Automatic active acoustic target detection in turbulent aquatic environments

This work is funded by the Environment and Food Security theme Ph.D. studentship from the University of Aberdeen, the Natural Environment Research Council (NERC) and Department for Environment, Food, and Rural Affairs (Defra grant NE/J004308/1), and the Marine Collaboration Research Forum (MarCRF). We would like to gratefully acknowledge the support from colleagues at Marine Scotland Science.Peer reviewedPublisher PD

Fish tracking technology development. Phase 1 project definition desk study

The document reports on Phase 1 of a definition study to appraise the options to develop fish tracking equipment, in particular tags and data logging systems in order to improve the efficiency of the Environment Agency's tracking studies and to obtain a greater understanding of fish biology. Covered in this report are radio telemetry, audio telemetry, High Resolution Position Fixing, data storage and archival tags and other fish tracking systems such as biosonics

Use of baited remote underwater video (BRUV) and motion analysis for studying the impacts of underwater noise upon free ranging fish and implications for marine energy management

© 2016 Elsevier Ltd Free-ranging individual fish were observed using a baited remote underwater video (BRUV) system during sound playback experiments. This paper reports on test trials exploring BRUV design parameters, image analysis and practical experimental designs. Three marine species were exposed to playback noise, provided as examples of behavioural responses to impulsive sound at 163–171 dB re 1 μPa (peak-to-peak SPL) and continuous sound of 142.7 dB re 1 μPa (RMS, SPL), exhibiting directional changes and accelerations. The methods described here indicate the efficacy of BRUV to examine behaviour of free-ranging species to noise playback, rather than using confinement. Given the increasing concern about the effects of water-borne noise, for example its inclusion within the EU Marine Strategy Framework Directive, and the lack of empirical evidence in setting thresholds, this paper discusses the use of BRUV, and short term behavioural changes, in supporting population level marine noise management

Field testing a novel high residence positioning system for monitoring the fine‐scale movements of aquatic organisms

1. Acoustic telemetry is an important tool for studying the behaviour of aquatic organisms in the wild. 2. VEMCO high residence (HR) tags and receivers are a recent introduction in the field of acoustic telemetry and can be paired with existing algorithms (e.g. VEMCO positioning system [VPS]) to obtain high‐resolution two‐dimensional positioning data. 3. Here, we present results of the first documented field test of a VPS composed of HR receivers (hereafter, HR‐VPS). We performed a series of stationary and moving trials with HR tags (mean HR transmission period = 1.5 s) to evaluate the precision, accuracy and temporal capabilities of this positioning technology. In addition, we present a sample of data obtained for five European perch Perca fluviatilis implanted with HR tags (mean HR transmission period = 4 s) to illustrate how this technology can estimate the fine‐scale behaviour of aquatic animals. 4. Accuracy and precision estimates (median [5th–95th percentile]) of HR‐VPS positions for all stationary trials were 5.6 m (4.2–10.8 m) and 0.1 m (0.02–0.07 m), respectively, and depended on the location of tags within the receiver array. In moving tests, tracks generated by HR‐VPS closely mimicked those produced by a handheld GPS held over the tag, but these differed in location by an average of ≈9 m. 5. We found that estimates of animal speed and distance travelled for perch declined when positional data for acoustically tagged perch were thinned to mimic longer transmission periods. These data also revealed a trade‐off between capturing real nonlinear animal movements and the inclusion of positioning error. 6. Our results suggested that HR‐VPS can provide more representative estimates of movement metrics and offer an advancement for studying fine‐scale movements of aquatic organisms, but high‐precision survey techniques may be needed to test these systems

Towards intelligent aquaculture. Development of an early Biological Warning System to monitor exposure to contaminants and fish welfare: from artificial vision to systems modelling

161 p.Etorkizun hurbilera begira gizakion kopurua ez ezik (Gerland et al., 2014; United Nations, 2014), itsas elikagaien ekoizpenaren eta kontsumoaren hazkundea espero da. Azken honen hazkundeak, batipat, akuikulturak bideratuko du (German Advisory Council on Global Change - WBGU, 2013). Akuikultura, ekoizpena handiagotzeko helburuagaz, itsas organismoen hazkunde kontrolatua da. Bertatik lortzen diren produktuak era askotakoak izan daitezke: arrainak, moluskuak, krustazeoak, algak eta itsas landareak dira ezagunenak. Baina kokodriloak, dortokak eta beste motatako zenbait animalia urlehortarrak ere ekoizten dira. Era berean, akuikultura instalazioek kokapen desberdinak euki ditzakete: itsas kostaldean zein itsasadarretan baina lur barnean zein ibai edo lakuen ondoan ere aurkitu daitezke.Beste edozein ekoizpen prozesu bezala, sortzen diren produktuen kalitatea erronka garrantzitsuenetariko bat da. Eta kalitatea, kontuan izanda sortzen diren produktuak gizakion kontsumorako direla, ekoiztutako animalien osasungarritasunarekin bat doa. Kezkarik garrantzitsuenetarikoa itsas elikagaien ekoizpenean ur ingurugiroan dauden kutsatzatzaileek ekoiztutako produktuetan duten efektua da. Kutsatzaileak gero eta kantitate haundiagoetan azaltzen dira eta gainera, gero eta kutsatzaile berri gehiago agertzen dira (Bevan et al., 2012; Roose et al., 2011). Kutsatzaileak ez dira bakarrik uretara izurtzen, animaliei emoten zaien elikagaiak ere kutsatuta egon daitezke (Dahle et al., 2010; Dobson et al., 2008; Sharma and Paradakar, 2010). Hoierariko kutsatzaile askok ere, animalien ongizatean efektu negatiboak izaten dituzte eta galera ekonomiko haundiak sortarazten dituzte. Gaur egun, kutsatzaileak antzemateko metodo ez-inbasiboen galera dago. Hare eta gehiago, kutsatzaile berriak detektatzeko metodorik ez dago, antzemate metodoak kutsatzaile bakoitzeko ezpezifikoki diseinatsen direlako eta gero eta kutsatzaile berri gehiago detektatzen direlako, adibidez gizakion kontsumorako uran (Dahle et al., 2010; Roose et al., 2011).Tesi honek, monitorizazio metodologia ez inbasibo bat garatzen du non arrainak Alerta Sistema Biologikoa (Biological Warning System - BWS) giza erabiltzen dira. Arrainak, euren igeriketa jokabidea aztertuz, sensore bat balira kontzideratzen dira. Metodologia honen abantailarik esanguratsugarrienak dira: i) teknologia eskuragarria bideratzea, ii) monitorizazio on-line-a uzten duela eta iii) mota ezberdinetako kutsatzaileekin, ezagun ala ezezagun, lan egiteko ahalmena izango duela.Azkenik, proposatutako Alerta Sistema Biologikoa beste hierarkia handiagoko sistemekin egon beharko luke harremanetan eta sistema guzti hauen emaitzak ekoiztutako produktuen trazabilitate agiriekin batera joan beharko lukete azken produktuak merkatuara heltzerakoan. Hierarkia handiagoko sistema hauek Arrizku Analisis eta Punto Kritikoen Kontrol (Hazard Analysis and Critical Control Point - HACCP) eta Arrain Ongizate Segurtasun Sistemak (Fish Welfare Assurance System - FWAS) dira hain zuzen ere (van de Vis et al., 2012).HipotesiaTesi hau ondoko hipotesian oinarrituta dago:Arrain multzo batek sentsore biologiko bat izango balitz bezala jokatuko du; arrainen jokabidea, arrainen erantzun biologiko eta fisiologikoak batzen dituena, kanpo estimuluen aurrean modu ez inbasiboan neurtu daitekelako. Honek, arrain-sistemaren jokabidearen aldaketa on-line monitorizaziorako tresna gisa erabiltzea bideratzen du.Helburuak eta ekarpenakTesi honen helburu garrantzitsuena arrainak sentsore giza erabiliz, arrainen ongizatea on-line monitorizatzeko eta akuikultura industrian aplikatzeko tresna baten disenua eta eraikuntza da. Honetarako, jakintza alor anitzak jorratzen dira, hala nola biologia, etologia, ingurugiroaren ikuskaketa, arrainen ongizatea, elikagain kalitatearen fidagarritasuna, sistemen ingenieritza edota seinaleen prozesamendu ez-lineala.Lupia (Dicentrarchus labrax) izan da Tesi hau garatzeko aukeratutako arrain mota bi arrazoi nagusirengatik. Batetik, mediterraneo itsasoko herrialdeetako akuikultura produkzioan oso hedatuta dagoelako eta, aurrekoarekin loturik, lupiaren produkzioan arrainen ongizatearen eta azken produktuaren kalitatea oso garrantzitsua delako, gehienbat gizakion kontsumora bideraturiko produktua delako hain zuzen.Bigarren mailako helburuak, proposatutako tresnaren ebaluazioarekin lotuta egoteaz gain, diseinatutako sistemak aldagai ezberdinen menpean duen portaera aztertzen dute, hala nola:Arrain-sistemaren erantzuna arrain kopurua aldatuz.Arrain-sistemaren erantzuna arrainen dietari selenioa gehitzerakoan.Arrain-sistemaren erantzuna urari kutsatzaile neurotoxikoa den metilmekurioa gehitzerakoan.Hirugarren eta azken helburua, aurreko bi helburuen bitartez garatutako informazioa, ezagutza-eredu batetan isladatzearekin dator bat.Helburu hauekin loturik, Tesi honek ondoko ekarpenak ditu:Sistemen ingenieritzan oinarritutako lan metodologia berri bat garatu da.Ez-inbasiboa, moldakorra, merkea eta Alerta Sistema Biologiko sistema batetan egokitzeko gai den irudi analisian oinarritutako tresna bat garatu da.Perturbazio bati erantzunez arrain multzoaren mugimendu ereduan oinarrituriko sentsore bat garatu da.Arrainen multzoaren igeriketa ereduari aplikatu ahal zaizkion zenbait seinale prozesaketa metodo ez-lineala garatu dira.Arrainen erantzuna kanpotiko perturbazio baten aurrean modelatzen duen eredu matematikoa garatu da.Garatutako metodologia eta monitorizazio tresna zenbait kasu experimentaletan aztertu da.Ikerketa MetodologiaIkerketa metodologiaren aldetik, Glass-ek (1995) proposatutako pausu berdinak jarraitu dira. Honela, Tesia lau faseetan banaturik dago: jakinarazte fasea, fase proposizionala, fase analitikoa eta ebaluaketa fasea. Era berean, erabilitako metodologia zati zientifiko eta zati enpiriko baten batura da. Ikerketa metodologia honek erdiesten dituen onurak ondokoak dira:Erabilitako ikerketa metodologia arrainen multzoak eta bere ingurugiroak osatzen duten sistemaren dinamika ulertzeko ezin bestekoa izan da.Tesian garatuta tresna zenbait kasu partikularretan aztertu da. Honela, tresnaren onurak ez ezik bere mugak ere aztertu ahal izan dira.Garatutako tresna benetako akuikultura instalazio batetan inplementatzeko bideragarritasuna aztertu da Norbegiako ¿Centre for Autonomous Marine Operations and Systems (AMOS)¿ Ikerketa Zentruan hiru hilabeteko ikerketa egonaldiari esker. Egonaldia Europa Batasuneko ikerlari mugikortasun beka batekin finantziatu da ¿European Economic Area (EEA) Researcher Mobility and Co-operation Grant, NILS Science and Sustainability Programme.Publikatutako lanen maila, kalitatea eta irismena handiagotu da.Etorkizunean, ikerketa proiektu eta gertaeretan parte hartzeko ahalmenaren handiagotzea, ikerlariaren kontaktu sarearen handiagotzearekin batera.Azkenik, Tesiaren zati experimentalak Yin-en (1993) kasu-ikerketaren oinarriak jarraitzen ditu. Kasu-ikerketa metodoa ezagutza induktiboa sortzeko erabiltzen da eta eguneroko gertakari erreal eta komplexuei aplikatzerakoan baliagarritasun handia erakusten du.Lanaren GarapenaTesi honen lehenengo zatian, irudi analisian oinarritutako metodologia ez-inbasibo bat garatzen da. Metedologia hau, video grabaketa, irudi prozesaketa eta seinale ez-linealen analisi eta prozesaketan datza. Arrain multzoaren erantzuna gertaera estokastiko edo aleatorio baten aurrean aztertzen eta neurtzen da. Irudietan agertzen diren objetuen antzematea, fluxu optikoko algoritmo baten bitartez burutzen da. Honela arrainak detektatu ez ezik, irudien atzealdea eta bestelako efektu ez desiratuak ezabatzen dira. Azkenik, arrain multzoaren zentruak jarraitzen duen ibilbidea, Shannon (Shannon, 1951, 1948) eta permutazio entropia (Bandt and Pompe, 2002) batetik; eta Higuchi (1988), Katz (1988) eta Castiglioni-k (2010) proposatutako Katz algoritmoaren aldaketaren bitartezko dimentsio fraktal algoritmoez aztertzen da.Garatutako monitorizazio tresna hiru kasu partikularretan aztertu zen. Lehenengoan, hiru lupia multzo aztertu ziren. Horietariko bi antzekoak ziren (kontrolak eta elastomero batekin markatutakoak), eta hirugarrena aldiz, 9 egunez metilmerkuriodun (4 µg MeHg/L) uretan murgildutako arrainez osoturik zegoen. Shannon-en entropia eta Katz-Castiglioni-ren algoritmoek izan ziren emaitza onenak erakutzi zutenak. Esan daiteke biek, arrainen erantzunak modu ez inbasibo batean kuantifikatzeko garaian, ahalmen nahikoa erakutsi zutela. Hala ere, Katz-Castiglioni-ren algoritmoak Shannon-en entropia baino askoz ere pisu konputazional handiagoa erakutsi zuen.Hasiera baten, arrain multzoa osotzen zuten animalien kopurua inolako eraginik euki zitzakela animalia sistema osoaren jokabidean garatutako aztertze metodologiari dagokionez, ez zen uste. Honetan sakontzeko, bigarren kasu partikular bat diseinatu zen, non sistemako aldagai bakarra arrain kopurua zen. Bigarren kasu partikular honen helbururik garrantzitsuena sistemarentzako Lan Puntuaren zehazpena zen, hau da, arrainek inolako perturbazio barik daudeneko egoera dinamikoa. Monitorizazio tresna doitzeko eta perturbazioak egoera ¿normaletik¿ bereiztu ahal izateko, Lan Puntuaren zehazpena ezin bestekoa da. Honetarako bi experimentu disenatu ziren:Arrain kopuruaren murrizketa. Arrain kopurua 50etik 1era pasatu zen 4 asteren buruan (50, 25, 13 eta arrain 1 aste bakoitzeko).Arrain kopururaren hazkuntza. Sistema osotzen duten arrainen kopurua 1etik 5era hazi zen egunero arrain berri bat sartuz (1, 2, 3, 4 eta 5 arrain egun bakoitzeko).Hirugarren kasu partikularrean, aldiz, arrainen urari bi sustantzia ezberdin gehitu zitzaizkion. Batetik, sodio selenitoa (Na2SeO3, 10 µg/L) gehitu zitzaion 7 egunen zehar eta bestetik metilmerkurioa (4 µg MeHg/L) 14 egunen zehar.Tesiaren azken atalean, aurreko kasuetan garatutako jakituriarekin ezagutza eredu bat eraiki da. Eredua, 3 azpi-ereduez osatuta dago, zeintzuk sistemaren eguneroko erantzuna eta Shannon-en entropiaren emaitzak, egoera basalean, gertaera aleatorio bateri erantzunez eta azken bien arteko erlazioari begira, integratzen dituzte.OndorioakOndoren Tesiaren ondoriorik esanguratsuenak adierazten dira:Arrainen monitorizaziorako tresna garatu da. Tresnaren oinarrian irudi eskuraketa eta prozesaketa egoteaz gain, arrain multzoak osatzen duen zentruaren ibilbidearen analizi ez-lineala ere badago.Arrainen sistemaren dinamika aztertzeko garaian Shannon-en entropia parametrorik onena izan da.1 eta 5 arrainen artean, lubia arrain sistemaren Shannon-en entropia eta sistema osotzen duten arrain kopuruaren erlazioa oso estua da.Lubia arrain sistemaren eta Shannon-en entropiaren arteko erlazioa exponentziala da.Garatutako tresna kasu partikularrei aplikatzerakoan era egokian lan egin du. Honek, ikerketa lanaren hasierako Tesia berretsi du.Espero zen bezala eta garatutako tresnak konfirmatuta, urari gehitutako sodio selenito kontsentrazioak ez du inolako efekturik izan lubia sistemaren Shannon-en entropian.Era berean, garatutako tresnak konfirmatu du urari gehituriko metilmerkurioak efektu ezezkorra izan duela lubia sistemaren Shannon-en entropian.Tresnaren aplikazioak kasu partikularretan lubia sistemaren Shannon-en entropiaren eguneroko balioa ez ezik bere egunean-eguneko bilakaera kontutan hartu behar dela erakutsi du.Garatutako ezagutza eredua lubia arrain sistemaren jokabide erantsunaren eguneroko bilakaeran oinarrituriko 3 azpi-ereduz osoturik dago: Azpi-eredu basala, gertaera aleatorioaren erantzuneko azpi eredua eta aurreko biak erlazionatzen dituen azpi-eredua.Garatutako tresna, zenbait hobekuntzekin, on-line monitorizazio arkitektura batetan inplementatzeko gaitasuna duela esan daiteke. Eta beraz, era basatian nahiz akuikulturan, arrain multzoak monitorizatzeko edo/eta ur kutsadura antzemateko ingurumen-programetan tresna baliagarria izan daiteke.Beraz, ikerketa lan honen Tesia arrainak sentsore biologiko moduan erabil daitezkela da; kanpo perturbazioen eraginez euren portaeran agertzen diren aldaketak modu ez-inbasiboan neurtu daitezkelako.Gerorako LanaGaur egun Errezirkulazio Akuikultura Sistemek (Recirculating Aquaculture Systems - RAS) gero eta aplikazio handiagoa dute munduan zehar. Tesi honetan oinarrituriko teknologia baten garapenak zekulako erabilgarritasuna eukiko luke mota honetako sistemetan, batez ere, produkzio unitate osoa monitorizatu daitekelako. Era berean, ur kutsadura antzemateko ingurumen-programetan tresna baliagarria izan daiteke. Azken honetarako, teknologia honetan oinarrituriko ikusketa guneak garatu beharko lirateke.Urpean lan egiteak desabantail ugari ditu. Hau ekiditeko datu eskuraketa teknika ezberdinak aztertu beharko lirateke, hala nola izpi-infragorriak, sonar teknologia edota irudi hiperespektralak zenbait esatearren.Azkenik, teknologia honetatik lortutako datuak bestelako tekniken bidez lorturiko datuekin bat egin beharko lirateke. Honela, arrainen datu biokimiko, histologiko eta fisiologikoez gain, teknika ez-inbasiboen bidez neurtutako igeriketa jokabideak ere kontutan hartu beharreko parametroa izan beharko luke.Research Center for Experimental Marine Biology and Biotechnology - Plentzia Marine Station (PiE

Multisensor acoustic tracking of fish and seabird behavior around tidal turbine structures in Scotland

Despite rapid development of marine renewable energy, relatively little is known of the immediate and future impacts on the surrounding ecosystems. Quantifying the behavior and distribution of animals around marine renewable energy devices is crucial for understanding, predicting, and potentially mitigating any threats posed by these installations. The Flow and Benthic Ecology 4D (FLOWBEC) autonomous seabed platform integrated an Imagenex multibeam echosounder and a Simrad EK60 multi-frequency echosounder to monitor marine life in a 120◦ sector over ranges up to 50 m, seven to eight times per second. Established target detection algorithms fail within MRE sites, due to high levels of backscatter generated by the turbulent physical dynamics, limiting and biasing analysis to only periods of low current speed. This study presents novel algorithms to extract diving seabirds, fish, and fish schools from the intense backscatter caused by turbulent dynamics in flows of 4ms−1. Filtering, detection, and tracking using a modified nearest neighbor algorithm provide robust tracking of animal behavior using the multibeam echosounder. Independent multifrequency target detection is demonstrated using the EK60 with optimally calculated thresholds, scale-sensitive filters, morphological exclusion, and frequency-response characteristics. This provides sensitive and reliable detection throughout the entire water column and at all flow speeds. Dive profiles, depth preferences, predator–prey interactions, and fish schooling behavior can be analyzed, in conjunction with the hydrodynamic impacts of marine renewable energy devices. Coregistration of targets between the acoustic instruments increases the information available, providing quantitative measures including frequency response from the EK60, and target morphology and behavioral interactions from the multibeam echosounder. The analyses draw on deployments at a tidal energy site in Scotland to compare the presence and absence of renewable energy structures across a range of physical and trophic levels over complete spring-neap tidal cycles. These results can be used to inform how animals forage in these sites and whether individuals face collision risks. This quantitative information can de-risk the licensing process and, with a greater mechanistic understanding at demonstration scales, its predictive power could reduce the monitoring required at future arrays

Using Hydroacoustics to Investigate Biological Responses in Fish Abundance to Restoration Efforts in the Penobscot River, Maine

Spatiotemporal advantages linked to hydroacoustic sampling techniques have caused a surge in the use of these techniques for fisheries monitoring studies applied over long periods of time in marine systems. Dynamic physical conditions such as tidal height, boat traffic, floating debris, and suspended particle concentrations result in unwanted noise signatures that vary in intensity and location within a hydroacoustic beam over time and can be mixed with the acoustic returns from intended targets (e.g., fish). Typical processing filters applied over long term datasets to minimize noise and maximize signals do not address spatiotemporal fluctuations of noise in dynamic systems. We present a methodological approach to obtain fish counts from large hydroacoustic datasets collected in dynamic systems by 1) developing an automated processing algorithm that imposes spatially and temporally varying noise thresholds according to the signal-to-noise ratio present, 2) creating a fish count index standardized to the noise conditions present at the time of detection, and 3) validating the applied algorithm by manually quantifying the margins of error of automated fish counts from the processing algorithm. We demonstrate the efficacy of this method by applying it to a six-month hydroacoustic dataset collected in the tidal region of the Penobscot River, Maine USA. It enabled us to recover 60% of the data that would otherwise have been lost due to noise contamination. The successful implementation of this method allows for datasets with varying signal-to-noise ratios to be standardized based on the noise signature present, enabling researchers to maximize their data usage. Quantifying how fish abundance changes after a significant portion of their natural habitat becomes re-accessible is critical to gauge the success of large restoration efforts. Because fish abundance also changes with naturally fluctuating environmental conditions, examining abundance relative to these conditions can indicate fish responses to both anthropogenic and natural river variation. A side-looking hydroacoustic system was used to estimate fish abundance in the Penobscot River, ME from 2010-2016, where 2010-2013 were pre-dam removal conditions, and 2014-2016 were post-dam removal conditions. The river was monitored during non-ice condition periods, roughly May to November annually. Automated data processing enabled continuous abundance estimates from fish tracks. A fourfold increase in median fish abundance occurred in the fall compared to spring and summer, regardless of dam presence. Concurrent with restoration activities, fish abundance increased approximately twofold pre- to post-dam removal. We examined the influence of natural environmental conditions including tide, discharge, temperature, diurnal cycle, day length, moon phase, as well as restoration activities (focusing on dam presence) on variability in fish abundance. Day length (or photoperiod) was the most important predictor variable in all eight time-series analyzed. During the fall migration, abundance was generally higher during outgoing tides, at night, and during relatively high river discharge. In the early fall, when daylength was between 11.28 h and 12 h (September 24th to October 6th) and water temperature was above 11.96 °C, an eightfold increase in fish abundance was recorded in post-dam removal years. Alewife stocking numbers increased post-dam removal relative to pre-dam removal years and likely contributed to the increased fish abundance. This is one of the first validated tools to continuously examine the response of fish abundance to a major river restoration activity. In this application, it significantly increased our understanding of how fish abundance changed in the Penobscot River as result of major restoration efforts and provides a basic understanding of fish responses to naturally fluctuating environmental conditions

Aerospace Medicine and Biology: A continuing bibliography with indexes, supplement 192

This bibliography lists 247 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in March 1979