《Fisheries Research》：Evaluating the use of uncrewed surface vessels to enhance Lake Erie acoustic prey-fish surveys.
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自主水面船舶（USV）在湖Erie声学鱼群调查中的可行性研究。比较四艘RV与一艘USV的声学数据（目标强度TS、面积后向散射系数ABC、单位面积鱼密度），结果显示两者调查结果相似（RV平均低6%）。环境因素（风速、波浪）影响数据质量，需优化。USV可提升空间覆盖、调查效率，为渔业管理提供新数据源。
马克·R·杜福尔（Mark R. DuFour）| 托马斯·M·埃文斯（Thomas M. Evans）| 拉尔斯·G·鲁德斯塔姆（Lars G. Rudstam）| 苏雷什·A·塞西（Suresh A. Sethi）| 杰里米·P·霍尔登（Jeremy P. Holden）| 海瑟·卢肯（Heather Luken）| 彼得·詹金斯（Peter Jenkins）| 丹尼尔·L·尤尔（Daniel L. Yule）| 大卫·M·沃纳（David M. Warner）| 史蒂文·A·法尔哈（Steven A. Farha）| 蒂莫西·P·奥布莱恩（Timothy P. O’Brien）| 安德鲁·R·巴纳德（Andrew R. Barnard）| 史蒂文·A·森奇辛（Steven A. Senczyszyn）| 汉娜·B·布莱尔（Hannah B. Blair）| 詹姆斯·M·沃特金斯（James M. Watkins）| 詹姆斯·J·罗伯茨（James J. Roberts）| 彼得·C·埃塞尔曼（Peter C. Esselman）
美国地质调查局，五大湖科学中心，伊利湖生物站，439赫伦街（Huron Street），俄亥俄州赫伦（Huron），44839，美国
摘要
将自主无人水面船（USVs）纳入大规模声学调查中，可能会提高鱼类密度估计的时空范围和质量。目前，伊利湖的调查主要依靠三艘机动研究船（RVs）进行，这些船只每年收集声学数据并估算猎物鱼类的数量。为了评估将USV纳入现有调查以增加空间覆盖范围的可行性，我们比较了四艘机动RVs（三艘目前使用的和一艘历史使用的）和一艘USV（Saildrone Explorer）的配对声学测量结果，包括目标强度（TS）、面积后向散射系数（ABC）和单位面积鱼类密度。在伊利湖的不同采样点沿2公里长的航线上收集了声学数据。尽管观察到受采样条件影响的特定差异，但RVs和USV之间的单位面积密度估计值相当（即RVs的估计值比USV低6%）。RVs和USV对变化的环境条件（风和波浪）的反应不同（速度和稳定性），这影响了数据质量，未来应用中需要加以缓解。然而，与海洋和淡水环境中的类似比较结果一致，将USV纳入声学调查可以通过增加工作量、空间覆盖范围、后勤灵活性以及从RVs收集生物数据的机会来提高年度鱼类密度估计的准确性。
引言
在机动研究船上安装回声探测器进行的声学调查被广泛用于描述鱼类群落；然而，与船只相关的偏差可能引发担忧，因此人们开始探索替代的声学采样方法。最近的技术进步使得配备了声学回声探测器的自主车辆能够在预定航线上收集数据，为渔业管理的声学调查提供了扩展范围和质量的潜力。无人水面船可以高效地在更大的时空尺度上收集数据（Benoit-Bird等人，2018年；Handegard等人，2024年），补充（Benoit-Bird等人，2018年；Bolser等人，2023年）或替代有人驾驶的船只（De Robertis等人，2021年；Levine和De Robertis，2025年），从而可能提高数量估计的准确性和精确度。例如，无人水面船（USVs）可以直接从研究船（RVs）上部署，在RVs收集生物数据的同时收集水声数据（Handegard等人，2024年）。具有精细深度控制的自主水下车辆可以针对靠近水面或底部的鱼类进行有针对性的测量（Scalabrin等人，2009年），这些区域通常是RVs基于声学的调查中采样不足的（Totland等人，2009年；Grow等人，2020年）。虽然基于USV的水声采样在扩展生态系统观测方面具有巨大潜力，但在大规模采用之前，一个关键的后勤障碍是了解RVs和自主平台收集的水声数据的可比性。
如果鱼类能够检测并响应船只，那么来自机动RVs的声学调查可能存在偏差，因为船只会将螺旋桨和引擎噪音辐射到水柱中（De Robertis和Handegard，2013年）。与传统的RVs相比，风力驱动的自主水面船有几个优势。风力驱动的USVs比传统RVs更安静，产生的辐射噪音通常低于环境噪音水平（Evans等人，2023年；Evans等人，2024年），从而减轻了鱼类对船只的检测和回避问题（De Robertis等人，2019年；Evans等人，2023年；Evans等人，2024年）。特别是，“几乎无声”的（Evans等人，2024年）无人水面船（USV；“Saildrone Explorer”，Saildrone公司，加利福尼亚州阿拉米达），由风力驱动并依靠太阳能供电，可以连续收集声学数据，续航时间超过360天，并且其航线可以通过卫星实时更新。
尽管安静的USVs具有优势，但用风力驱动的USVs替代现有的机动RVs进行声学调查会引发关于数据可比性的担忧。也就是说，如果鱼类对USVs和RVs的反应不同，那么从这两个平台生成的数量估计值也可能不同。据认为，鱼类可以通过水柱中的引擎和螺旋桨噪音检测到机动船只（Mitson，1995年；Soria等人，1996年；Misund，1997年；De Robertis和Handegard，2013年），尤其是在20到300赫兹之间的低频范围内（Mitson，1995年）。因此，平台设计和操作可能导致鱼类反应不同，从而影响声学调查的估计结果（De Robertis和Handegard，2013年；DuFour等人，2021年）。然而，观察到的回避行为各不相同，一些作者报告在冬季鱼类有强烈反应（鲱鱼Clupea harengus，Ona等人，2007年；狭体鳕Gadus chalcogrammus；De Robertis等人，2010年），而其他作者则报告在夏季鱼类几乎没有反应（狭体鳕；De Robertis等人，2008年）。这些结果表明，鱼类对船只噪音的反应可能因多种原因而异，包括环境条件、局部栖息地、种群结构以及生理状态，导致对声学频率和幅度的敏感性不一致。因此，局部声景、底部类型（影响声音反射的方式）、盆地地形以及调查条件（风和波浪）可能会影响声音对鱼类行为的影响（Mitson，1995年）；因此，目标调查物种、调查时间和地点可能会影响反应（De Robertis和Handegard，2013年）。例如，在产生高环境噪音的条件下，船只产生的噪音可能对鱼类的回避行为影响较小。如果被调查的鱼类群体的回避行为随时间保持一致，那么数量和大小分布的时间序列可能提供一个可接受的表示。然而，如果被调查的鱼类对USV的反应与RV不同，那么从仅使用RV的调查转变为同时使用RV和USV的调查时，时间序列可能会产生偏差。因此，在将新的调查平台纳入之前，需要在一系列典型调查条件下进行历史数据和潜在新平台的比较（DuFour等人，2021年）。
在海洋和淡水环境中都进行了自主平台与有人驾驶RVs的比较。在海洋系统中，观察到了一些差异——特别是在昼夜深度分布方面，尽管如此，不同采样平台之间的平均后向散射测量值通常在可接受的范围内，相差不超过10%（Swart等人，2016年；De Robertis等人，2019年）。在劳伦蒂安五大湖的先前研究中发现，当在休伦湖和密歇根湖进行比较时，鱼类对USVs和RVs的反应没有差异（Evans等人，2023年），但在苏必利尔湖，鱼类对RVs的回避行为较为明显（Evans等人，2024年）。这些差异可能与所调查的鱼类种类以及使用的RVs类型有关。在休伦湖和密歇根湖，鲱鱼（Alosa pseudoharengus）、虹鳟（Osmerus mordax）和/或银鲑（Coregonus artedi）生活在上层水域，而爆鱼（Coregonus hoyi）则生活在较深的水域。相比之下，在苏必利尔湖，RVs测得的每公顷鱼类数量比安静的USVs少约15%。值得注意的是，尽管在苏必利尔湖的研究中使用的五艘RVs在设计、调查速度和辐射噪音水平上存在显著差异，但并未发现回避行为上的显著差异（Evans等人，2024年）。这些对比结果强调了在考虑用USVs替代RVs时进行系统特定评估的重要性，特别是在像伊利湖这样浅水、异质且可能存在噪音的系统中。
伊利湖与其他劳伦蒂安五大湖的不同之处在于它相对温暖且较浅，因此生产力更高（Bunnell等人，2014年）。因此，鱼类密集聚集的地方可能更接近水面，船只的回避反应可能更为明显（DuFour等人，2021年）。此外，猎物鱼类的组成更加多样，与其他劳伦蒂安五大湖不同（Bunnell等人，2014年），这可能导致行为反应与其他水体中的观察结果不同（Evans等人，2023年；Evans等人，2024年）。伊利湖的猎物鱼类数量每年通过一个跨部门的声学拖网调查进行监测，西盆地主要由一艘船只收集水声数据，中盆地由一艘或两艘船只收集数据，东盆地由一艘船只收集数据（Forage Task Group (FTG)，2019年；Forage Task Group (FTG)，2025年）。后勤限制将总采样工作限制在一个季节内，并且同时只能在一个盆地进行中层拖网调查，这阻碍了针对特定物种的数量估计（Forage Task Group (FTG)，2025年）。将USV纳入调查可以增加水声采样工作量，并允许RVs重新分配工作，通过中层拖网增加生物数据收集，从而更好地描述伊利湖的猎物鱼类群落。此外，如果USVs完全替代RVs，那么船只之间的差异带来的潜在影响将消除（DuFour等人，2021年），从而简化整个湖泊的数据分析。额外的数据收集加上由于船只差异导致的不确定性降低，有助于明确猎物鱼类数量的驱动因素，了解它们对伊利湖顶级捕食者的可用性，并便于将其纳入现有的捕捞管理结构中。
为了评估在现有的伊利湖调查中补充安静的USV以增强水声数据收集的效果，我们与四艘机动RVs进行了比较研究。USV和RVs都配备了120 kHz或200 kHz的分束回声探测器，并在伊利湖的每个盆地沿2公里长的航线上收集了配对数据。我们的目标是：1）评估沿配对2公里航线的声学测量结果在机动RVs和USV之间是否存在差异；2）比较基于RV和USV的鱼类密度与基于RV的历史调查指数年际波动之间的比例差异；3）总结将USV纳入当前基于RV的调查中的潜在机会和挑战。我们假设船只的回避行为（水平移动和潜水）可能导致机动RVs与USV相比，总体声学返回值（平均目标强度（TS，dB re 1 m2）、面积后向散射系数（ABC，m2/m2）和鱼类密度估计（鱼/公顷）的减少；然而，基于其他五大湖系统的测试（Evans等人，2023年；Evans等人，2024年），我们预计这些差异很小，因此只会对年度评估指数产生微小影响。如果是这种情况，USV的高续航能力和安静特性可能会为改进调查设计和结合RVs与USVs进行全湖范围猎物鱼类群落评估提供机会，从而改善渔业管理。
方法部分
首先，我们描述了伊利湖的研究系统和调查平台。接着，我们解释了使用配对航线比较RVs和USV的调查方法。最后，我们详细介绍了声学数据处理和分析方法，以评估不同调查平台之间的差异并描述基于USV的猎物鱼类调查的结果。
水温与鱼类体积密度
2023年8月2日至9月27日期间，在五次采样事件中，五艘研究船（RV Almar、RV Muskie、RV Grandon 和 RV Erie Explorer）和USV共同收集了51条配对航线的数据（表1）。RV Grandon的采样事件中的TS测量数据不可用，无法计算鱼类体积密度。平均水深、温度、鱼类体积密度和鱼类垂直分布在这四次采样事件中有所不同（图3）。西盆地（Almar_w）和
讨论
我们的研究结果表明，将无人水面船（USV）纳入伊利湖的猎物鱼类声学调查是可行的，因为在调查尺度上我们没有观察到RVs和USV之间的系统差异。尽管观察到USV和RVs之间的平均单位面积鱼类密度估计存在比例差异（如其他RVs和USV的比较中所见（De Robertis等人，2019年；Evans等人，2023年），但这些差异似乎取决于具体情境。例如，最大的比例
CRediT作者贡献声明
马克·R·杜福尔（Mark R. DuFour）：概念化、方法论、正式分析、调查、数据管理、初稿撰写、审稿与编辑、可视化、监督、项目管理。托马斯·M·埃文斯（Thomas M. Evans）：概念化、方法论、正式分析、调查、数据管理、初稿撰写、审稿与编辑、监督。拉尔斯·G·鲁德斯塔姆（Lars G. Rudstam）：概念化、方法论、审稿与编辑。苏雷什·A·塞西（Suresh A. Sethi）：概念化、方法论、撰写 –
资金
美国地质调查局的这项工作得到了康奈尔大学（拨款编号#G21AC10348）和密歇根理工大学（拨款编号#G21AC10745）的资助。OMNR的采样工作得到了鱼类和野生动物特别目的账户的省级资金支持，该账户将许可证费和版税用于鱼类和野生动物管理。ODNR的采样工作得到了联邦体育鱼类恢复计划（F-69-P，俄亥俄州鱼类管理）的州级资金支持，
利益冲突声明
关于提交的论文“评估使用无人水面船增强伊利湖声学猎物鱼类调查的效果”，我们的作者团队在财务支持、知识产权或任何其他活动方面没有需要声明的利益冲突。
致谢
我们感谢在我们的研究开发和执行过程中提供支持和合作的合作伙伴组织。我们还要感谢RV Almar、RV Erie Explorer、RV Grandon 和 RV Muskie的船员们，他们在许多情况下即使在短时间内也配合完成了这项研究。同时，我们也感谢Saildrone团队在整个过程中提供的有效和高效的沟通。我们非常感谢Garrett Johnson、Stuart Ludsin、Kevin Jones以及两位匿名人士的帮助。
