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海洋與漁業科技:聲光遙測–漁業科學中的順風耳與千里眼

利用聲波的順風耳與衛星的千里眼的遙測技術,可以提供漁場環境與海況資訊,以提高漁場探測效率、節省漁業經營成本,以及做為海洋生物資源管理政策的參考。
 
 
 
臺灣周邊水域的海岸線長達一千五百多公里,七十餘個島嶼星羅棋布,加上西部與北部海域是東海陸棚的延伸,而東部海域是深達 4 千公尺的海盆,終年黑潮流經,在季節推移中,大陸沿岸水、臺灣海峽水與黑潮水交會匯集,因此漁業資源蘊藏豐富,海洋生物種類更具多樣性,約占全球四分之一以上。靠著豐富經驗及直覺,漁民得以在這海上作業求得溫飽,不過這種方式宛若瞎子摸象,若遇上風浪,生命財產將倍受威脅。

相傳觀音菩薩有千里眼與順風耳兩位將軍隨侍,分別執行「觀」與「音」的任務,以眼觀千里災難,用耳聽四方呼喚,搜救遇難漁民。真實世界中是否也有千里眼與順風耳來協助漁業的發展與永續經營呢?答案是肯定的。這種不需接觸事物實體就可觀得其特徵的技術,就是所謂的遙感探測(remote sensing)。

人類與生就具有這種遙測感官系統,即眼睛與耳朵,以觀察事物的特徵與變化。以眼睛為例,一棟大樓的外觀、大小、色澤等特徵,藉由眼睛這個光學感應器,可巨細靡遺地記錄在大腦中。只不過受限於大腦記憶體的容量,兒時的記憶會隨著年齡的增長逐漸消失。

科學家把科技與產業結合,且隨著電子技術的進步與對環境的重視,逐漸應用聲光遙測技術於環境與產業議題上,例如氣候變遷、臭氧層破洞及紫外線增加、酸雨、地球環境沙漠化與森林枯萎化、地震與火山等。在海洋漁業科學領域中,則應用於偵測廣大海域的資源生物資訊,以彌補瞎子摸象式的傳統漁獲方法的不足。

因此利用聲波的順風耳與衛星的千里眼的遙測技術,可以提供漁場環境與海況資訊,以提高漁場探測效率、節省漁業經營成本,以及做為海洋生物資源管理政策的參考。

聲波遙測技術

聲波遙測技術的演進,始於 1912 年鐵達尼(Titanic)郵輪與冰山擦撞沉沒的悲劇。在航行安全及對生命尊重的動機下,英國物理學家理查森(Richardson)以氣體產生聲波的方式建立了反響測距(echo-ranging)的模式。它的原理大致上是假設聲音在水中的速度是每秒 1,500 公尺,且聲音在傳遞的過程中,遇到障礙物會反射音波,因此若量測出音源送出至回音返回的時間,則音源與障礙物之間的距離就是音速與時間乘積的一半。

其後,隨著國防科技的進步,也奠立了聲波基礎理論與材料技術,並應用於環境噪音監測、生物醫學、海洋探勘等領域。隨著電子科技的突飛猛進,並因應不同的需求,又發展出各式各樣的聲波遙測系統,例如聲納、魚群探測器、側掃聲納、超音波流速流向計等系統。

就海洋漁業科學而言,魚群探測器是最有歷史且應用最廣泛的聲波遙測系統。自 1930 年起,魚探就用來探測海中魚群的存在,但直到 1950 年代後期,利用魚探的聲波回訊來評估魚群資源的方法才逐漸發展與應用。這方法可概分為定性觀測法及定量計測法,而定量計測法又可分為單體回訊計數法及回訊能量積分法。

定性觀測法 定性觀測法就是從魚探紀錄紙上,量取每一魚群的聲波回訊紀錄,記錄的軌跡包括水平分布幅寬、垂直縱深分布厚度、出現頻度等,同時配合魚探計測時的船速、脈波發射率、魚探記錄送紙速度等參數,來獲得魚群量的指標。這方法雖然設備簡單、費用便宜,後續處理過程卻相當費時,加上無法得知魚群的群聚密度,因此評估結果的正確性較低,僅可做為魚群量的相對大小指標。

熱感應紙式魚探機

單體回訊計數法
 單體回訊計數法是利用解析力較高的魚探機,把單體魚的反射信號分離出來,然後以單體計數的方式取得魚群量的指標。這一方法在體型較大且魚群分布密度稀疏時,可得到良好的定量計數結果。但是對體型小或群聚密度較高的魚群,這種方法就很難從濃密的反射信號中有效地分離出單體魚,因此定量計數的誤差很大。此外,解析力高的魚探機也會導致魚探信號易受到雜音的干擾。

由於在魚群資源評估時,定性觀測法及單體回訊計數法都會產生許多非客觀性的誤差及限制,因此在 1980 年研發機構就開發出所謂的計量魚探或科學魚探。它的方法是把魚群反射信號(回訊)的能量,利用類比數位轉換器數值化後,再配合相關計量參數的補正與處理,以積分方式求取魚群分布密度指標。有了這分布密度後,若再以校準因子校正,就能用聲納方程式求得魚群在水中的實際分布密度,更可進一步推估海域中魚群的資源,這方法稱為回訊能量積分法。

回訊能量積分法 回訊能量積分法是目前以聲波遙測評估魚群量的最主要方法。它的理論基礎簡單來說,是因為每一個魚群是由許多單一個體所構成,而聲波遙測所獲得的反射強度(能量)是由魚群中每一單體魚所累積而成的,所以若能得知每一單體魚的反射強度(單體標物反射強度),就可從魚群的反射強度推算出單位體積中的魚體數量。

由前述可知單體標物反射強度是推估魚群量非常重要的校準因子,但是不同種類、大小、體形構造的魚,所產生的單體標物反射強度也不同,因此首先遭遇到的問題就是如何取得某一種魚的單體標物反射強度。

早期的科學家在水槽內,把不同大小的死魚或被麻醉後的魚懸掛在魚探的音軸上,測取其單體標物反射強度,同時利用迴歸統計的方法建立魚體長與單體標物反射強度間的相關模式。拉芙(Love)以這方法建立了著名的紡錘型魚經驗模式。但是死魚或麻醉後的魚,其反射強度是否與自然游泳狀態下的魚相同?一直受到某些科學家的質疑。

隨著科技的發展,目前的科學魚探已經可以從現場海上探測直接測取單體標物反射強度,其方法主要有雙波束法及分割波束法二種。

雙波束法 所謂雙波束法,是使魚探的收發波器以窄波束(指向角 6°)發射聲波信號,然後以寬(指向角 15°)、窄兩波束同時接收信號。當反射信號同時在寬窄兩波束內時,就表示魚群位在魚探波束中,而可去除指向性損失的問題。同時設定一適當的雜音準位及單體回訊的最大及最小幅寬,就可篩檢出單體魚的標物反射強度。

分割波束法 分割波束法則是把聲波回訊,經雜音準位及單體回訊最大及最小幅寬的篩檢後,把同一標物的回訊同時接收在一個分為四個象限的收發波器中,並藉由四個象限接收回訊時的相位差,來確定標物在波束內的方位角。然後施以指向性損失補正,就能求得單體標物的反射強度。

由於科學魚探克服了直接測取單體標物反射強度的難題,大大地提升了魚群量評估的準確度,因此美、加等漁業先進國家,已把柳葉魚、鰊、鮭、紅魚,以及一些屬於礁石性魚類的聲波遙測評估結果,做為漁業管理的依據。

此外,近年來由於全球氣候的變遷與海洋環境汙染的加劇,已對海洋生態系造成極大的衝擊。因此,以美國為首的 GLOBEC(global ocean ecosystem dynamics)將開發聲波遙測計測系統,應用於浮游動物與微游泳動物分布生態特性的研究上,做為直接掌握海洋生態系變化的關鍵指標。

在國內,有關以科學魚探評估海洋漁業資源的研究始自 1985 年,在農委會的補助下,臺灣海洋大學利用魚探調查及記錄跡方式,完成臺灣西南沿海皮刀魚分布實態及現存量的評估工作。同期間,在國科會的支持下,也開發了一套輕便型的計量魚探系統,並用來評估臺灣沿、近海鎖管及魩仔魚的現存量及分布生態。

隨後在 1987 年,臺灣電力公司購置了雙波束科學魚探系統,委請海洋大學進行「南北核電廠冷卻水口汲取及撞擊魚群量評估,以及溫排水域魚群分布實態與群集特性的研究」。同期間,這系統也用來測定鹽寮灣海域中,鎖管及鰺科魚種在自然游泳狀態下的單體標物反射強度,進而推估在自然生息狀態下,各水層中不同體長魚群的頻度分布情形。

在從事探測實驗時,研究人員發現臺灣周邊水域通常有多種魚種棲息,但科學魚探並不能從回訊中直接辨識反射主體是何魚種,造成評估時的極大困擾。因此,研究團隊嘗試把聲波回訊中隱含有魚群群集結構特性的反射信號,利用信號處理技術,把回訊強度、振幅、相位變化等轉換為魚種、大小、群量及魚群結構特性與行為變化的即時生物狀況資訊。然後配合統計分析法來區分魚種,成功地建立以聲探回訊處理技術判釋魚種的技術,且用來探究有多種魚種棲息的水域中,魚群的分布生態及群集行為。

1991 年起,我國海研一號研究船把 EK400 科學魚探更換為新型 EK500 分割波束科學魚探,而臺灣大學海洋研究所除了把它應用在鯖、鰺漁場的評估研究外,也配合水文環境因子的監測資料,來探究聲探標物回訊頻度與漁況間的關係。

同期間,海洋大學團隊在國科會支持下,把發展已經相當成熟的影像處理技術應用在聲探回訊處理上。透過聲探回訊的「影像擷取」、「影像濾波」、「影像運算」、「影像能量積分」等方法,來提高現存量評估的準確度,並嘗試評估廣域分布的深海散射層(DSL)(特別是磷蝦、橈腳類、裸鰮類等)。同時發展由聲探影像擷取魚群聲探影像特徵變量的技術,並用於「聲探族群群聚分析」及「魚種判別」上。

其後更以它考察海洋生物分布生態,並配合水文、氣象因子、衛星遙測水溫、水色等,來探究海洋生物的短、中、長期資源變動與環境要因的相關性。

近年來,國內有關聲波遙測的學者,更結合了衛星遙測技術,同時利用地理資訊系統建構聲光遙測資料庫,探討台灣東北部海域海洋環境與生物量分布特性的關係。此外,也嘗試在臺灣沿近海漁業中,挑選較具代表性的漁業,結合相關的活動資料和聲光遙測等監測資訊,來探究臺灣沿近海主要漁業資源的漁海況變動特性。

衛星遙測技術

早在 1925 年以前,人們就已利用飛機進行軍事與環境(地質、土壤、土地開發、農學等)空中照相的遙感觀測工作。在 1960 年代美國海洋大氣總署第1顆氣象衛星泰勒斯(TIROS)升空後,不僅提供了便利的衛星影像,也開啟了衛星遙測應用在海洋的先河,並促使各種不同類型與目的的感應器研發出來。

1964 年伊英(Gifford Ewing)提出衛星海洋學(oceanography from a satellite)這個觀念後,引起了海洋科學研究者的關注。由於其初始遙測任務在於觀測氣象與環境變化,之後又延伸至雲與陸地的辨識以及在漁業產業上的應用,成效卓著,因而近年來美、日、歐盟等都競相發射酬載多目標感應器的衛星。在 2002 至 2004 年間,發射與海洋科學及產業相關的衛星甚至多達 16 顆以上,衛星遙測技術在各領域的發展可說是方興未艾。

為此,我國也積極推動衛星遙測的應用。在海洋科學上最令人稱道的,就是福衛一號於 1999 年 1 月 27 日順利發射升空,所搭載的感應器有水色照像儀,主要提供海洋各相關領域的實驗資料,做為環境、漁業監測用。這些海洋水色照像儀的資料,是我國邁入衛星遙測科技時代,以及加入全球科學衛星擁有國後,首次得以完全自行操控、地面掃描、接收傳控及影像處理、驗證的資料。

在漁業產業上,遙測資訊可監測廣海域海面溫度鋒面、湧昇與渦流區的實時間動態,掌控漁業生物資源與漁場位置變動特性。目前我國鰹鮪圍網、鮪釣及魷釣船對這類資訊的需求日益增加,不少漁業公司向美國、法國、日本等私人公司購買這類資訊,也對漁撈作業極具助益。惟龐大的遙測資訊使資料處理與流通仍處於人工與半自動的模式,再加上受到接收管道、成本、語言、即時性等影響,使用狀況並不理想,普及性也不高,以致大多數漁船與從業人員並未充分享受到遙測技術的好處。

事實上,農業委員會水產試驗所及臺灣海洋大學環境生物與漁業科學系,已利用高解析度衛星影像系統,從事烏魚、鯖鰺、鯷科仔稚魚、鎖管漁業產業的研究多年,而且已有初步成果。

由於遙測技術所表現的特徵是波譜能量,無法完全由肉眼觀察其差異,為了讓漁業產官學研界使用方便,通常這些原始資料會依自然環境特徵與意義,以紅、綠、藍三原色組成不同色階塗上顏色,代表不同的範圍與意義。以海洋表面水溫為例,可以用灰黑、淺藍等色系代表海面水溫低(例如大陸沿岸水),橙、紅色系列則代表較溫暖的海洋環境特徵(例如黑潮水),介於二者間則以黃綠色系表示。

衛星遙測在漁業上的應用,大致可歸納為:海洋基礎生產力與海洋植被分布研究;漁況預報實用化研究;湧昇、潮境、潮目、冷水渦、暖池等的監測研究;氣象衛星資訊應用研究;漁業及淺海養殖地點選定研究;改進漁船通信及進行鯨類、海龜等保育類海洋生物的生態研究;提供衛星探魚圖給漁民的可行性研究—利用衛星所提供的影像,做成能展示海洋水面顏色變化的探魚圖,藉顏色的變化掌握鋒面、湧昇區等海洋特徵,以得知鮪、鯖鰺、鰹及旗魚的棲息地及聚集區;汙染的研究—透過衛星水溫或水色影像可了解溫排水的擴散或赤潮的發生,配合水色影像評估燃油覆蓋在海表面對海洋表面的溫度、能量散射的影響,以監視油汙染的情況。

簡而言之,衛星遙測的應用就是幫助漁民選定適當的作業地點,降低作業成本與提升作業安全性。漁業產業上常用的遙測資訊,大致有海面水溫、水色與海面高度偏差影像圖,以及航行安全上的海洋氣象雲圖等。

水溫 可以提供海洋表層水域內的溫度狀態,透過表面水溫影像圖能發現海洋鋒面、湧昇與渦流、均一性質水團等。海洋中的魚類對溫度變化甚為敏感,即使0.1度的差異,都會造成其分布的變動。也就是說,魚類通常都會在合適水溫的水域棲息,不會逾越海水溫度變化很大的區域。利用衛星進行海水表層溫度的探測,可節省人力及物力,且有即時、連續觀測的效果。

水色 假如有人問起海水的顏色,通常我們都會回答藍色,這個答案大致上是對的。由於較長波長的光在海水表面極易被吸收,短波長的藍光被散射出來,以至於我們看到的海水顏色是藍色。不過,海水的顏色也會因為潮汐的細微變動、海中的懸浮物質(如植物性浮游生物)、波浪等因素而改變,這些因子中又以植物性浮游生物最具影響力。

植物性浮游生物(浮游植物)是指非常小的單細胞植物,因為其含有葉綠素成分,在光的照射下可行光合作用,把水與二氧化碳轉化成碳水化合物與氧氣。如果從太空觀察海洋,則光合作用愈盛行的區域,海水愈綠,反之愈藍。此外,有些植物性浮游生物的形狀大小及色素成分不完全是綠色,海水的顏色也因而增添了繽紛的色彩。

現在我們知道海洋遙測所稱的海洋水色,反映的是海洋上層水域內植物性浮游生物的聚集狀態與量的變化。但是遙測水色的真正意涵與漁業產業的關係又是如何?這個答案是:植物性浮游生物代表著海洋食物網的先期指標。因為海洋中有大量的微小動物性浮游生物會攝食植物性浮游生物,這些動物性浮游生物又會被大型動物性浮游生物、魚類,或者其他生物所捕食,因此研究人員或漁業業者可以透過海洋中這些顏色的變化,找到魚類棲息或攝食的地點。

海面高度偏差圖 利用微波的直進性原理,由高空觀測海面高度並無問題。但由於海水的流動受到地球自轉、重力、海底地形等因素的影響,因此實際海面高度的精確量測是十分複雜的。然而經過長時間調查船的觀測,目前的力學數值模擬方法,已大致可以推算出水深 1 千公尺以上的區域,比較不會受到海水流動的影響,且這一數值變動與衛星長期觀測海面高度的變化頗為一致。因此,把實際測得的海面高度資料與其長期觀測平均值相減,就可得到海面高度偏差值。

不過大家可能會問,為甚麼海面高度偏差值會與漁業產業有關?這個道理和前述溫度與水色的道理其實差不多,答案就是食物。一般而言,海水中鹽分濃度較低的水,密度較輕,會分布在海洋的上層水域。當海水溫度增加時,密度較輕的海水體積就會膨脹,而附近水域較低溫的海水並沒有膨脹現象,或膨脹現象並不明顯,因而形成海面高度較高與較低的現象。

因此,當海面上有兩個不連續的暖水團分布時,中間水域就好像被局限的冷水渦一般。因為這一冷暖水交界區域營養鹽豐富,葉綠素濃度較高,所以動植物性浮游生物群集其間,而在食物鏈連鎖效應下,大、中、小型魚類也會聚集在這一海域。因此業者也可透過海面高度偏差值的特徵,推測漁場形成的位置。

氣象資訊 只要安裝適當波段的感應器,衛星系統也可以隨時觀測離海面不同高度的氣壓、風向、風速等資訊,對海上作業的漁民安全有極大的幫助,最明顯的例子就是颱風的形成與移動的路徑。

未來展望

隨著漁業科技知識經濟的發展,魚探機已成為所有漁船的標準配備,藉以觀測水面下魚群的分布動態。另一方面,在生物生態、遙測科技人員等的協助下,藉由發展成熟的自動影像分析軟、硬體,使衛星遙測資料更為普及利用。例如有研究人員利用多重衛星資料觀察到颱風過後的湧昇現象,或者以加值影像處理得到如表面水溫鋒面等。

此外,結合電腦技術,利用龐大儲存容量的資料庫管理系統與地理資訊系統,更是促使資料由集中管理利用轉換為普及利用的功臣。現今的漁業從業人員可以透過網路,即時掌握有利漁撈作業的不同海洋特徵衛星遙測資訊,進行海洋生物資源分布機制的研判、預報與資料庫的建置。

這些資訊如能進一步與我國推動中的漁船船位管理系統結合,定能掌握我國沿近海與遠洋漁船不同時間點下的漁區空間選擇行為,以及漁業資源利用的時空動態模式與漁海況關係,達成我國漁業資源生態與管理永續經營的目標將不是問題。
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