的干扰,在数据处理过程中发现日间的环境背景噪声略高于夜间。Gjelland和Hedger[27]的研究表明,风等环境因素会使接收机对超声波标志发射出信号的检测效率产生一定影响,自然环境中与接收机接收频率相近的声音会干扰接收机对信号的解析,会对研究对象的活动规律判断产生影响,本研究发现,在出现较大风浪时信号接收效果明显变差,在降雨时甚至没有有效的数据信号返回。

      本研究发现,接收机的接收范围较为有限,通过对2尾失踪鱼的位置分析,认为在实验海域每个接收机最大的接收范围在600 m左右。接收机接收距离的大小是标志跟踪研究在实验设计阶段首先要考虑的因素,接收距离主要受水深和现场环境的影响,深度越小,环境越嘈杂,接收机的接收范围越小,Steel等[28]研究表明,当接收机距离达到某个临界范围时,数据的解析效率会出现断崖式滑坡。同时,要根据研究需要选取适当的标志固定方式,Dance等[29]研究表明,超声波标志置于鱼体内时信号接收效果差于将标志置于鱼体外,虽然本研究综合多方面因素考虑选择体外悬挂,但在暂养过程中发现将标志悬挂于鱼脊背会对鱼活动平衡性产生微小影响。

    • 增殖放流和海洋牧场人工鱼礁投放效果评价可以作为超声波标志跟踪研究的发展方向。目前的放流效果评估主要采用标记回捕的方法,有研究表明,一些鱼类有在繁殖季节返回固定地点的忠地性,环境的改变会影响这种习性[30-31],这也是大部分鱼类的共同特征,是标记回捕评估的主要依据,但这样的方法缺少对放流后鱼类生长过程的评价。所以,超声波标志跟踪的优势在于评估手段的科学性,可以通过对放流鱼类的活动状态进行评估,研究放流鱼类在自然状态下包括生长周期、洄游路线、死亡参数等相关数据,从而获得放流鱼类的生长史,对增殖放流的科学开展有重要意义。由于技术条件限制,本研究使用的超声波标志的质量(水中质量1.8 g)和体积(直径10 mm,长度35 mm)相对于放流幼鱼较大,需在鱼的体长、体质量达到适宜程度时进行标记,无法有效对幼鱼进行研究,这会使该方法目前无法在放流鱼类生长的幼鱼阶段提供评价依据。目前声学标志跟踪的相关研究尚无法有效获取鱼类活动的实时信息,有线式接收机在天然水域开展鱼类行为研究有一定的局限性,水下设置式接收机只能在研究过程中或研究结束后打捞读取数据,本研究采用的声学标志跟踪方法加入数据无线采集模块,优势在于可以实时获取数据进行处理,同步掌握研究动态,有利于研究的顺利进行。数据无线传输方法在增殖放流中的应用在于可以在放流鱼类的生长关键阶段(如繁殖阶段)进行实时跟踪,及时采取保护措施,提高增殖放流的效率。目前存在的问题是数据无线传输需在GPRS网络覆盖范围内实现,尚无法在离岸较远的开阔海域发挥该方法的优势。由于超声波标志跟踪设备的成本较高,由小范围科学研究转向大规模应用尚存在较大困难,如果能改进技术,节约成本,超声波标志跟踪的应用前景将十分广阔。

参考文献 (31)

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