Estimación de biomasa de peces en granjas marinas mediante ultrasonidos

Abstract

[EN] Marine aquaculture production has increased considerably in recent years due to the scarcity of fisheries resources and increased demand. Gilthead sea bream and European sea bass are among the most interesting species for cultivation in Spain and is usually cultivated in floating cages systems. Fish growth and biomass estimations are essential to prepare the production plan of fish farms, as well as to organize and to perform management operations. It is necessary to optimize these production processes, not only to improve economic profitability but also to minimize the environmental impact of the facilities. Acoustic techniques are most appropriate for remote sensing in the water, because acoustic waves travel long distances. For several decades acoustic methods have been employed to detect shoals of fish, so that the information provided by sonars and echo sounders is an important factor in the efficiency of current fishing operations. Today acousticians are investigating ways to accurately determine the biomass in cages by noninvasive techniques, which go through the estimation of fish abundance and size distribution. The methodology of scientific or commercial echo sounders have been directed mainly towards pelagic fishing, and it is necessary to evaluate whether the equipment and algorithms can be applied in the control of marine aquaculture farms. In order to evaluate the biomass of fish in cages, two techniques for estimating size are evaluated in this thesis, whilst the study of energy returned by the school of fish is addressed to estimate abundance, as discussed in Chapter 1. Also the acoustic response of pellets by size is characterized. In Chapter 2 general information about gilthead sea bream and European sea bass and their farming in floating cages is included. The basic concepts and formulations used in acoustics to estimate biomass are described in Chapter 3, which are useful for understanding this thesis. In Chapter 4 the suitability of using scientific sounders for estimating size is studied, with the peculiarity that fish are close to transducer. Ventral and dorsal aspects of the target strength (TS) are measured for different sizes of gilthead sea bream. TS measurements at close distances to transducer imply a series of complications and uncertainties. The relationship between TS and size will allow indirect estimation of fish size from acoustic measurements. In Chapter 5, applicability of scientific echo sounders for estimation of average size and abundance of fish in cages of gilt head sea bream and European sea bass in production conditions, which are characterized by a reduced distance between transducer and fish as well as high densities, is evaluated. The study of dorsal TS for determining fish size is limited to the volume above the shoal where detections from isolated fish are obtained, being unviable the evaluation at greater distances where the high density of school hinters the echo detection from multiple targets. The abundance of fish is evaluated by integrating energy backscattered by the school. In Chapter 6 an alternative method for estimating fish size is proposed, based on measurement of the difference of flight time between two peaks of the same echo, which correspond to reflections of the pulse transmitted in different parts of fish body. Finally, in Chapter 7 the acoustic response of pellets versus their size is measured using a scientific echo sounder, enabling the detection and identification of pellets fall.

[ES] La acuicultura marina ha aumentado considerablemente su producción en los últimos años debido a la escasez de recursos pesqueros y al aumento de la demanda. La dorada y la lubina son unas de las especies más interesantes para su cultivo en España y se cultivan normalmente en sistemas de jaulas flotantes. La estimación del crecimiento de los peces y la biomasa son esenciales en la preparación del plan de producción de granjas de peces, así como para organizar y llevar a cabo operaciones de gestión. La optimización de los procesos de producción, no sólo consigue mejorar la rentabilidad económica, sino que también permite minimizar el impacto ecológico de las instalaciones. Las técnicas acústicas resultan las más apropiadas para la detección remota en el agua, pues las ondas acústicas permiten recorrer grandes distancias. Desde hace algunas décadas se han estado empleando métodos acústicos para la detección de bancos de peces, de forma que la información proporcionada por sónares y ecosondas resulta un factor importante en la eficiencia de las operaciones actuales de pesca. Hoy en día se está investigando la manera de determinar de forma precisa la biomasa presente en jaulas mediante técnicas acústicas no invasivas, que pasan por la estimación de la abundancia de peces y la distribución de tamaños. La metodología de ecosondas científicas o comerciales se ha orientado principalmente hacia la pesca pelágica, y resulta necesario evaluar si el equipo y los algoritmos pueden aplicarse en el control de granjas de acuicultura marina. Con el fin de evaluar la biomasa de peces en jaulas, en esta tesis se evalúan dos técnicas para la estimación de la talla y se aborda el estudio de la energía devuelta por el cardumen de peces para la estimación de la abundancia, tal y como se comenta en el Capítulo 1. De igual modo se caracteriza la respuesta acústica del pienso en función de su calibre. En el Capítulo 2 se incluye información general sobre la dorada y la lubina y su cultivo en jaulas flotantes. Los conceptos básicos y las formulaciones empleadas en acústica para la estimación de biomasa se describen en el Capítulo 3, que resultan útiles para la comprensión de esta tesis. En el Capítulo 4 se estudia la idoneidad del uso de ecosondas científicas para la estimación de la talla, con la particularidad de que los peces se encuentran situados a distancias próximas al transductor. Se mide el aspecto ventral y dorsal del target strength (TS) para diferentes tallas de dorada, que a distancias tan próximas al transductor lleva implícita una serie de complicaciones e incertidumbres. La relación del TS con la talla permitirá estimar de forma indirecta el tamaño de los peces a partir de mediciones acústicas. En el Capítulo 5 se evalúa la aplicabilidad de ecosondas científicas de forma dorsal en la estimación de la talla promedio y la abundancia de peces en jaulas de dorada y lubina en condiciones de producción, que se caracteriza por una reducida separación entre el transductor y los peces así como por densidades elevadas. El estudio del TS para la determinación del tamaño queda limitado a la zona superior del cardumen donde se pueden obtener detecciones de peces aislados, siendo inviable su evaluación a mayores distancias donde la elevada densidad del cardumen hace inevitable la detección de ecos procedentes de múltiples blancos. La abundancia de peces se evalúa mediante la integración de la energía retrodispersada por el banco. En el Capítulo 6 se propone un método alternativo para la estimación del tamaño de los peces basado en la medida de la diferencia del tiempo de vuelo entre dos máximos de un mismo eco, que corresponden a las reflexiones del pulso transmitido en diferentes partes del cuerpo del pez. Por último, en el Capítulo 7 se caracteriza la respuesta acústica del pienso en función de su calibre empleando una ecosonda científica, que permitirá la d

[CA] L'aqüicultura marina ha augmentat considerablement la seua producció en els últims anys a causa de la manca de recursos pesquers i l'augment de la demanda. La daurada i el llobarro són unes de les espècies més interessants per al seu cultiu a Espanya i es conrea normalment en sistemes de gàbies flotants. L'estimació del creixement dels peixos i la biomassa són essencials en la preparació del pla de producció de granges de peixos, així com per a organitzar i dur a terme operacions de gestió. L'optimització dels processos de producció, no només aconsegueix millorar la rendibilitat econòmica, sinó també per minimitzar l'impacte ecològic de les instal·lacions. Les tècniques acústiques resulten les més apropiades per a la detecció remota en l'aigua, degut a que les ones acústiques permeten recórrer grans distàncies. Des de fa algunes dècades s'han estat utilitzant mètodes acústics per a la detecció de bancs de peixos, de manera que la informació proporcionada per sonars i ecosondes resulta un factor important en l'eficiència de les operacions actuals de pesca. Hui en dia s'està investigant la manera de determinar de forma precisa la biomassa present en gàbies mitjançant tècniques acústiques no invasives, que passen per l'estimació de l'abundància de peixos i la distribució de la grandària. La metodologia d'ecosondes científiques o comercials s'ha orientat principalment cap a la pesca pelàgica, i resulta necessari avaluar si l'equip i els algoritmes poden aplicar-se en el control de granges d'aqüicultura marina. Per tal d'avaluar la biomassa de peixos en gàbies, en aquesta tesi s'avaluen dues tècniques per a l'estimació de la talla i s'aborda l'estudi de l'energia retornada pel banc de peixos per a l'estimació de l'abundància, tal com es comenta en el Capítol 1. De la mateixa manera es caracteritza la resposta acústica del pinso en funció del seu calibre. En el Capítol 2 s'inclou informació general sobre l'orada i el llobarro i el seu cultiu en gàbies flotants. Els conceptes bàsics i les formulacions utilitzades en acústica per a l'estimació de biomassa es descriuen en el Capítol 3, que resulten útils per a la comprensió d'aquesta tesi. En el Capítol 4 s'estudia la idoneïtat de l'ús de ecosondes científiques per a l'estimació de la talla, amb la particularitat que els peixos es troben situats a distàncies pròximes al transductor. Es mesura l'aspecte ventral i dorsal del target strength (TS) per diferents talles d'orada, que a distàncies tan properes al transductor porta implícita una sèrie de complicacions i incerteses. La relació del TS amb la talla permetrà estimar de forma indirecta la talla dels peixos a partir de mesures acústiques. En el Capítol 5 s'avalua l'aplicabilitat de ecosondes científiques de forma dorsal en l'estimació de la talla mitjana i l'abundància de peixos en gàbies d'orada i llobarro en condicions de producció, que es caracteritza per una reduïda separació entre el transductor i els peixos així com per densitats elevades. L'estudi del TS per a la determinació de la grandària queda limitat a la zona superior del banc, on es poden obtenir deteccions de peixos aïllats, sent inviable la seua avaluació a majors distàncies on l'elevada densitat del banc fa inevitable la detecció d'ecos procedents de múltiples blancs. L'abundància de peixos s'avalua mitjançant la integració de l'energia retrodispersada pel banc. Al Capítol 6 es proposa un mètode alternatiu per a l'estimació de la grandària dels peixos basat en la mesura de la diferència del temps de vol entre dos màxims d'un mateix eco, que corresponen a les reflexions del pols transmès en diferents parts del cos del peix. Finalment, en el Capítol 7 es caracteritza la resposta acústica del pinso en funció del seu calibre emprant una ecosonda científica, que permetrà la detecció i identificació de la caiguda del pinso sobrant.