无自动识别系统发射器的小型船舶的水下噪声测绘

《Journal of Marine Science and Engineering》：Underwater Noise Mapping of Small Vessels Without Automatic Identification System Transmitters

　　

人为水下噪声对多种海洋生物类群及其生命阶段产生影响。水下噪声制图是评估和缓解这种影响的重要工具。本研究开发了一个针对未配备自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）发射器的连续水下噪声进行制图的框架。该框架被应用于瑞典西海岸科斯特海特海洋国家公园（Kosterhavet Marine National Park）的一个研究区域。研究人员利用卫星观测估计的小型船舶地理密度来预测水下噪声水平。通过改进最近发表的小型船舶声源模型来估算声源级（source levels）。大量的传播损失测量数据支持了半经验传播损失模型的开发。在两个站点，预测的噪声水平与实测水平吻合良好，而在另外两个站点，噪声水平被低估，这可能是由于未能解析局部船舶密度的变化以及对局部水深地形的考虑不足所致。研究结果表明，对未配备AIS发射器的小型船舶进行水下噪声制图是可行的，并且在该研究区域内，由小型船舶引起的水下噪声水平显著超过了自然背景噪声。此外，该框架还被用于证明执行当地限速规定在降低水下噪声水平方面的有效性。

论文解读：基于卫星观测的无AIS小型船舶水下噪声制图研究

研究背景与问题提出

随着人类海上活动的日益频繁，人为水下噪声已成为海洋环境中一种普遍存在的应激源。这些噪声能够影响从鱼类到港湾鼠海豚等多种水生生物的生理和行为。水下噪声制图作为一种量化人为声音空间分布的结构化方法应运而生，它整合了空间解析的声源信息、声源级表征以及声传播建模。目前，商业航运被视为全球范围内最主要的连续人为水下噪声源，其噪声制图技术已相当成熟，通常依赖于船舶自动识别系统（AIS）提供的位置和特征数据。

然而，对于大量不强制安装AIS发射器的小型船舶，特别是休闲游艇，其噪声贡献却鲜少被纳入空间制图框架。在许多受庇护的沿海和群岛环境中，休闲船只在旺季时的密度甚至超过商船。已有研究表明，未配备AIS应答器的船只（主要是休闲船）是浅水丹麦海域人为噪声的主要来源，即使是低功率的小型船只也能产生足以掩蔽生物信号的接收声压级。因此，开展针对小型船舶的水下噪声制图研究具有重要的生态学和管理学意义。

开展此项研究面临三大挑战：首先，缺乏AIS定位数据，需要依赖卫星观测等替代手段获取船只位置信息；其次，缺少成熟的、适用于小型船舶的声源级预测模型；最后，休闲船只活动集中于浅水、近岸环境，其声传播强烈受水深地形、海岸线几何形状和海底底质的影响，使得传播建模更为复杂。

关键技术方法

为解决上述挑战，研究人员开发了一套综合性的方法论框架，并将其应用于瑞典西海岸的科斯特海特海洋国家公园（Kosterhavet Marine NP）案例研究区。主要技术方法包括：

1. 1.
   基于卫星图像的船舶密度估计：利用哥白尼哨兵二号（Copernicus Sentinel-2）光学卫星图像，通过经典图像处理技术（如Canny边缘检测）识别小型船只。对所有图像中的运动目标检测结果进行核密度估计（kernel density estimation，KDE），生成代表平均船舶数量的空间密度场。带宽设为1000米。
2. 2.
   小型船舶水下噪声源级建模：基于近期研究中的实测数据，采用一个参数化的源级模型。该模型将源级谱表示为频率和速度的函数，包含一个与速度相关的拐角频率和一个softmax函数来捕捉速度依赖性。由于无法从低分辨率卫星图像中获取船速，研究人员提出了一个基于离岸距离的速度图模型。
3. 3.
   半经验传播损失建模：结合球面扩展、柱面扩展和绕射模型，构建了一个半经验的传播损失模型。该模型考虑了岛屿引起的弯曲路径绕射效应，并使用有效深度来描述水深变化。模型参数通过在现场进行的超过9000次传播损失测量数据进行拟合优化。
4. 4.
   背景噪声建模：采用适用于浅海的芬兰群岛海域风致环境噪声模型，并通过夜间实测数据校准。

研究结果

3.1 小型船舶密度图

通过处理8张2023年夏季的卫星图像，研究人员生成了研究区域的船舶密度图。最高密度出现在东部主要休闲航道，峰值达1.4艘/平方公里，而群岛内部和西部开阔海域密度最低。

3.2 小型船舶水下噪声源级模型

最终确定的模型参数显示，在低于100 Hz的频率，当航速超过7节时源级变化不大；约12节时模型达到渐近极限，继续提速不再增加宽带源级或改变频谱分布。

3.3 传播损失模型

利用9131个高质量传播损失测量数据拟合得到的模型参数为：m=0.85, n=0.79, C=0.027, c_sed=1674 m/s。整体均方根误差（RMSE）为6.53 dB，模型近乎无偏。直线传播部分的RMSE为6.57 dB，弯曲路径部分为6.08 dB。

3.4 噪声图

计算出的噪声图显示，在三个频段和总宽带水平上，岛屿东部的噪声水平更高。315 Hz和1 kHz频段在限速区内明显较低。总体宽带水平在岛屿东部接近120 dB re 1 μPa，在群岛内部约为105 dB re 1 μPa。

3.5 不确定性评估

将模型预测与四个站点的实地测量对比发现，在A站和D站吻合良好；在C站，模型低估了约8 dB，可能原因包括未能解析局部高密度区域或传播模型在特定浅水区的局限性；在B站，低估达10-15 dB，可能与狭窄水道的高密度交通及近岸波浪破碎有关。夜间背景噪声比较显示，在高于500 Hz时模型与多数站点吻合较好。

3.6 情景模拟

模拟了两种管理情景。一是限速情景：假设限速区内实际航速从7节降至5节（完全合规），结果显示在中频（中心频率约200 Hz）降噪效果最显著，最大可达6 dB，而低于30 Hz或高于2 kHz时效果甚微。二是船舶数量变化情景：基于历史数据线性外推，预测到2035年，即使船舶数量增加65%，噪声水平也仅上升约2.2 dB，其影响远小于严格执行限速带来的降噪效果。

讨论与结论

讨论部分指出，尽管模型在部分站点表现良好，但在某些区域低估了噪声水平，这可能源于船舶密度图分辨率不足以捕捉局部热点（如狭窄水道），以及传播模型在特定浅水环境的局限性。此外，卫星图像（2023年）与噪声测量（2024年）的时间错位也可能引入差异。背景噪声模型在低频段与实测不符，可能与不同海域盐度、水深及波浪条件差异有关。模型还假设昼夜背景噪声相同，但实际日间风速可能更高，有待未来研究细化。

研究结论如下：

本研究开发并展示了一种用于绘制以休闲交通为主导的沿海区域水下噪声空间分布的方法论框架。该框架集成了基于卫星的船舶探测、空间密度估计、融合航速的经验性源级建模以及半经验的浅水传播建模。生成的噪声图提供了整个研究区域内小型船舶噪声贡献的空间解析估计，可用于指导环境影响评估和管理决策。