Дистанционные методы диагностики и мониторинга морских

Перспективы и практические значение современных методов исследования морских беспозвоночных
Научно-популярный материал 2
Дистанционные методы исследования морских беспозвоночных
Введение
Исследование состояния морских донных сообществ необходимо не только при
картографировании и изучении структуры бентосных сообществ, проведении оценки
воздействия на окружающую среду (ОВОС) и последующем мониторинге, любых
инженерно-экологических изысканиях, связанных с освоением шельфовой зоны, но также
и при диагностике и мониторинге ресурсов морских беспозвоночных. При этом проводят
оценку функциональных состояний донных сообществ, в которых беспозвоночные
животные играют важную роль.
Основным методом изучения донных сообществ и их дальнейшего мониторинга
является количественная съемка бентоса в пределах исследуемой акватории, а методикой
– проведение количественной съемки, для которой могут быть использованы
пробоотборники различной конструкции (дночерпатели, мульт-икореры и пр.), что
позволяет точно подсчитать численность и плотность беспозвоночных животных в точке
отбора пробы. Для повышения точности исследования в одной точке отбирают несколько
проб, число которых зависит от задач исследования и степени гетерогенности дна в
районе исследования (а, следовательно, мозаичности распределения донных сообществ на
полигоне).
К важнейшим параметрам, по которым проводится описание состояния донных
сообществ, оценка происходящих в них изменений и прогнозирование возможного
ущерба от хозяйственной деятельности относятся:

видовое разнообразие (суммарное число видов или косвенные показатели –
различные индексы видового разнообразия);
1 
биомасса отдельных видов или биомасса групп организмов;

плотность (численность) отдельных видов.
Основными орудиями сбора проб для изучения структуры донных сообществ
донных организмов являются ковшовые или коробчатые дночерпатели. Первые
представляют собой различные варианты ковшей, вторые состоят из металлического
бокса, закрывающегося снизу ножом.
Точность оценки каждого из изучаемых параметров зависит от количества
собранных проб и характера размещения видов в пространстве (регулярное, случайное,
агрегированное). Полнота изученности видового разнообразия обычно определяется
исходя из вида кумулятивной кривой числа видов, отражающей скорость прироста числа
новых видов в зависимости от исследованной площади, или используя уравнения,
описывающие зависимость «число видов – площадь» [1]. За допустимый уровень
принимается выявление 80 % видового состава данной акватории или точка перехода
кумулятивной кривой числа видов, выше которой начинается равномерное увеличение
числа видов от количества проб (приращение числа редких видов в этом случае
происходит за счет видов с единичной встречаемостью). Чаще всего уровень точности в
80% достигается при отборе от 5 до 10 проб с площади 0,1 – 0,25 м².
Для достоверной оценки количественных показателей сообщества необходимо
отобрать большое число проб. Существует несколько алгоритмов отбора для разных
значений плотности и разных типов пространственного размещения организмов, которое
изначально не известно. По этой причине приходится проводить пилотные исследования
или опираться на косвенные показатели, такие как характер пространственного
распределения бентоса в районах со сходными условиями или результаты предыдущих
исследований, если таковые имеются. При проведении пилотных исследований в
дальнейшем возможно корректировать схему отбора проб.
Достоверные оценки численности могут быть получены только при отборе
достаточно большого числа проб даже при известном характере пространственного
размещения видов. При проведении исследований в масштабе 1 – 100 км² число проб,
необходимых для получения оценки численности часто встречающихся видов с высокими
показателями достоверности, может достигать нескольких сотен.
Традиционные методы сбора информации о состоянии донных природных
комплексов крайне трудоемки и экономически затратны. Кроме этого, они не дают
2 целостного представления о структуре донных сообществ. Поэтому, учеными необходимо
использовать новые методы изучения донных сообществ, которые менее затратны, более
достоверны и в то же время не наносят вреда изучаемому сообществу. К таким методам
изучения
структуры
донных
сообществ
можно
отнести
геофизические
(сейсмоакустические) методы, спутниковую и аэрофотосъемку, а также подводные
наблюдения с использованием фото- и видеосъемки.
Спутниковая и аэрофотосъемка
Среди дистанционных методов в наземных исследованиях и исследованиях
поверхности морей наиболее широко используется фотографирование в различных
спектрах видимого и инфракрасного света. В последние годы этот метод начал
применяться и в изучении донных сообществ и экосистем прибрежной зоны [2,3,4].
Спутниковая и аэрофотосъемка позволяет получать изображения поверхности Земли, в
разных участках видимого и инфракрасного спектров с различной разрешающей
способностью в зависимости от характеристик системы. Максимальное разрешение
спутниковой съемки на данный момент – 60 см.
Геофизические методы
Построение карт, основанных на геофизических характеристиках – эффективный
способ изучения структуры донных сообществ и их распределения в пространстве.
Применение
таких
методов
изучения
пространственного
распределения
донных
сообществ началось в 1940-х годах [5]. Первые гидролокаторы бокового обзора (ГЛБО)
давали сонограммы очень низкого разрешения, которые позволяли выделять только
большие и контрастные объекты, такие как затонувшие корабли. В 1970-1980-х годах
усовершенствованные приборы уже позволяли получать сонограммы практически
фотографического качества. Первые работы по практическому применению ГЛБО в
бентосных исследованиях были начаты в середине 1990-х годов [6], а в нашей стране – в
конце 1970-х годов, но были остановлены из-за технического несовершенства систем
позиционирования судна и техники записи акустического сигнала [7]. Появление систем
спутникового позиционирования и цифровой записи акустического сигнала, пригодного
для последующей компьютерной обработки открыли широкие возможности для
использования ГЛБО [8, 9] и многолучевых эхолотов [10, 11] для картографирования
донных
сообществ.
Также
для
картографирования
могут
быть
использованы
высокоразрешающие сейсмические системы, дающие представление о структуре
3 вертикального разреза (до глубины 50 м в мягких осадках). Такие системы могут быть
использованы для изучения сообществ инфауны.
Гидролокация бокового обзора
Акустические методы успешно применяются геологами для картирования морских
донных осадков. В настоящее время локаторы бокового обзора начали применяться для
поиска и изучения различных биологических объектов – от отдельных отчетливых
совокупностей организмов (мидиевых и устричных банок, коралловых рифов и т.п.) [12,
13] до полного картирования живого покрова дна [14, 15]. Также они применяются и в
целях мониторинга за изменением ландшафтов и биоты дна под влиянием хозяйственной
деятельности.
Среди биологических объектов картированию с помощью ГЛБО легче всего
поддаются наиболее контрастные объекты. Первые опыты были связаны с картированием
таких легко выявляемых объектов, как устричные банки и контролем их изменений.
Также были подробно закартированы банки, образованные двустворчатыми моллюсками
в заливе Фанди (Канада). Легко поддаются картированию акустическими методами
погруженные коралловые рифы.
Возможность изучения распределения донных сообществ по геофизическим
данным основывается на существовании прочной связи между типом грунта и характером
населяющей его фауны, возможности надежно картографировать контуры донных
сообществ, различающихся по гранулометрическому составу. Также стоит отметить, что
получаемый отраженный акустический сигнал характеризует не только тип грунта, но
также связан с составом донного населения. Различные виды донных организмов
(например, двустворчатые моллюски) и результаты их жизнедеятельности существенно
влияют на микрорельеф осадка, меняя его акустические характеристики.
Исходя из этого, задача картографирования донных сообществ с использованием
ГЛБО
представляется
весьма
перспективной.
В
настоящее
время
работы
по
картографированию ненарушенных донных сообществ с помощью ГЛБО широко
проводятся во всем мире. Полученные карты распределения отраженного акустического
сигнала позволяет выявлять контура с разной отражающей способностью поверхности.
Даже планирование сетки станций для заверки выделенных контуров уже позволяет
намного сократить объем дночерпательных съемок. На следующем этапе составляют
алгоритмы биологического дешифрирования акустического сигнала. Точность
4 и
надежность интерпретации акустического сигнала на данном этапе определяется
количеством обработанных ключевых участков, используемых для дешифрирования.
Принцип работы гидролокатора бокового обзора. Гидролокатор бокового обзора
состоит из погружаемого в воду антенного комплекса, блока приема-передачи, блока
питания и компьютера, с помощью которого осуществляется регистрация данных [16].
Антенна гидролокатора состоит из источника упругих волн и приемника. В зависимости
от модели антенна может быть одна (тогда в нее входит два комплекта источникприемник, для изучения дна как слева, так и справа по курсу) или две, причем каждая
устанавливается на соответствующий борт корабля. Исследование дна акватории
производится на ходу судна.
Акустическое
изображение
дна
или
карта
величин
обратного
рассеяния
формируется следующим образом. Под водой акустический импульс, подобно лучу
прожектора или радара, посылается в сторону дна, приемник регистрирует величину
обратного рассеяния, то есть энергию импульса, который отразился в сторону излучателя
(источника) (рис. 1). Расстояние до объекта определяется как произведение скорости звука
в воде на половину временного интервала между испусканием импульса и прибытием его
эха.
Рисунок 1 – Излучение и прием акустического сигнала
Различный коэффициент рассеяния, то есть интенсивность принимаемого сигнала у
различных объектов (грунтов или предметов) зависит от их типа. Например, сигнал от
заиленной поверхности будет слабее, чем от отмытого песка. Рельеф дна также влияет на
5 интенсивность обратного рассеяния: участки, ориентированные в сторону приемника,
будут на сонограмме представлены более сильным сигналом. Количество энергии,
вернувшейся к приемнику, зависит от угла падения луча: чем он ближе к вертикальному,
тем выше величина обратного рассеяния.
Плотность донных осадков, шероховатость микрорельефа и угол падения –
основные причины возникновения темных и светлых участков на сонограммах. По их
взаимному расположению (темных и ярких участков на сонограмме) можно определить
знак неоднородности рельефа, а по величине акустической тени – высоту объекта,
лежащего на дне, или положительной неоднородности рельефа.
Поскольку основной задачей гидролокации является обнаружение биологических,
геологических и геоморфологических объектов на морском дне, необходимо ввести
понятие разрешающей способности – возможности воспринимать два близко стоящих
объекта как различные, а не как один, но большой объект. Поперечная разрешающая
способность гидролокатора зависит от ширины озвучиваемой области вдоль движения
судна. Разрешение поперек профиля снижается по мере удаления от трека. Разрешение
вдоль профиля зависит от ширины луча и скорости буксирования аппарата.
Фото- и видеосъемка
Использования фотосъемки в исследованиях бентосных сообществ шельфовой
зоны началось с середины прошлого века [17, 18]. С усовершенствованием техники с
1990-х гг. в мировой практике гидробиологических исследований все большую
популярность стали приобретать методы учета бентосных организмов с применением
современной фото- и видеоаппаратуры [19, 20]
Причины внедрения таких методик следующие:
—
возможность получать данные о численности животных и характере их
распределения на твердых грунтах, где традиционные методы отбора проб не применимы;
—
недеструктивность
методов,
что
особенно
важно
при
проведении
долгосрочного мониторинга;
—
возможность быстрого получения информации о состоянии донных
сообществ с большой площади;
—
экономическая
выгода
применения
методов
за
счет
значительного
сокращения, а часто и исключения водолазных работ, что особенно важно при работе на
6 больших глубинах или в районах со сложной топографией дна и повышенной
гидродинамикой.
Применение методов фото- и видеосъемки наиболее эффективно при качественном
учете
представителей
макрозообентоса
глубоководных
районов
и
проведении
долгосрочного мониторинга изменения состояния донных сообществ.
Заключение
Применение комплексного подхода, сочетающего традиционные и дистанционные
методы исследования, дает основу для получения более точных результатов, чем
водолазные и дночерпательные сборы по сетке станций, а также для осуществления
мониторинга состояния донных сообществ. Традиционные методики исследований
донных
экосистем
при
этом
остаются
необходимым
этапом
для
калибровки
дистанционных данных и для проверки гипотез, создаваемых на основе дистанционного
исследования.
Список литературы
1.
Зенкевич Н.Л. Фотокамеры для съемки дна на больших глубинах //Труды
ИО АН СССР, 1960, № 44. – С. 66 – 80.
2.
Наумов А.Д. Двустворчатые моллюски Белого моря. Опыт эколого-
фаунистического анализа. СПб. 2006. – 367 C.
3.
Петров К.М. Подводные ландшафты: теория, методы исследования. Л.
Наука, 1989. – 128 с.
4.
Скнаря А.В., Гидролокация. М.: Изд-во МГУ. 2010. 119 с.
5.
Naumov A.D. Benthos. Berger V. White Sea Ecology and Environment //
St.Petersburg Tromso. 2001. P. 41-53.
6.
Mumby P. J., Green E. P., Edwards A. J., Clark C. D. Coral reef habitat mapping:
how much detail can remote sensing provide? // Marine Biology, 1997. № 130. – P. 193- 202.
7.
Myers M.R., Hardy J.T., Mazel .H. ,Dustan P. Optical spectra and pigmentation of
Caribbean reef corals and macroalgae // Coral Reefs, 1999. № 18(2). – P. 179-186.
7 8.
Fish J.P., Carr A.H. Sound Underwater Images: A Guide to the Generation and
Interpretation of Side-scan Sonar Data. American Underwater Search and Surveys Ltd, Lower
Cape Publishing, Orleans, MA. 1990. – 189 pp.
9.
Rhoads D. C., Muramoto J. A., Ward R. A review of sensors appropriate for
assessment of submerged coastal habitats and biological resources. U.S. Army Corps of
Engineers. Technical Report EL-96-10. 1996.
10.
Токарев М.Ю., Мокиевский В. О., Цетлин А. Б., Спиридонов В. А., Сафонов
М. В. Междисциплинарные съемки донных ландшафтов. // Наука и промышленность.
2002, № 9. – С. 9-12
11.
Kenny A.J. A biological and habitat assessment of the sea-bed off Hastings,
southern England. ICES, CM., 1998/E:5. – 21 pp.
12.
Newton R.S., Stefanon A. Application of side-scan sonar in marine biology
Marine. Biology, 1975. № 31. – P. 287–291.
13.
Chivers R.C., Emerson N., Burns D. New acoustic processing for underwater
surveying // Hydrographic Journal, 1990. № 42. – P. 8–17.
14.
Magorrian B. H., Service M., Clarke W. An acoustic bottom classification survey
of Strangford Lough, Northern Ireland // Journal of the Marine Biological Association of the
United Kingdom, 1995. № 75. – P. 987–992.
15.
Smith G.F. Greenhawk K.N. Shellfish benthic habitat assessment in the
Chesapeake Bay: Progress toward integrated technologies for mapping and analysis // Journal of
Shellfish Research, 1998. № 17(5). – P. 1433-1437.
16.
Wildish D.J., Fader G.B.J., Lawton P., MacDonald A.J. The acoustic detection
and characteristics of sublittoral bivalve reefs in the Bay of Fundy // Continental Shelf Research,
1998. № 18(1). – P. 105-113.
17.
Freitas R., Rodrigues A.M., Quintino V. Relating acoustic seabed classification to
marine benthic habitats. Examples from the western Portuguese shelf using single-beam echo
sounders. ICES CM 2002/K:07, 2002.
18.
Freitas R., Silva S., Quintino V., Rodrigues A.M., Rhynas K, Collins W.T.
Acoustic seabed classification of marine habitats: studies in the western coastal-shelf area of
Portugal // ICES Journal of Marine Science, 2003, № 60(3). – P. 599-608.
8 19.
McIntyre D. The use of trawl, grab and camera in estimating marine benthos //
Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom, 1956. № 9. – P. 419–429.
20.
Pech D., Condal A. R., Bourget E., Ardisson P.-L. Abundance estimation of rocky
shore invertebrates at small spatial scale by high-resolution digital photography and digital
image analysis. // Journal of Experimental Marine Biology and Ecology, 2004. № 299(2). – P.
185-199.
21.
Hill J., Wilkinson C. Methods for ecological monitoring of coral reefs. Australian
Institute of Marine Science, Townsville. 2004. – 117 pp.
Исаченко Артема Игоревича
Кафедра зоологии беспозвоночных Биологического факультета МГУ им. М.В.
Ломоносова
Материал подготовлен в ходе выполнения проекта
Министерства Образования и Науки (соглашение 8334)
9