《Fisheries Research》：Towards the inclusion of broadband acoustic methods in the assessment of benthopelagic fish stocks
编辑推荐：
可靠的鱼类资源规模估算值是可持续开发的前提条件。主动声学方法具有成本效益高、非侵入性等优点，可量化远洋生物并获取高时空分辨率的数据。宽带回声探测仪的最新进展大幅提升了距离分辨率，能够有效检测单个鱼类目标，为回声计数技术创造了条件——这是传统连续波声学无法实现的
可靠的鱼类资源规模估算值是可持续开发的前提条件。主动声学方法具有成本效益高、非侵入性等优点，可量化远洋生物并获取高时空分辨率的数据。宽带回声探测仪的最新进展大幅提升了距离分辨率，能够有效检测单个鱼类目标，为回声计数技术创造了条件——这是传统连续波声学无法实现的方法。这些技术进步使得利用回声计数研究底栖远洋鱼类资源（即同时分布于水层和近海底部的鱼类资源）成为可能。然而，标准化程序的缺乏迄今阻碍了回声计数调查在资源评估中的应用。研究人员提出了一种综合方法，利用回声计数和现代声学仪器估算底栖远洋物种——大西洋鳕（*Gadus morhua*）的总资源量。研究人员将回声计数结果与传统的回声积分方法以及ICES在努克峡湾系统对大西洋鳕的资源评估结果进行了比较——该区域是底栖远洋渔业声学研究的理想测试场景。所有方法均获得了可比的结果。基于这些发现，研究人员建议对能够可靠分辨单回波的底栖远洋鱼类资源（Sawada指数<0.04）采用回声计数方法，并在高密度聚集区辅以回声积分方法。本文所建立的水声数据采集、处理和分析框架为制定指南和将回声计数纳入官方资源评估的路线图奠定了基础。
**论文解读：基于宽带声学回声计数法的底栖远洋鱼类资源评估研究**
**一、研究背景与科学问题**
鱼类资源量的可靠估算值是实现可持续开发的前提条件，通常通过资源评估模型获取。然而，传统调查方法如拖网和刺网调查成本高昂、耗时且造成鱼类死亡，同时还存在空间覆盖有限和因网具及物种特异性可捕性导致的潜在偏差。渔业声学作为替代方法，能够以较低成本快速覆盖大范围区域，提供高时空分辨率的数据。传统上，回声积分是声学资源评估中最标准化和最广泛应用的方法，但其主要适用于远洋集群性鱼类。对于底栖远洋鱼类，即同时栖息于水层和靠近海底的鱼类，传统窄带声学技术难以有效检测。近年宽带回声探测仪的发展显著提升了距离分辨率，使得单目标检测和回声计数方法的应用成为可能，但缺乏标准化程序阻碍了该方法在资源评估中的纳入。
**二、研究内容与结论**
本研究以努克峡湾系统中的大西洋鳕（*Gadus morhua*）为研究对象，开发了一套基于宽带声学回声计数的完整资源评估方法框架。研究团队于2024年3月14日至21日使用格陵兰自然资源研究所（GINR）的R/V Sanna调查船进行了声学调查，采用Simrad EK80船体安装式分裂波束回声探测仪，其中38 kHz换能器（ES38–7）配置为宽带模式（36–43 kHz），120 kHz和200 kHz换能器设置为窄带模式。数据采集限于夜间时段（22:00 UTC至9:30 UTC），调查路线采用之字形设计以在分层内均衡分配调查努力量。研究将声学数据分别通过回声计数和回声积分两种方法进行处理，结合拖网渔获数据进行鳕鱼与红鱼（*Sebastes mentella*和*Sebastes norvegicus*）的物种拆分，并通过遗传拆分模型（ICES 2023）估算西格陵兰近岸产卵鳕鱼（WISC_Nuuk）的资源量。同时，研究还应用了基于年龄的状态空间资源评估模型（SAM）进行传统方法验证。研究发现，三种方法估算的WISC_Nuuk鳕鱼资源量具有可比性：回声积分法估算为13,658,177尾，回声计数法为15,266,358尾，SAM模型为7,901,924尾（假设WISC_Nuuk占比为55%）。回声计数法估算结果比回声积分法高12%，比SAM模型估算结果高约6.3%。所有网格单元（box）的Sawada指数（Nv）均低于0.04，表明回声计数法在整个调查区域内具有可靠性。空间分布分析显示，高密度区域集中在Kapisillit、Qooqqut和Ameralik内湾附近，两种声学方法估算的空间分布格局基本一致。
**三、主要技术方法**
研究采用了以下关键技术方法：（1）宽带分裂波束回声探测系统（Simrad EK80配ES38–7宽带换能器），利用频率调制（FM）脉冲实现高距离分辨率的单目标检测；（2）回声计数法，基于单回波检测（SED）算法结合“峰值”算法和Sawada指数（Nv）评估回波分辨可靠性；（3）回声积分法，通过计算海里面积散射系数（NASC）并除以平均后向散射截面（σ
bs）估算鱼类密度；（4）拖网渔获数据用于物种组成分析和鳕鱼-红鱼拆分；（5）遗传拆分模型（GAM）用于区分不同鳕鱼种群；（6）Bootstrap重采样方法用于不确定性估计和调查覆盖率效应分析；（7）状态空间资源评估模型（SAM）作为传统评估方法进行交叉验证。
**四、主要研究结果**
**4.1 鳕鱼-红鱼拆分**
研究利用2010至2023年间3-5月在努克峡湾系统进行的夜间中层拖网渔获数据分析显示，从表层至100 m深度鳕鱼占绝对优势（平均占比>97%），100-200 m深度红鱼比例增加（鳕鱼平均占比>79%），200-250 m深度两物种比例接近相等，250 m以下假设鳕鱼不存在。将渔获物长度数据转换为目标强度（TS）后与声学数据的垂直TSC剖面进行比较，两种数据源在前100 m深度表现出相似的垂直趋势，但声学数据略高于渔获数据预期值；100 m以下，渔获数据预测的TSC趋于高于声学数据。
**4.2 估算鳕鱼资源量**
2024年3月努克峡湾系统内大于20 cm的鳕鱼总数量通过回声积分法估算为13,658,177尾，通过回声计数法估算为15,266,358尾。Bootstrap重采样得到的95%置信区间下限为15,032,130尾，上限为16,077,633尾，均值为15,558,563尾。配对t检验显示两种方法在矩形网格上的面积密度存在统计显著差异（t = 3.0, df = 110, p = 0.00379），但平均差异（2,109尾/nmi2）相对于估算的面积密度值而言非常微小。垂直分布剖面显示，50-100 m深度范围内体积密度最高，与平均目标强度最大值和渔获数据相吻合。值得注意的是，回声计数法在100 m以上水层估算的体积密度高于回声积分法，而在150 m以下则相反。
**4.3 调查区域覆盖**
Bootstrap模拟实验表明，当调查覆盖率从100%降至25%时，资源量估算的均值保持稳定，但95%置信区间范围扩大约一倍，变异系数（CV）也相应增加。这一发现表明，在矩形网格尺度上的采样强度可以适度降低而不显著影响总体资源量估算的准确性。
**4.4 参数敏感性**
单回波检测参数敏感性分析显示，最大相位偏差（P[dev]）对两种方法均有影响，但回声计数法受影响更大。当采用“峰值”算法时，P[dev]每增加2个相位步长，回声计数法的WISC_Nuuk资源量估算平均增加3.9%；而回声积分法仅增加1.4%。将“峰值”算法切换为SED算法导致回声计数法估算值平均增加4.3%，回声积分法增加3.2%。目标强度（TS）分布的形状对P[dev]的变化相对不敏感，尤其在8个相位步长的默认值附近。
**五、讨论与结论**
研究结果支持将回声计数作为底栖远洋鱼类资源评估的可行方法。与传统回声积分法相比，回声计数法具有多项优势：（1）仅依赖于目标强度（TS）数据，避免了组合SV和TS数据域可能产生的累积误差；（2）不依赖于鱼类均匀分布的假设；（3）数据审查过程更直接简便；（4）概念上更为简单。然而，回声计数法对单回波检测参数的敏感性较高，需要制定标准化指南来规范参数选择。在物种识别方面，目前依赖拖网渔获数据进行鳕鱼-红鱼拆分的方法存在一定局限性，未来可结合人工智能（AI）技术、多频数据等方法提高物种识别的准确性。
研究结论部分指出，建议在能够可靠分辨单回波的条件下（Sawada指数<0.04）采用回声计数法评估底栖远洋鱼类资源，在高密度聚集区辅以回声积分。本文建立的数据采集、处理和分析框架为制定官方指南和将回声计数纳入正式资源评估程序奠定了基础。该声学调查方法还可应用于其他底栖远洋物种（如尖吻平鲉），并具有与现有鲱鱼调查结合的时间效率优势，可为渔业管理提供更及时的资源评估信息。
