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문제 정의
- 이 차세대 음향장비를 이용하여 보다 정도 높은 수산자원량 추정과 수생생물의 형상 및 행동 패턴에 관한 연구뿐만 아니라 음향자원조사의 큰 난제인 어종 식별도 가능하다고 생각한다. 본 논문은 국립수산과학원의 신조사선인 탐구 21호를 소개하고, 이 조사선에 탑재된 최첨단 음향장비인 EK80과 ME70의 특성과 국내 최초로 시험조사를 수행한 결과를 제시하며, 향후 고려해야 할 쟁점 및 연구 계획을 논하고자 한다. 이와 더불어 상업용 소나이지만, 과학적인 조사에도 사용되는 SH90 전주형 소나(이하 SH90)의 활용에 대해서도 언급하고자 한다.
- 본 논문은 국립수산과학원의 신조사선인 탐구 21호를 소개하고, 이 조사선에 탑재된 최첨단 음향장비인 EK80과 ME70의 특성과 국내 최초로 시험조사를 수행한 결과를 제시하며, 향후 고려해야 할 쟁점 및 연구 계획을 논하고자 한다. 이와 더불어 상업용 소나이지만, 과학적인 조사에도 사용되는 SH90 전주형 소나(이하 SH90)의 활용에 대해서도 언급하고자 한다.
제안 방법
- 3 m로 제한하여 선박의 감항성 또한 확보하였다. 또한 탐구21호는 최신형의 최첨단 조사장비를 탑재하고 있으며, 장비의 활용을 극대화할 수 있도록 설계되었다. 음향조사 시 영향을 줄 수 있는 거품의 발생과 혼입을 억제하는 선수형상과 반류를 균일화하는 선미형상으로 설계되었으며, 선저에 위치한 소나돔에는 소나빔, 과학어탐 센서, 트롤 모니터링시스템 센서 등을 적절히 배치하여 데이터실과 조타실에서 실시간으로 수생생물을 관측하고 정보를 수집할 수 있도록 하였다.
- 탐구21호는 장기조사에 적합한 선박으로 항해능력의 향상을 위해, 횡동요 감쇄장치를 채택하여 선박의 복원성과 조사관측장비의 정밀도, 승선감, 작업성 향상을 도모하였다. 또한 특수타, 로타리 밴타입 조타장치, 가변피치 프로펠러, 선수횡추진기를 통해 횡이동, 선수방위자동제어, 자동선속제어를 가능하도록 하여 선박의 조종성 및 추진성을 향상시켰다. 이와 더불어 항해정보 및 기관정보 등을 모니터할 수 있는 통합항해시스템을 갖추고, 항해 중 사방시계를 확보하기 위하여 장비 높이를 최대 1.
- 트롤어구의 대형그물 작업을 용이하게 하도록 선미갑판을 넓게 확보하였으며, 선내에서 어체를 처리할 수 있는 시스템 또한 구축하였다. 보다 구체적으로 탐구 21호는 최첨단 음향장비(EK80 echosounder, Simrad, Norway; ME70 multibeam echosounder, Simrad, Norway; SH90 omnidirectional sonar, Simrad Norway) 이외에도 트롤어구, 트롤모니터링시스템(SCANBAS, Scanmar Maritime Service Inc., Norway), 넷 드럼(20.7 t×34 m/min; Net drum, Rapp Marine, Norway), 트롤 윈치(21.5 t×32 m/min; Trawl winch, Rapp Marine, Norway), CTD윈치(3.1 t×45 m/min; CTD winch, Rapp Marine, Norway), 해양관측윈치(1.8 t×60 m/min; Oceanographic winch, Rapp Marine, Norway), 어란자치어네트윈치(2.14 t×55 m/min; IKMT winch, Rapp Marine, Norway), Laser Optical Particle Counter (LOPC, ODIM Brooke Ocean, Canada), Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP, Teledyne RD Instruments, USA), 수층별 수온염분측정기(SBE911 plus, Seabird electronics, USA), 표층수온염분측정기(SBE 21 Seacat, Sea-bird electronics, USA), 입체해부현미경, 선박용 정밀 저울, 급속 초저온 냉동고(− 86℃), 급속저온냉동고 등의 연구 장비와 시설을 갖추고 있다.
- 또한 탐구21호는 최신형의 최첨단 조사장비를 탑재하고 있으며, 장비의 활용을 극대화할 수 있도록 설계되었다. 음향조사 시 영향을 줄 수 있는 거품의 발생과 혼입을 억제하는 선수형상과 반류를 균일화하는 선미형상으로 설계되었으며, 선저에 위치한 소나돔에는 소나빔, 과학어탐 센서, 트롤 모니터링시스템 센서 등을 적절히 배치하여 데이터실과 조타실에서 실시간으로 수생생물을 관측하고 정보를 수집할 수 있도록 하였다. 자동예망장치의 설치로 트롤어구의 투양망이 자동화되었고 트롤과 조사관측장비를 원격으로 제어할 수 있는 원격조작제어시스템을 조타실 뒤에 설치하였다.
- 또한 특수타, 로타리 밴타입 조타장치, 가변피치 프로펠러, 선수횡추진기를 통해 횡이동, 선수방위자동제어, 자동선속제어를 가능하도록 하여 선박의 조종성 및 추진성을 향상시켰다. 이와 더불어 항해정보 및 기관정보 등을 모니터할 수 있는 통합항해시스템을 갖추고, 항해 중 사방시계를 확보하기 위하여 장비 높이를 최대 1.3 m로 제한하여 선박의 감항성 또한 확보하였다. 또한 탐구21호는 최신형의 최첨단 조사장비를 탑재하고 있으며, 장비의 활용을 극대화할 수 있도록 설계되었다.
- 2 노트로 최대 30일간 운용이 가능하며, 그 외 주요 요목들은 Table 1에 표시하였다. 탐구21호는 장기조사에 적합한 선박으로 항해능력의 향상을 위해, 횡동요 감쇄장치를 채택하여 선박의 복원성과 조사관측장비의 정밀도, 승선감, 작업성 향상을 도모하였다. 또한 특수타, 로타리 밴타입 조타장치, 가변피치 프로펠러, 선수횡추진기를 통해 횡이동, 선수방위자동제어, 자동선속제어를 가능하도록 하여 선박의 조종성 및 추진성을 향상시켰다.
대상 데이터
-
Principal particulars of the R/V Tamgu 21
2015년 4월 26일에 탐구 21호의 해상인수시험(Sea acceptance test)을 수행하였는데 이때 소량의 EK80 데이터를 저장하였다
. EK80과 ME70교정은 2015년 8월 15일 표준교정법을 사용하여 실시하였다(Foote et al. - 우리나라 연근해와 배타적 경제수역에서 수산자원조사를 수행하기 위해 정부는 국립수산과학원의 수산자원전용조사선으로 2007년에 탐구 20호(885 ton)와 2015년에 탐구 21호(999 ton)를 건조하였다. 이 조사선들로 수산자원조사를 수행하여 어종별 생물학적 특성을 파악하고 수산자원평가 및 관리를 위한 기초자료를 수집하여 인접국간의 국제어업 자원관리를 위한 자료로 활용하고, 국내 수산해양 과학기술 향상과 신 해양시대에 적합한 수산자원관련 정보 제공을 기대하고 있다.
- 탐구 21호를 이용한 첫 조사는 2016년 2월 15일에서 29일까지 동해, 남해 및 동중국해의 넓은 수역에서 수행되었다. 이 조사는 EK60과 같은 데이터 형식으로 EK80의 데이터를 수록하였는데, ME70과 SH90의 기초적인 시험을 위하여 소량의 데이터를 수록하였다.
- 수심 80 m에서 띠모양의 신호가 관찰되고 있으며, 38, 70, 120 kHz에서는 해수중에 다수의 약한 산란체들이 관찰된다. 이때는 EK80의 NB CW모드로만 데이터를 수집하였다. 2015년 4월 26일 탐구 21호의 해상인수시험을 할 때 WB FM모드로 데이터를 수집하여 작성한 예시 에코그램도 Fig.
- 특히 ME70의 경우는 빔의 횡방향과 종방향의 각도를 최대로 하여 교정구의 위치를 찾은 다음, 미리 결정한 빔구성으로 교정을 실시하였다. 탐구 21호를 이용한 첫 조사는 2016년 2월 15일에서 29일까지 동해, 남해 및 동중국해의 넓은 수역에서 수행되었다. 이 조사는 EK60과 같은 데이터 형식으로 EK80의 데이터를 수록하였는데, ME70과 SH90의 기초적인 시험을 위하여 소량의 데이터를 수록하였다.
이론/모형
- 2015년 4월 26일에 탐구 21호의 해상인수시험(Sea acceptance test)을 수행하였는데 이때 소량의 EK80 데이터를 저장하였다. EK80과 ME70교정은 2015년 8월 15일 표준교정법을 사용하여 실시하였다(Foote et al., 1987). 특히 ME70의 경우는 빔의 횡방향과 종방향의 각도를 최대로 하여 교정구의 위치를 찾은 다음, 미리 결정한 빔구성으로 교정을 실시하였다.
성능/효과
- 1I). 이 STD에코그램에서는 단체어(어류)의 수직길이가 매우 짧은(거리분해능이 최대화 된) 것을 관찰할 수 있고, 주파수 범위(36-40 kHz)내의 연속적인 주파수 특성이 잘 나타나고 있다(Fig. 1J).
후속연구
- 우리나라 역시 WB FM모드를 이용하여 어종별 연속적인 주파수 반응 특징과 개체어사이의 거리에 관한 연구를 수행할 필요가 있다. ME70의 주파수 범위(70-120 kHz)내에서 주파수 반응과 EK80으로부터 비슷한 주파수범위의 반응을 구하여 비교하는 연구가 수행된다면 음향학적 방법으로 어종식별에 유용한 정보를 제공할 수 있다고 생각한다. 마지막으로 EK80의 WB FM모드로 설정하여 획득한 데이터 형식은 복잡하고 그 데이터 양은 대단히 크다.
- 중·장기간의 규칙적인 모니터링을 통하여 대상 어종의 절대 자원량을 추정하는 정립된 방법 및 분석법을 알아내고, 현재의 안정적이고 지속적인 음향자원조사를 토대로 대상 어종의 생물량뿐만 아니라 서식환경 및 어종의 포식-피식관계 등에 대한 자료를 획득하여 대상 어종의 보다 포괄적인 생태 특징을 파악하고 자원 관리 및 정책에 직·간접적으로 반영하고 있다. 국내에서도 우리나라 해역의 독특한 환경적인 특징을 고려하여 각 해역에 적합한 음향자원 조사의 설계와 데이터 분석법이 개발될 필요가 있으며, 규칙적이고 지속적인 조사 또한 수행될 필요가 있다고 생각한다. 음향자원조사는 대상 어종의 생태 및 행동적인 정보를 토대로 최적의 조사 시기 및 장소를 선정하는 것이 중요하다.
- 금년 8월에 K-sync를 이용하여 전체 음향장비를 동기화시켜 데이터를 수록하고, 여러 가지 설정을 변경하며 각 장비의 성능과 특성에 대한 구체적인 시험 조사를 수행할 계획이다. 수산자 원조사전용선 탐구21호에 설비된 음향장비를 이용하여 앞으로 수행하고자 하는 연구는 EK80의 WB FM을 이용하여 부어류 주요어종을 대상으로 어종을 식별할 수 있는 연구, EK80의 NB CW를 이용하여 어종이 식별된 어류의 정량적인 양을 평가하는 연구, ME70을 이용하여 부어류 어종의 3차원의 형상 및 특징에 관한 연구, SH90을 이용하여 표층에 서식하는 수생생물 연구와 선박의 도피행동과 무관한 원거리에서의 어군의 형상 특징에 관한 연구 등이 계획되어 있다.
- 예를 들어, 주파수가 6개, 펄스폭은 1,024 µs, 핑속도(ping rate)은 1초에 1회, 수심은 250 m로 설정하여 데이터를 1시간 동안 수집할 경우 NB CW는 약 17 GB, WB FM은 67 GB가 된다. 따라서 방대해진 양의 데이터를 처리하고 분석하는 방법과 다양한 활용법을 향후 몇 년 동안 한국 수산음향학자뿐만이 아니라 전세계 수산음향학자들이 활발하게 연구하리라 생각한다.
- 음향자원조사는 대상 어종의 생태 및 행동적인 정보를 토대로 최적의 조사 시기 및 장소를 선정하는 것이 중요하다. 따라서, 생물 및 생태학자들과의 공동연구를 통하여 보다 효과적인 음향자원조사가 이루어질 수 있다고 생각한다. 또한 음향자원조사는 음향장비를 이용한 데이터 수집만을 의미하는 것이 아니라 음향 데이터를 분석하여 그 결과를 통해 해양생태계를 이해함은 물론 수산자원 관리 및 정책에 기여하는 것을 포함한다.
- 또한 음향자원조사는 음향장비를 이용한 데이터 수집만을 의미하는 것이 아니라 음향 데이터를 분석하여 그 결과를 통해 해양생태계를 이해함은 물론 수산자원 관리 및 정책에 기여하는 것을 포함한다. 따라서, 음향자원조사를 지속적으로 수행하고 데이터를 효율적으로 축적하여 데이터베이스를 시스템화 하는 것은 대단히 중요하며, 매년 여러 차례 수행할 조사에서 얻은 데이터의 누락을 방지할 수도 있을 것이다. 또한 각각 조사의 데이터를 분석 처리한 결과(processed data)와 원 데이터(raw data) 및 트롤어획결과, 환경데이터(예를 들어 수심수온염분기록계)가 세트가 되어서 데이터베이스화 되어야 한다.
- 수산자 원조사전용선 탐구21호에 설비된 음향장비를 이용하여 앞으로 수행하고자 하는 연구는 EK80의 WB FM을 이용하여 부어류 주요어종을 대상으로 어종을 식별할 수 있는 연구, EK80의 NB CW를 이용하여 어종이 식별된 어류의 정량적인 양을 평가하는 연구, ME70을 이용하여 부어류 어종의 3차원의 형상 및 특징에 관한 연구, SH90을 이용하여 표층에 서식하는 수생생물 연구와 선박의 도피행동과 무관한 원거리에서의 어군의 형상 특징에 관한 연구 등이 계획되어 있다. 또한 EK60과 SX90이 설비된 탐구 20호와 탐구 21호를 함께 사용하여 우리나라 해역뿐만이 아니라 배타적 경제수역까지 조사 범위를 확대하여 수생생물의 전반적인 특징과 주요 해역에 서식하는 생물의 상세한 특징을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 주요 부어류의 산란장의 mapping (시공간적인 분포특징) 및 산란어의 정량적인 평가가 가능할 것으로 생각한다.
- 따라서, 생물 및 생태학자들과의 공동연구를 통하여 보다 효과적인 음향자원조사가 이루어질 수 있다고 생각한다. 또한 음향자원조사는 음향장비를 이용한 데이터 수집만을 의미하는 것이 아니라 음향 데이터를 분석하여 그 결과를 통해 해양생태계를 이해함은 물론 수산자원 관리 및 정책에 기여하는 것을 포함한다. 따라서, 음향자원조사를 지속적으로 수행하고 데이터를 효율적으로 축적하여 데이터베이스를 시스템화 하는 것은 대단히 중요하며, 매년 여러 차례 수행할 조사에서 얻은 데이터의 누락을 방지할 수도 있을 것이다.
- 특히, 주요 부어류의 산란장의 mapping (시공간적인 분포특징) 및 산란어의 정량적인 평가가 가능할 것으로 생각한다. 마지막으로 수산자원전용조사선 탐구 21호의 활약으로 우리나라해역의 다양한 수산자원 연구가 수행되어 지속 가능한 수산자원 관리에 크게 기여할 것으로 기대한다.
- 금년 8월에 K-sync를 이용하여 전체 음향장비를 동기화시켜 데이터를 수록하고, 여러 가지 설정을 변경하며 각 장비의 성능과 특성에 대한 구체적인 시험 조사를 수행할 계획이다. 수산자 원조사전용선 탐구21호에 설비된 음향장비를 이용하여 앞으로 수행하고자 하는 연구는 EK80의 WB FM을 이용하여 부어류 주요어종을 대상으로 어종을 식별할 수 있는 연구, EK80의 NB CW를 이용하여 어종이 식별된 어류의 정량적인 양을 평가하는 연구, ME70을 이용하여 부어류 어종의 3차원의 형상 및 특징에 관한 연구, SH90을 이용하여 표층에 서식하는 수생생물 연구와 선박의 도피행동과 무관한 원거리에서의 어군의 형상 특징에 관한 연구 등이 계획되어 있다. 또한 EK60과 SX90이 설비된 탐구 20호와 탐구 21호를 함께 사용하여 우리나라 해역뿐만이 아니라 배타적 경제수역까지 조사 범위를 확대하여 수생생물의 전반적인 특징과 주요 해역에 서식하는 생물의 상세한 특징을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이것은 앞서 설명한 WB FM의 펄스압축기술을 이용하여 어군 내에서도 개체어의 구분이 가능하며, 주파수 범위 내의 연속적인 주파수 반응을 이용하여 어종식별이 가능해진 것이다. 우리나라 역시 WB FM모드를 이용하여 어종별 연속적인 주파수 반응 특징과 개체어사이의 거리에 관한 연구를 수행할 필요가 있다. ME70의 주파수 범위(70-120 kHz)내에서 주파수 반응과 EK80으로부터 비슷한 주파수범위의 반응을 구하여 비교하는 연구가 수행된다면 음향학적 방법으로 어종식별에 유용한 정보를 제공할 수 있다고 생각한다.
- ME70 데이터를 이용한 3차원 시각화 및 분석에 관하여 더 상세히 설명하면 멀티빔 에코그램(즉, 선박을 가로지르는 횡단면)과 선박이 항해하는 방향 면을 합하여 3차원의 정보를 제공한다. 이 3차원 정보를 활용하여, 어군의 행동, 어군 추적의 결과 즉, 수평 및 수직 유영 방향, 분포 수심의 변화, 유영 속도를 파악할 수 있으며, 또한 보다 다각적인 어군들 간의 상호 관계도 연구할 수 있다(Trenkel et al., 2008; Kang, 2011).
- 우리나라 연근해와 배타적 경제수역에서 수산자원조사를 수행하기 위해 정부는 국립수산과학원의 수산자원전용조사선으로 2007년에 탐구 20호(885 ton)와 2015년에 탐구 21호(999 ton)를 건조하였다. 이 조사선들로 수산자원조사를 수행하여 어종별 생물학적 특성을 파악하고 수산자원평가 및 관리를 위한 기초자료를 수집하여 인접국간의 국제어업 자원관리를 위한 자료로 활용하고, 국내 수산해양 과학기술 향상과 신 해양시대에 적합한 수산자원관련 정보 제공을 기대하고 있다. 특히 탐구21호는 우리나라의 배타적 경제수역은 물론, 동중국해를 포함한 국외 주요어장에서 장기간 연속조사를 수행할 수 있는 최신의 조사선으로 삼원중공업에서 건조되었다.
- 1J). 이와 같이 중심주파수 38 kHz 이외 다른 주파수를 이용하여 주파수 반응 그래프를 작성한다면, 대상 생물에 대한 10에서 500 kHz까지의 주파수 특성을 잘 파악할 수 있어 어종식별을 위한 유용한 정보로 활용될 것이다. 추가적으로 WB FM모드로 수집한 데이터를 분석하기 위해서는 펄스 압축, 신호 처리 및 송신 펄스의 모듈레이션 후 수신펄스와의 상관시키는 기술 등이 요구된다.
- , 2012). 중·장기간의 규칙적인 모니터링을 통하여 대상 어종의 절대 자원량을 추정하는 정립된 방법 및 분석법을 알아내고, 현재의 안정적이고 지속적인 음향자원조사를 토대로 대상 어종의 생물량뿐만 아니라 서식환경 및 어종의 포식-피식관계 등에 대한 자료를 획득하여 대상 어종의 보다 포괄적인 생태 특징을 파악하고 자원 관리 및 정책에 직·간접적으로 반영하고 있다. 국내에서도 우리나라 해역의 독특한 환경적인 특징을 고려하여 각 해역에 적합한 음향자원 조사의 설계와 데이터 분석법이 개발될 필요가 있으며, 규칙적이고 지속적인 조사 또한 수행될 필요가 있다고 생각한다.
- 이와 같이 중심주파수 38 kHz 이외 다른 주파수를 이용하여 주파수 반응 그래프를 작성한다면, 대상 생물에 대한 10에서 500 kHz까지의 주파수 특성을 잘 파악할 수 있어 어종식별을 위한 유용한 정보로 활용될 것이다. 추가적으로 WB FM모드로 수집한 데이터를 분석하기 위해서는 펄스 압축, 신호 처리 및 송신 펄스의 모듈레이션 후 수신펄스와의 상관시키는 기술 등이 요구된다.
- 또한 EK60과 SX90이 설비된 탐구 20호와 탐구 21호를 함께 사용하여 우리나라 해역뿐만이 아니라 배타적 경제수역까지 조사 범위를 확대하여 수생생물의 전반적인 특징과 주요 해역에 서식하는 생물의 상세한 특징을 파악할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 주요 부어류의 산란장의 mapping (시공간적인 분포특징) 및 산란어의 정량적인 평가가 가능할 것으로 생각한다. 마지막으로 수산자원전용조사선 탐구 21호의 활약으로 우리나라해역의 다양한 수산자원 연구가 수행되어 지속 가능한 수산자원 관리에 크게 기여할 것으로 기대한다.
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