Size estimation and taxonomical identification of European freshwater fishes using a broadband echosounder

Size estimation and taxonomical identification of European freshwater fishes using a broadband echosounder

[Odhad velikosti a taxonomická identifikace evropských sladkovodních ryb pomocí širokopásmového echosondu]

Projekt č.: EHP-BFNU-OVNKM-2-093-01-2019

Hlavní řešitel: RNDr. Michal Tušer, Ph.D.

Finanční podpora: EEA and Norway Grants

Doba trvání projektu: 2019 – 2023

Časový průběh projektu

Příprava experimentálního zařízení na nádrži Římov

Tento projekt byl zahájen v listopadu 2019. Na přehradě Římov (Česká republika) bylo koncem tohoto roku zkonstruováno a na několika rybách testováno experimentální zařízení pro nastavování orientace těla experimentálních ryb v akustickém poli širokopásmových echolotů. Po testech bylo experimentální zařízení odstraněno kvůli nastupující zimě.

Nový „single-echo“ detektor pro širokopásmová akustická data

Dne 7. ledna 2020 měli čeští i norští partneři této iniciativy online jednání ohledně určení klíčových bodů při zpracování širokopásmových akustických dat v softwaru Sonar5_Pro (jehož autorem je právě norský partner). Nejdůležitějším bodem byl neexistující „single-echo“ detektor (tj. detektor jednotlivých ozev) pro širokopásmová data, který norský partner začal vymýšlet. Český partner začal zkoumat širokopásmová data volně plavajících ryb v kleci zaznamenaná ještě před zahájením projektu, aby zjistil variabilitu a charakterizaci širokopásmových dat ryb (Obrázek 1). V období od 26. února do 6. března 2020 český partner navštívil norského partnera na katedře fyziky Univerzity v Oslu. Během návštěvy v Norsku byla zkontrolována a mírně otestována první verze nového „single-echo“ detektoru pro širokopásmová akustická data. Norský partner v březnu a dubnu tohoto roku pokračoval v navrhovaných vylepšeních a implementaci nového „single-echo“ detektoru do softwaru Sonar5, zatímco český partner pokračoval v testování nového detektoru a jeho parametrizace na předem shromážděných širokopásmových datech.

Situace okolo COVID-19

V dubnu 2020 vstoupila v platnost omezení COVID-19 (zejména pro cestování), která bohužel ovlivnila harmonogram programu projektu. Plánované návštěvy v zahraničí a velká část terénních prací byly odloženy až o rok a půl. Tehdy bylo cílem provést aspoň část experimentů k získání jakýchkoli dat obsahujících informace o orientaci těla ryb a připravit nástroje na zpracování takovýchto dat. Program projektu byl přeplánován a znovu zahájen až v září 2021.

Pokusy s rybami známé velikosti a orientace těla

Na jaře 2020 byla zahájena experimentální část projektu ke sběru akustických širokopásmových signálů z ryb o známé velikosti a polohách jejich těla v širokopásmovém akustickém poli. Před experimenty bylo naše akustické širokopásmové zařízení zkalibrováno a experimentální zařízení bylo smontováno na nádrži Římov (Obrázek 2). Experimenty byly prováděny od poloviny července do srpna a shromažďovaly se akustické širokopásmové signály od cejna obecného různých velikostí (Obrázek 3) s různým nastavením širokopásmových pulzů.

První kontrola dat a předělání softwarových nástrojů

Na podzim a v zimě 2020 byla shromážděná hrubá akustická data ryb v daných pozicích těla prozkoumána, což poskytlo velký soubor dat obsahující informace o intenzitě signálu, fázových úhlech a frekvenčních odezvách (Obrázek 4). Na frekvenčních charakteristikách byla provedena určitá klasifikace základních vlastností. Detekce jednotlivých ozev (single echoes) však naznačovaly, že pozorované postranní akustické signály rybích cílů (uměle vytvořené konvenčně používanou kompresní technikou pro zpracování širokopásmových dat) mohly potenciálně ovlivnit výsledné frekvenční odezvy ryb. Navíc v lednu 2021 musel být původní modul pro převod dat v softwaru Sonar5 překódován kvůli technickému problému, který se vyskytl v předchozí verzi softwaru. Norský partner několik měsíců pracoval na vyřešení obou problémů. Proces převodu softwaru byl opraven a analyzátor dat vzorků Sonar5 byl upraven tak, aby odstranil nebo potlačil umělé boční akustické signály cílů a zlepšil parametry pro lepší detekci jednotlivých ozev.

V listopadu 2021 norský partner navštívil českého partnera v Hydrobiologickém ústavu Biologického centra AV ČR (Obrázek 5). Během návštěvy byl představen a otestován nový nástroj v softwaru Sonar5 pro rychlou extrakci dat ze širokopásmových signálů a jeho úpravy byly prodiskutovány.

Extrakce a analýzy dat

V lednu a únoru 2022 byla zpracována všechna akustická širokopásmová data z experimentů z roku 2020, čímž vznikl obrovský datový soubor informací o širokopásmových signálech o rybách různých velikostí a orientací těla (24 proměnných a až 600 000 pozorování). V březnu 2022 český partner opět navštívil katedru fyziky Univerzity v Oslu. Během návštěvy byly datové soubory podrobeny metodě strojového učení zvanou „random forest“ (náhodný les), která analyzovala extrahované informace společně i odděleně. Bohužel úspěšnost určení úhlu těla ryb pomocí této metody byla kolem 60 %.

V následujících měsících  jsme se zaměřili na to, jaké další možné charakteristiky akustického signálu by bylo možno použít ke zvýšení identifikace správného náklonu ryby a zárověň i jiné techniky zpracování vysoce variabilních dat. Volba padla extrakci fázové informace z akustických signálů a na spíše statistické metody, konkrétně v oblasti zobecněných aditivních modelů („generalized additive mixed models“, GAMM).

V průběhu července 2022 navštívil norský partner Hydrobiologický ústav, BC AVČR. Hlavní diskuze se vedla ohledně toho, jak extrahovat fázové informace z programu Sonar5 a jak dále pokračovat s experimentální částí. V průběhu návštěvy norský partner upravil program pro extrakci fázových informací.

Po převzorkování data z roku 2020 během srpna jsme získali obšírnější datový soubor (31 proměnných s počtem pozorování až 2 300 000). Nový datový soubor podstujeme řadu drobných analýz k určení vlivu jednotlivých komponent na určování náklonu pozorovaných ryb.

Pokračování v experimentech

 V červenci a srpnu 2022 byla provedena další experimentální část projektu. Byla nasbírána širokopásmá akustická data s dalších dvou cejnů velkých (pro nezávislou validaci modelů) a třech plotic obecných. Dále byly provedeny doprovodné testy (např., vliv hladiny nebo hloubky na širokopásmé akustické signály z ryb).

Analýza dat a jejich výstup

Rozhodli jsme se zaměřit na amplitudu odražených akustických signálů ze shromážděných dat, konkrétně na její hrubou distribuci a dva deskriptory (maximum A_MAX a šířka AW na různých úrovních pod A_MAX). Nejprve jsme zkoumali interakci mezi úhlem sklonu ryb z dorzálního aspektu a amplitudou odraženého signálu, vyjádřenou jako akustická cílová síla (TS v decibelech, dB), u pulzně komprimovaných širokopásmových akustických signálů. Zadruhé jsme zkoumali účinky deskriptorů amplitudy odražených signálů, maxima a šířky, na úhel sklonu ryb u pulzně komprimovaných širokopásmových akustických signálů.

Shromážděné amplitudy odražených signálů byly modelovány pomocí přístupu GAMM (Generalized Additive Mixed Model), který byl založen na více než jednom milionu pozorování pro oba typy akustické signálů („fast- a slow-tapered“). Tvary modelovaných distribucí amplitud se postupně měnily z pravé dorzální pozice k šikmým úhlům tělního dorzálního náklonu (Obrázek 6), tedy spíše nižší a méně špičaté křivky modelů (tj. špičatost křivek se snižovala). Tato změna byla výraznější u „slow-tapered“ akustických pulzů než u „fast-tapered“ (Obrázek 6).

Obecně v rámci úhlu sklonu ryb nebyl účinek deskriptorů amplitudy přímočarý a lišil se mezi oběmi typy akustických signálů a i mezi dorzální orientací s hlavou nebo ocasem blíže k vysílači sonaru (Obrázek 7). Účinek A_MAX byl relativně nízký. Maximum A_MAX bylo posunuto do poloh s ocasem blíže k vysílači, 5 a 10 stupňů mimo pravý dorzální aspekt u „fast-tapered“ signálů. To ukazuje, že nejsilnější odraz nepocházel z pravé dorzální polohy, ale přišel z pozice, kdy byla ryba mírně nakloněna s ocasem blíže k vysílači.

Účinky AW se obecně zvyšovaly s klesající úrovní pod A_MAX pro oba typy akustických signálů, což naznačuje, že nejvyšší úrovně by nebyly vhodné pro určení úhlů náklonu ryb (Obrázek 7). Globální minimum bylo, ale ne ve všech případech, mírně posunuto k dorzální orientací s ocasem blíže k vysílači, nejvíce patrné u „slow-tapered“ akustických signálů. Míra účinku nebyla podobná a rostla různými rychlostmi směrem k šikmým úhlům naklonění mezi dorzální orientací s hlavou či ocasem blíže k vyílači. Vyšší rychlosti ve velikosti účinku byly na ocasní straně orientací. Nejstabilnější a symetrické tvary účinku AW mezi dorzální orientací na straně hlavy a ocasu byly pozorovány při 15 a 18 dB pod A_MAX, zejména pro „fast-tapered“ akustické signály, což naznačuje, že tyto dvě úrovně by mohly být nejlepšími kandidáty na využití při určování úhlu náklonu ryb.

Obrázek 1. Klecový experiment s volně plujícími rybami monitorovanými akustickým širokopásmovým echolotem.

Obrázek 2. Schéma konstrukce na nastavení úhlu těla experimentálních ryb v akustickém širokopásmovém poli.

Obrázek 3. Nastavování úhlu rybího těla při experimentech.

Obrázek 4. Ukázka variability frekvenčních odpovědí u různě velkých cejnů velkých v krátkém, rychle rostoucím, zvukovém pulzu.