Institut für
SF Seefischerei
Projekt
Weiterentwicklung von physikalischen Messmethoden zur nicht-invasiven in-situ Erfassung von Plankton und Fischen
Im Rahmen dieses Projektes werden hydroakustische und optische Messgeräte sowie Methoden gemeinsam eingesetzt und weiterentwickelt, um eine kontinuierliche, automatisierte, hochaufgelöste und nicht-invasive Erfassung mariner Organismen in ihrer natürlichen Umgebung zu ermöglichen. Darüber hinaus soll das Verständnis der Funktionszusammenhänge von Organismen verschiedener trophischer Ebenen (z.B. Fische und Zooplankton) sowie potentieller Verhaltensmuster wie z.B. die Vertikalwanderung einzelner Arten erweitert werden.
Hintergrund und Zielsetzung
Das Ziel des Projektes ist es, hydroakustische und optische Methoden einzusetzen, um eine kontinuierliche, automatisierte, hochaufgelöste und nicht-invasive Erfassung mariner Organismen in ihrer natürlichen Umgebung zu ermöglichen. Optische und akustische Verfahren können hierbei einzeln oder kombiniert genutzt werden, um die herkömmlichen Netzprobenahmen zu ersetzen oder zu ergänzen, da beide Verfahren in unterschiedlichsten Umgebungen nicht-invasiv eingesetzt werden können und zudem eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bieten.
Die akustischen Verfahren mit niedrigeren Frequenzen (38-200 kHz) bieten für die Erfassung von zum Beispiel Fisch und Zooplankton den Vorteil, dass sie in moderaten Entfernungen (zehn bis hunderte von Metern) eingesetzt werden können und große Wasservolumina erfassen. Höhere Frequenzen im Bereich von mehreren 100 kHz oder sogar MHz können hochauflösende akustische Bilder und selbst die akustische Rückstreuung von kleinen Zooplanktonarten erfassen. Andererseits können optische Methoden zur eindeutigen Identifizierung von Tieren wie Fischen und Zooplanktonorganismen eingesetzt werden.
Vor diesem Hintergrund werden am Thünen-Institut sogenannte in-situ-Geräte auf verschiedenen stationären, aber auch mobilen Geräteträgern eingesetzt sowie autonome Auswerteverfahren weiterentwickelt, um die Vorteile sowohl der optischen als auch der akustischen Methoden zu nutzen.
Zielgruppe
Politische Entscheidungsträger: innen; Meeres- und Fischereiwissenschaftler: innen
Vorgehensweise
Generell ist eine genaue Charakterisierung verschiedener mariner Ökosysteme mit hydroakustischen Daten ohne die zusätzliche Einbindung biologischer Informationen nur eingeschränkt möglich. Gleichzeitig lassen sich aus der Nutzung der optischen Daten nur begrenzt quantitative Informationen ableiten. Da demnach sowohl akustische als auch optische Überwachungssysteme ihre individuellen Vorteile, aber auch Schwächen, aufzeigen, wurden und werden in mehreren Studien beide Messmethoden gleichzeitig eingesetzt, um von den gewählten Kombinationen zu profitieren und mittelfristig ein autonomes und nicht-invasives Monitoring verschiedener mariner Ökosysteme und deren Ressourcen zu ermöglichen.
Am Thünen-Institut werden zur kontinuierlichen, teilweise automatisierten, hochaufgelösten und nicht-invasiven Erfassung mariner Organismen verschiedenste Kamera- und Sonarsysteme einzeln oder kombiniert eingesetzt, die im folgenden Abschnitt vorgestellt werden.
Unsere Forschungsfragen
- Wie lassen sich optische und hydroakustische Messgeräte und deren Auswertemethoden je nach wissenschaftlicher Fragestellung am besten kombinieren und weiterentwickeln, um ein automatisiertes, nicht-invasives sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Monitoring mariner Ökosysteme zu ermöglichen?
- Wie können wir die hydroakustischen und optischen Messmethoden und die Qualität der bereitgestellten Daten verbessern?
Vorläufige Ergebnisse
Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften Vorträge und Publikationen im Rahmen verschiedener ICES-Arbeitsgruppen, z.B. Working Group on Operational Oceanographic Products for Fisheries and Environment (WGOOFE), Working Group on Fisheries Acoustics, Science and Technology (WGFAST), Working Group on International Pelagic Surveys (WGIPS) Vorträge auf internationalen wissenschaftlichen Kongressen.
Links und Downloads
Entwicklung von R Paketen zur Modellierung vom akustischen Fingerabdruck
- Schwach streuende marine Orgnismen (vorrangig Zooplankton) - Distorted Wave Born Approximation ZooScatR
- Schwach oder stark streuende Arten (vorrangig Fische) – Kirchhoff-Ray Mode - KRMr
Nutzung autonomer Unterwasserroboter zur optischen und akustischen Erforschung von Zooplankton – siehe Zooglider Projekt
Daten und Methoden
Traditionell werden Akustische Doppler-Strömungsmesser (ADCPs) eingesetzt, um Strömungsvektoren in der Wassersäule zu erfassen. Hierbei wird der sogenannte Doppler-Effekt ausgenutzt. Der Doppler-Effekt beschreibt die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz, wenn sich die Quelle oder der Beobachter bewegt. Im Alltag kennen wir alle den Doppler-Effekt: Das „Martinshorn“ von einem sich annäherndem Krankenwagen erscheint höher, während es sich auf uns zubewegt und tiefer wenn es sich wieder entfernt. Dieser Effekt entsteht, weil die Schallwellen (oder Druckwellen) vor dem Krankenwagen zusammengepresst (höhere Frequenz = höherer Ton) und hinter dem Wagen gedehnt werden (tiefere Frequenz = tieferer Ton). Ähnliches passiert Unterwasser: Wird eine Schallwelle ausgesendet, so trifft diese auf ihrem Weg durch die Wassersäule auf sich bewegende Teilchen (Strömung). Durch den Doppler-Effekt werden somit die zurückgesendeten Signale in ihrer Frequenz verschoben. Aus dieser Verschiebung können Wissenschaftler dann die Richtung, in welche sich das Wasser bewegt, ableiten. Im Allgemeinen wird die Richtung als Vektor u (Ost-West), v (Nord-Süd), und w (Vertikal) angegeben.
ADCPs zur Erfassung von Nekton
Seit den Pionierarbeiten von Flagg und Smith (1989) haben viele Forscher, die mit akustischen Doppler-Strömungsmessern (ADCPs) gemessene Echointensität genutzt, um die zeitliche und räumliche Variabilität der Verteilung der Zooplanktonbiomasse zu untersuchen. ADCPs bieten gegenüber der herkömmlichen Netzprobenahme erhebliche Vorteile, da sie in extremen Umgebungen eingesetzt werden können und das ganze Jahr über autonom arbeiten, wodurch sie eine ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung bieten, um genaue Schätzungen zu Zeitpunkt, Geschwindigkeit und Ausmaß der täglichen Vertikalwandung (DVM) von verschiedenen Meeresorganismen zu liefern. ADCPs haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Geschwindigkeit in drei Dimensionen messen können, also auch die vertikalen Migrationsgeschwindigkeiten von verschiedenen Meeresorganismen. Andererseits haben sie jedoch den Nachteil, dass sie nur eine eingeschränkte Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen Arten bieten und keine quantitative Messung der Individuenzahlen ermöglichen. Auf der Grundlage von Zeitreihen, die über mehrere Jahre hinweg von autonomen ADCPs nördlich der Faröer-Inseln und im Weddellmeer aufgezeichnet wurden, konnten wichtige Einblicke in die vertikalen Migrationsmuster und die zeitlichen Veränderungen der Zooplanktonabundanz gewonnen werden.
Während bestehende Küstenobservatorien hauptsächlich optische oder hydroakustische Methoden verwenden, um das Vorkommen und Verhalten bestimmter Fischarten zu untersuchen, lag der Fokus von UFOTriNet auf der Entwicklung und dem Testen innovativer nicht-invasiver Mess- und Beobachtungssysteme, im Kern basierend auf bildgebender opto-akustischer Sensorik, zur synchronen und hochauflösenden Überwachung von Fischen und ihrer Umgebung. Momentan existieren drei verschiedene UFO- Systeme. Alle drei UFO- Systeme kombinieren moderne akustische und optische Verfahren (Mustererkennung) zum Monitoring von Fischbeständen. Dabei wird die im Überlappungsbereich liegende optische Nahfeld-Komponente (in direkter Nähe der akustischen Quelle breiten sich Schallwellen ungeordnet aus und eine Interpretation der Daten ist nicht trivial) als Unterstichprobe der räumlich weiterreichenden akustischen Fernfeld (gleichmäßige Ausbreitung von Schallwellen)-Komponente betrachtet. Durch die Kopplung der optischen und akustischen Daten können aussagekräftige Hybriddaten zur Verfügung gestellt werden. Die biologischen Hybriddaten aus Akustik und Stereo-Optik (Abundanz, Arterkennung, Größenmessungen) sowie parallel erhobene Daten der Umwelt-Sensoren (Temperatur, Salzgehalt, Chlorophyll, Strömungsgeschwindigkeit, Trübung etc.) werden gemeinsam aufgezeichnet und im Anschluss analysiert.
„UFOTriNet“ ermöglicht somit eine kontinuierliche Langzeitüberwachung verschiedener Fischbestände und ihrer Lebensräume an regionalen Hotspots. Die von uns entwickelte Technologie bietet Methoden zur Überwachung von Fischbeständen, die keine Mortalität von Fischen und/oder anderen Organismen verursachen. Wir sind in der Lage, einzelne Fische und Fischschwärme im Zusammenhang mit natürlichen oder anthropogenen Veränderungen in ihrer Umgebung zu beobachten und zu identifizieren. Somit tragen die aus dem UFO abgeleiteten biotischen und abiotischen Zeitreihen zur Bewertung klimabedingter Veränderungen der Fischbestände bei. Aufgrund der herausragenden ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung der Küstenmeeresgebiete wird es langfristig ein erhebliches wissenschaftliches und gesellschaftliches Interesse geben, zukünftige Entwicklungen in diesen Regionen besser vorhersagen zu können, um mögliche Kipppunkte oder Zustandsänderungen in diesem Ökosystem zu identifizieren und Handlungsoptionen zu entwickeln.
Links zu den abgeschlossenen UFO-Projekten:
- UFOTriNet - nachhaltiges Fischmonitoring in der Kieler Bucht: automatisiert, kontinuierlich und nicht-invasiv
- Hightech für die Fischereiforschung (AutoMAt)
Videoaufnahmen vom Unterwasser-Fisch-Observatorium (UFO)
Seestichling auf Entdeckungstour
Starker Bewuchs Steine - kleine Zweifleckengrundeln
Scholle auf Sandboden
Unsere Forschungsfragen
- Wie lassen sich optische und hydroakustische Messgeräte und deren Auswertemethoden je nach wissenschaftlicher Fragestellung am besten kombinieren und weiterentwickeln, um ein automatisiertes, nicht-invasives sowie zeitlich und räumlich hochaufgelöstes Monitoring mariner Ökosysteme zu ermöglichen?
- Wie können wir die hydroakustischen und optischen Messmethoden und die Qualität der bereitgestellten Daten verbessern?
Vorläufige Ergebnisse
Veröffentlichung in internationalen Fachzeitschriften Vorträge und Publikationen im Rahmen verschiedener ICES-Arbeitsgruppen, z.B. Working Group on Operational Oceanographic Products for Fisheries and Environment (WGOOFE), Working Group on Fisheries Acoustics, Science and Technology (WGFAST), Working Group on International Pelagic Surveys (WGIPS) Vorträge auf internationalen wissenschaftlichen Kongressen.
Links und Downloads
Entwicklung von R Paketen zur Modellierung vom akustischen Fingerabdruck
- Schwach streuende marine Orgnismen (vorrangig Zooplankton) - Distorted Wave Born Approximation ZooScatR
- Schwach oder stark streuende Arten (vorrangig Fische) – Kirchhoff-Ray Mode - KRMr
Nutzung autonomer Unterwasserroboter zur optischen und akustischen Erforschung von Zooplankton – siehe Zooglider Projekt
Thünen-Ansprechperson
Thünen-Beteiligte
Zeitraum
1.2015 - 12.2027
Weitere Projektdaten
Projektstatus:
läuft
Publikationen
- 0
Wilts T, Böer G, Winkler J, Cisewski B, Schramm H, Badri-Hoeher S (2025) Descriptor : Hydroacoustic and Optical Dataset for Oceanic Research (HODOR). IEEE Data Descriptions 2:262-270, DOI:10.1109/IEEEDATA.2025.3596913
- 1
Böer G, Gröger JP, Badri-Höher S, Cisewski B, Renkewitz H, Mittermayer F, Strickmann T, Schramm H (2023) A deep-learning based pipeline for estimating the abundance and size of aquatic organisms in an unconstrained underwater environment from continuously captured stereo video. Sensors 23(6):3311, DOI:10.3390/s23063311
- 2
Hoeher PA, Zenk O, Cisewski B, Boos K, Gröger JP (2023) UVC-based biofouling suppression for long-term deployment of underwater cameras. IEEE J Ocean Eng 48(4):1389-1405, DOI:10.1109/JOE.2023.3265164
- 3
Gastauer S, Nickels CF, Ohman MD (2022) Body size- and season-dependent diel vertical migration of mesozooplankton resolved acoustically in the San Diego Trough. Limnol Oceanogr 67(2):300-313, DOI:10.1002/lno.11993
- 4
Blanluet A, Gastauer S, Cattanéo F, Goulon C, Grimardias D, Guillard J (2022) Discrimination between schools and submerged trees in reservoirs: A preliminary approach using narrowband and broadband acoustics. Can J Fish Aquat Sci 79(5):738-748, DOI:10.1139/cjfas-2021-0087
- 5
Schaber M, Gastauer S, Cisewski B, Hielscher NN, Janke M, Pena M, Sakinan S, Thorburn J (2022) Extensive oceanic mesopelagic habitat use of a migratory continental shark species. Sci Rep 12:2047, DOI:10.1038/s41598-022-05989-z
- 6
Czudaj S, Koppelmann R, Möllmann C, Schaber M, Fock HO (2021) Community structure of mesopelagic fishes constituting sound scattering layers in the eastern tropical North Atlantic. J Mar Syst 224:103635, DOI:10.1016/j.jmarsys.2021.103635
- 7
Marohn L, Schaber M, Freese M, Pohlmann J-D, Wysujack K, Czudaj S, Blancke T, Hanel R (2021) Distribution and diel vertical migration of mesopelagic fishes in the Southern Sargasso Sea - observations through hydroacoustics and stratified catches. Mar Biodiv 51:87, DOI:10.1007/s12526-021-01216-6
- 8
Bairstow F, Gastauer S, Finley LA, Edwards T, Brown CTA, Kawaguchi S, Cox MJ (2021) Improving the accuracy of krill target strength using a shape catalog. Front Mar Sci 8:658384, DOI:10.3389/fmars.2021.658384
- 9
von Appen W-J, Waite AM, Bergmann M, Bienhold C, Boebel O, Bracher A, Cisewski B, Hagemann J, Hoppema M, Iversen MH, Konrad C, Krumpen T, Lochthofen N, Metfies K, Niehoff B, Nöthig E-M, Purser A, Salter I, Schaber M, Scholz D, et al (2021) Sea-ice derived meltwater stratification slows the biological carbon pump: results from continuous observations. Nature Comm 12:7309, DOI:10.1038/s41467-021-26943-z
- 10
Burkhardt E, Opzeeland IC van, Cisewski B, Mattmüller R, Meister M, Schall E, Spiesecke S, Thomisch K, Zwicker S, Boebel O (2021) Seasonal and diel cycles of fin whale acoustic occurrence near Elephant Island, Antarctica. Royal Soc Open Sci 8:201142, DOI:10.1098/rsos.201142
- 11
Cisewski B, Hatun H, Kristiansen I, Hansen B, Larsen KMH, Eliasen SK, Jacobsen JA (2021) Vertical migration of pelagic and mesopelagic scatterers from ADCP backscatter data in the Southern Norwegian Sea. Front Mar Sci 7:542386, DOI:10.3389/fmars.2020.542386
- 12
Fischer P, Brix H, Baschek B, Kraberg AC, Brand M, Cisewski B, Riethmüller R, Breitbach G, Möller KO, Gattuso J-P, Alliouane S, van de Poll WH, Witbaard R (2020) Operating cabled underwater observatories in rough shelf-sea environments: A technological challenge. Front Mar Sci 7:551, DOI:10.3389/fmars.2020.00551
- 13
Cisewski B, Strass VH (2016) Acoustic insights into the zooplankton dynamics of the eastern Weddell Sea. Progr Oceanogr 144:42-92, DOI:10.1016/j.pocean.2016.03.005
- 14
Gastauer S, Fässler SM, O'Donnel C, Høines A, Jakbsen JA, Krysov AI, Smith L, Tangen Ø, Anthonypillai V, Mortensen E, Armstrong E, Schaber M, Scoulding B (2016) The distribution of blue whiting west of the British Isles and Ireland. Fish Res 183:32-43, DOI:10.1016/j.fishres.2016.05.012
- 15
Schulz J, Möller KO, Bracher A, Hieronymi M, Cisewski B, Barz K, Gröger JP, Stepputtis D, et al (2015) Aquatische optische Technologien in Deutschland [online]. Warnemünde: Leibniz-Institut für Ostseeforschung, 92 p, Meereswiss Ber 97, zu finden in <http://www.io-warnemuende.de/tl_files/forschung/meereswissenschaftliche-berichte/mebe97_2015-schulz.pdf> [zitiert am 15.12.2015]
