Análisis geo-estadístico de datos
hidro-acústicos
Clase II:
Uso de hidroacústica en evaluación directa
de poblaciones acuáticas
Edwin Niklitschek
¿que es la evaluación directa de una
población o stock?
● Observación directa de uno o más indicadores de abundancia:
– Censo: conteo de los peces que migran por un paso restringido.
– Muestreo:
● Captura mediante redes, trampas, electropesca
● Cuantificación de productos biológicos, como huevos,
pastillas fecales, escamas, sonido (acústica pasiva).
● Conteo directo:
– Visual (ojo desnudo, cámara óptica o acústica).
– Acústico (eco-conteo)
Indices de abundancia o biomasa
● Un índice de abundancia debe ser proporcional a la abundancia de la población:
● O más pragmáticamente a la población disponible en una determinada área y periodo:
● Donde:
– N=abundancia del stock o de la fracción de interés.
– q= coeficiente de proporcionalidad
– a= fracción disponible al arte de muestreo:
● Migraciones diarias o estacionales
● Cambios ambientales
● Desplazamientos “estocásticos”
IA
=
q
⋅
N
IA'=q'⋅∑
i=1
k
Abundancia o biomasa relativa
● Abundancia relativa:
– q y/o a son desconocidos o no-estimables
– pero pueden ser asumidos como constantes entre
evaluaciones.
– es el caso de la mayoría de las evaluaciones
hidroacústicas.
– unidades de IA pueden no tener sentido biológico:
● Por ejemplo m2/mn2
IA'=q'⋅
∑
i=1
k
Abundancia o biomasa absoluta
● A diferencia de las estimaciones de abundancia relativa:
– Los parámetros q y a son conocidos o estimables
– Por lo que podría no ser necesario asumir que
permanecen constantes entre evaluaciones.
– Unidades reportadas en número de individuos o
biomasa de fácil interpretación.
IA'=q '⋅
∑
i=1
k
Evaluaciones hidroacústicas de
poblaciones marinas
● Poseen ciertas ventajas comparativas:
– Mayor intensidad del muestreo “red de longitud infinita”
– Método no invasivo: permite observar población bajo
condiciones “no perturbadas”
– Baja selectividad por tamaño o edad.
– Bajo error de observación
● ...y ciertas desventajas comparativas:
– Intensidad del eco es una función combinada de la
abundancia y de la talla (masa).
– Identificación de eco-agregaciones es indirecta (juicio
experto, algoritmos discriminantes)
Ecograma
ID Ecotrazos a analizar
sA por especie sA corregida Análisis (geo) estadístico Abundancia relativa Factores corrección Composición
especies Composición tallas
Juicio Experto Algoritmnos Abundancia absoluta? Biomasa absoluta? Relación TS-LT masa individual
Estimaciones de abundancia y biomasa
• Distribución (presencia/ausencia)
• Densidad acústica (SA)
Principios básicos de diseño muestral
● El track acústico puede ser visto como una red de enmalle continua y potencialmente infinita.
● Esto sumado, a la distribución agregada de las
poblaciones animales, lleva a una evidente falta de independencia entre observaciones vecinas:
– En espacio
Principales enfoques de muestreo
● Frente a la gran correlación espacial y temporal de la
mayoría de las observaciones de distribución y
abundancia, existen tres aproximaciones principales:
– Aproximaciones ingenuas: ignoran el problema
– Aproximaciones diseño-basadas
● Buscan romper la correlación espacial/temporal
mediante el diseño muestral (y posterior remuestreo):
– Aproximaciones modelo-basadas
● Buscan estimar y corregir los efectos de la correlación
espacial durante el análisis estadístico.
● Aún así, las aproximaciones modelo-basadas utilizan diseños muestreales orientados a cubrir
Aproximaciones diseño-basadas
● Diseño aleatorio respecto del espacio (y de la población).
● Diseño sistemático respecto del espacio, donde se presume que la población se distribuye al azar
respecto del track de muestreo.
● Diseño mixto (Jolly & Hampton, 1990)
● Distancia entre unidades muestrales debe ser
superior a distancia (rango) a la que éstas pueden ser consideradas independientes.
– Durante el muestreo
Sistemático en transectas regulares (merluza común)
Transectas semi-aleatorias (alfonsino)
Transectas en zig-zag (sardina austral)
Transectas radiales (alfonsino)
Adaptativo (alfonsino)
Derrota acústica y track
sardina austral
Acústica Lances
Aspectos críticos de planificación y
ejecución
● Definición del sujeto de estudio:
– Población o stock
– Fracción-objetivo (reclutas, desovantes)
● Definición área y estrato batimétrico de inferencia (a priori)
● Diseño muestral:
– Acústico
– Biológico: composición de especies, tallas y masas
– Oceanográfico: perfiles salinidad y temperatura
● Criterios de calidad (a priori):
– %pérdidas por oscilación, % pulsos perdidos
● Área de inferencia: área para la cual se desea estimar distribución y abundancia
● Área cubierta: área del polígono formado por los vértices de las transectas
● Área observada: área definida por el producto entre el largo y el ancho del track acústico.
● Definición del área de inferencia:
– Impacto directo sobre las estimaciones de abundancia
– Puede ser distinta y/o difícil de estimar a partir del área cubierta (fiordos y canales).
Aspectos críticos de planificación y
ejecución
● Preparación y comunicación protocolos de operación y muestreo
● Calibración
● Puesta en marcha de sistema de documentación y manejo de archivos y datos
● Instalación y puesta en marcha de equipamiento complementario:
– Posicionador satelital
– Inclinómetro
Estimaciones de tamaño muestreal
● Experiencia previa respecto de la relación entre el coeficiente de variación y el número de transectas por unidad de área.
● Índice de cobertura de Aglen (1983). Tiende a
subestimar D, pero es útil para definir un mínimo en ausencia de otra información.
Robotham & Castillo (2009)
∧=
D
A
CV
=
0,5
Calibración
● Medición de la sensibilidad del ecosonda en el eje central y en distintos puntos (ángulos) del haz.
● Blanco de TS conocida (cobre o tungsteno)
● Software:
– ER60 (tiempo real o ex-post)
– Echoview (ex-post)
● Proceso de calibración utiliza compensaciones TVG (20 y 40 log R).
● Implica contar con mediciones de salinidad y
Calibración
● Actividad previa o (menos deseable) al final del crucero
● Falta de linealidad en campo cercano requiere distancia mínima de 5 m del
transductor.
Cociente señal/ruido
● Se considera un criterio general de señal-ruido de 10 dB
● Depende de:
– Pérdidas por transmisión y expansión geométrica.
– Potencia
– Frecuencia
– Salinidad y temperatura
– Fuentes externas de ruido (barco)
● Principal fuente: propulsor
● Función de las condiciones de operación (RPM)
Muestreo oceanográfico
● Objetivo principal es corregir valores nominales de velocidad y absorción del sonido
● Número de perfiles depende de la variabilidad oceanográfica local.
● Mayor relevancia para recursos de aguas profundas y columnas estratificadas y/o dinámicas (estuarios). ● Base de cálculo para velocidad del sonido
– Afecta rango estimado (distancia fuente-blanco), por lo tanto SV, sA y TS observado
● Base de cálculo para coeficiente de absorción
Muestreo biológico
● Tres objetivos principales:
– Estimar la composición de especies representadas en las agregaciones seleccionadas o “validar” el juicio experto.
– Estimar la composición de tallas del stock evaluado para calcular TS y luego abundancia.
– Estimar la relación talla-masa o la masa promedio del (la fracción) del stock evaluado para expandir
abundancia a biomasa.
● Principales fuentes de sesgo:
– Selectividad de especies o tallas del arte de pesca
Ecograma
ID Ecotrazos a analizar
sA por especie sA corregida Análisis (geo) estadístico Abundancia relativa Factores corrección Composición
especies Composición tallas
Juicio Experto Algoritmnos Abundancia absoluta? Biomasa absoluta? Relación TS-LT masa individual
Estimaciones de abundancia y biomasa
Factores de corrección
● Campo cercano
● Zonas ciegas (superior, inferior)
● Interferencia del barco (pulsos perdidos y defectuosos)
● Atenuación del sonido por efecto de la densidad del cardumen
● Oscilación del transductor
● Gradientes físicas de la columna de agua (absorción, refracción).
Ecograma
ID Ecotrazos a analizar
sA por especie sA corregida Análisis (geo) estadístico Abundancia relativa Factores corrección Composición
especies Composición tallas
Juicio Experto Algoritmnos Abundancia absoluta? Biomasa absoluta? Relación TS-LT
Composición de especies
4 792 m2/mn2
10 358 m2/mn2
Composición de especies
A: composición de especies en agregaciones eco-integradas
B: coeficiente medio de dispersión acústica
por unidad de área náutica (sA)
C: composición de tallas en fauna concurrente
D: peso promedio individual merluza común
E: composición de tallas merluza común
Asignación s
Aentre especies
Coeficiente de dispersión por área náutica asignado a la especie i en el ecotrazo k
Coeficiente de dispersión total del ecotrazo k. Frecuencia numérica de la especie i en en área de estudio.
Coeficiente de retro-dispersión medio
sA(i)=sA⋅ ̂
f i⋅̂̄σbs(i)
∑
i=1
s ̂f
i ̂̄σbs(i)
sA(i)
̂
f i sA
Sección dispersante y fuerza de blanci
● Expresión de la fuerza de blanco en escala natural
● Imprescindible para estimaciones absolutas
● Alta sensibilidad a intercepto, sujeto a cambios interanuales e intra-anuales
● Menor sensibilidad a la pendiente, que a menudo se asume igual a 20 (relación cuadrática talla-TS).
σbs=10
TS
10 ; TS=β
Ejemplos de TS
● Ejemplos en Chile (Castillo):
– Anchoveta: TS = 20·log (LT) -73,277 (dB)
– Sardina común: TS = 20·log (LT) -72,485 (dB)
● Existen ecuaciones generales para fisoclistos, fisóstomos y clupeidos. Todas asumen relación cuadrática (pendiente=20).
– Foote, K. 1980. Averaging of fish target strength functions. J. Acoust. Soc. Am. 67: 504-515.
(ind/m2)
Sección retro-dispersante
● Supuestos básicos:
● la sección retro-dispersante es proporcional “al cuadrado” de la talla
● La abundancia es proporcional a la sumatoria de secciones retro-dispersantes en la muestra
σbs=10
TS
10 =10
β0+β1⋅log10(LT) 10
σbs∝LT
β1 10
ρa= sA
● Asignación s
A entre clases de talla, dentro de
especies:
● Densidad relativa
Densidad numérica
s A(l)=sA f i⋅σsp(i)
∑
i=1l
f i⋅σsp(i)
(ind/mm2)
̊σsp(i)=LTi2 (mn-2)
ρa=
∑
i=1
l s
A(i)
