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 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) pomocí různých nastavení 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 laloky 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 laloky 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 případů). 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 současné době se zaměřujeme na extrakci dalších parametrů z širokopásmových signálů, které by mohly zvýšit přesnost určení orientace, a současně na hledání dalších technik strojového učení, které by mohly mít větší schopnost dešifrovat vysoce variabilní širokopásmové signály.

Obrázek 1. Klecový experiment s volně plujícími rybyami 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.

Obrázek 5. Setkání s norským partnerem na půdě Hydrobiologického ústavu, BC AVČR.

KONTAKT

Biologické centrum AV ČR, v.v.i.
Hydrobiologický ústav
Na Sádkách 702/7
370 05 České Budějovice

NAJÍT PRACOVNÍKA