[논문]통영 인근해역에서 음향기법을 이용한 보름달물해파리(Aurelia coerulea)의 밀도 추정

신형호; 한인우; 오우석; 채진호; 윤은아; 이경훈

doi:10.5657/kfas.2019.0725

통영 인근해역에서 음향기법을 이용한 보름달물해파리(Aurelia coerulea)의 밀도 추정
Estimation of Moon Jellyfish Aurelia coerulea Using Hydroacoustic Methods off the Coast of Tongyeong, Korea 원문보기

한국수산과학회지 = Korean journal of fisheries and aquatic sciences, v.52 no.6, 2019년, pp.725 - 734

신형호 (전남대학교 해양기술학부) , 한인우 (전남대학교 수산과학과) , 오우석 (전남대학교 수산과학과) , 채진호 (해양환경연구소) , 윤은아 (국립수산과학원 수산자원연구센터) , 이경훈 (전남대학교 해양기술학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Moon jellyfish Aurelia coerulea are highly abundant off the coast of Tongyeong, Korea. We measured the density of A. coerulea in this area using a scientific echosounder at frequencies of 38 and 120 kHz, and then applied a distorted wave Born approximation (DWBA) model to calculate the target strength of the echosounder at each frequency. Then, we used the frequency difference method to extract jellyfish echo signals and estimate the A. coerulea density. A. coerulea was evenly distributed throughout the water column; the backscattering strength ranged from -75 to -65 dB. In May and August, the A. coerulea densities at survey lines 3 and 4 were estimated at 1.5-1.6 and 0.2-0.9 g/m2, with mean weighted densities of 1.04 and 0.48 g/m2, respectively. In September, the A. coerulea densities estimates in Jaran Bay and Goseong Bay were 0.6-2.1 and 0.1-0.4 g/m2, with mean weighted densities of 1.25 and 0.24 g/m2, respectively.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The moon jellyfsh Aurelia coerulea acoustic survey line performed in the (a) Tongyeong costal sea area and the (b) intensive survey line in Goseung-Jaran bay.
그림 Fig. 2. Example of digitized image of moon jellyfsh Aurelia coeru-lea using the DWBA (distorted wave born approximation) model.
그림 Fig. 3. The length frequency analysis of moon jellyfish Aurelia coerulea has used a net in Tongyeong coastal area on May, August and September. N, number of individuals; Avg., average bell diameter (cm); SD, standard deviation (cm).
그림 Fig. 4. The target strength variations of frequency 38 and 120 kHz using DWBA model with bell diameter in water of moon jellyfish Aurelia coerulea at (a) minimum and (b) maximum.
그림 Fig. 5. Example of echo extraction of moon jellyfsh Aurelia coerulea with frequency difference method at 38 and 120 kHz. SV, volume backscattering strength.
그림 Fig. 6. Spatio-temporal distribution of moon jellyfsh Aurelia coerulea extracted by applying the frequency difference method in May, Au-gust and September, 2018.
그림 Fig. 7. Density of moon jellyfsh Aurelia coerulea per survey line in May, August, and September 2018.
그림 Fig. 8. Comparison of vertical distribution for moon jellyfsh Aurelia coerulea between by scientifc echosounder and underwater acoustic cameras in Goseoung Bay in September 2018.
그림 Fig.9. Comparison of vertical distribution for moon jellyfish Aurelia coerulea between by scientific echosounder and underwater acoustic cameras in Jaran Bay in September 2018.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 보름달물해파리로 인해 발생하는 피해 방지를 위한 밀도 추정 모니터링을 위해 보름달물해파리가 대량 출현하는 통영 하구역에서 어군탐지기를 이용하여 정선조사를 실시하였으며, 보름달물 해파리가 집중적으로 출현하는 통영 고성만과 자란만에서 수중 음향카메라와 과학 어군 탐지를 이용한 집중 조사를 수행하여 보름달물해파리의 분포와 밀도를 파악하였다.

제안 방법

1). 9월에는 해파리 출현에 따른 집중조사를 위해 통영의 고성만과 자란만에서 음향조사를 실시하였으며, 대상생물의 종 식별을 위해 수중 음향 카메라(DIDSON, Ocean Marine Industries Inc., Chesapeake, VA, USA) 조사를 동시에 실시하였다. 음향 조사 시스템은 주파수 38과 120 kHz split-beam 방식의 과학 어군 탐지기(EK60, Simrad, Norway)를 이용하였고, DGPS (differential global positioning system; DSPR-1400, Samyung, Korea)로 연속적으로 위치 정보를 수신하여 과학 어군 탐지기 시스템에 입력하였다.
이와 같이 해파리의 TS값은 유영자세각과 박동에 따라 차이가 많이 나타나므로 본 연구에서는 박동에 따른 수중에서 우산의 움직임이 최소일 때와 최대일 때를 고려하여 TS를 계산하였다. 보름달물해파리의 유영자세각은 현장에서 직접 계측은 이루어지지 않아 이전의 연구 결과를 인용하여 적용하였다. Lee et al.
본 연구에서 주파수 차이를 적용하여 보름달물해파리의 에코만 추출하기 위한 셀의 크기 가로×세로를 5 ping×0.5 m를 적용하였다.
해파리의 밀도는 플랑크톤 네트와 스쿠버 다이빙으로 조사가 이루어졌으나, 음향으로도 정량적으로 해파리의 분포 및 밀도를 파악할 수 있음을 증명하였다. 본 연구에서도 음향 모델로 보름달물해파리의 TS를 파악하고, 주파수 차이를 적용하여 수중에 다양하게 분포하는 해양생물들로부터 해파리의 에코신호 만을 추출하여 밀도와 현존량을 파악하였다.
(2002)의 연구에서는 크릴의 경우, 10 dB이상으로 주파수 38과 120 kHz를 이용하면 해파리와 동물플랑크톤은 명확히 분리되지만, 어류와는 분리가 되지 않는다. 본 연구에서도 주파수 차이를 적용한 후에는 보름달물해파리와 어군의 에코신호가 존재하여 어군의 에코를 어군 탐지 기능으로 선택하여 제거한 후에 보름달물해파리의 에코신호를 추출하였다. Colombo et al.
본 조사는 통영 욕지도 및 자란만 해역에서 출현하는 보름달물해파리의 밀도를 추정하기 위해 2018년 5월 14일, 8월 9일, 9월 16일 주간에 총 3회 음향조사를 실시하였다. 5월과 8월의 음향 조사 정선은 총 4개의 수평으로 통영과 남해 사이에 정선을 설계하였고, 정선 길이는 120.
주파수 38과 120 kHz를 이용하여 음향자료를 수집할 때 배경 잡음(background noise)와 임펄스 잡음(impulse noise)로 인한 신호 손실이 문제가 된다. 본 조사에서 수심이 깊어짐에 따라 발생하는 배경 잡음은 TVT (time varied threshold) 방법을 적용하여 제거하는데, 인위적으로 배경 잡음을 만든 후에 raw data 자료에서 인위적으로 만든 잡음을 다시 가감한다. 임펄스 잡음은 먼저 해수면과 해저면을 데이터 처리 제외선을 설정하여 잡음소거 알고리즘의 데이터 처리 과정에서 불필요한 부분을 제외시켜준다.
, Chesapeake, VA, USA) 조사를 동시에 실시하였다. 음향 조사 시스템은 주파수 38과 120 kHz split-beam 방식의 과학 어군 탐지기(EK60, Simrad, Norway)를 이용하였고, DGPS (differential global positioning system; DSPR-1400, Samyung, Korea)로 연속적으로 위치 정보를 수신하여 과학 어군 탐지기 시스템에 입력하였다. 노트북에는 위치정보가 입력된 음향자료를 LAN (local area network) 시스템과 RS-232C 인터페이스를 통하여 연속적으로 하드디스크에 수록하였다.
노트북에는 위치정보가 입력된 음향자료를 LAN (local area network) 시스템과 RS-232C 인터페이스를 통하여 연속적으로 하드디스크에 수록하였다. 음향 조사는 주파수 38과 120 kHz 트랜스듀서는 선박의 현측에 부착하여 선속을 5-7 knots로 유지하면서 수행되었다. 조사선박의 반대쪽 현측에는 음향카메라를 설치하였으며, 1.
1 dB의 변화를 보고하였다. 이와 같이 해파리의 TS값은 유영자세각과 박동에 따라 차이가 많이 나타나므로 본 연구에서는 박동에 따른 수중에서 우산의 움직임이 최소일 때와 최대일 때를 고려하여 TS를 계산하였다. 보름달물해파리의 유영자세각은 현장에서 직접 계측은 이루어지지 않아 이전의 연구 결과를 인용하여 적용하였다.
보름달물해파리는 표층부터 저층까지 고루 분포하였고, 체적 산란강도는 -75에서 -65 dB사이인 것을 알 수 있었다. 이와 같이 해파리의 에코를 추출하여 시공간 분포를 파악하였다.
조사선박의 반대쪽 현측에는 음향카메라를 설치하였으며, 1.8 MHz의 초음파를 이용하여 수직방향에 대한 21 프레임의 화상 신호를 저장하였고, 빔 폭 0.3-0.6°간격으로 수평각도 약 29°, 수직각도 12°의 영역을 탐지할 수 있다.
주파수 120 kHz에 기여한 보름달물해파리의 에코는 탐지거리를 고려하여 표층으로부터 3 m부터 저층까지 5월과 8월에는 1 n.mile, 9월 자란만과 고성만은 0.1 n.mile의 EDSU (elementary distance sampling unit) 간격으로 적분하고, 추출된 면적산란계수(nautical area scattering coefficient, NASC; m²/n.mile²) 값을 이용하여 보름달물해파리의 밀도를 평가하였다(Kang et al., 2010). 또한, 보름달물해파리의 밀도 파악을 위한 주파수 120 kHz에 대한 TS-사이즈 관계식은 TS=14.
5 m를 적용하였다. 주파수 차이를 적용한 후에도 강도가 강한 어군이 완전히 제거되지 못하여 어군의 에코를 제거하기 위하여 군 탐지 기능(detect schools) 기능을 이용하여 다음 파라미터에 맞는 어군을 제거 한 후 마스크를 생성하였다. 어군이 제거 된 에코와 잡음이 제거된 120 kHz자료로 보름달물해파리의 에코를 추출하였다.
조사 해역에 분포하고 있는 보름달물해파리의 사이즈를 파악하기 위하여 음향조사 수행 중 해파리가 탐지된 정점에서 지름 60 cm, 그물코 600 μm의 RN80 네트에 유량계를 부착하여 경사로 채집하였다. 채집된 해파리의 체장은 체장판을 이용하여 우산의 직경을 측정하였다.

대상 데이터

본 조사는 통영 욕지도 및 자란만 해역에서 출현하는 보름달물해파리의 밀도를 추정하기 위해 2018년 5월 14일, 8월 9일, 9월 16일 주간에 총 3회 음향조사를 실시하였다. 5월과 8월의 음향 조사 정선은 총 4개의 수평으로 통영과 남해 사이에 정선을 설계하였고, 정선 길이는 120.19 km, 조사 면적은 181 km²이었다(Fig. 1). 9월에는 해파리 출현에 따른 집중조사를 위해 통영의 고성만과 자란만에서 음향조사를 실시하였으며, 대상생물의 종 식별을 위해 수중 음향 카메라(DIDSON, Ocean Marine Industries Inc.
주파수 차이를 적용한 후에도 강도가 강한 어군이 완전히 제거되지 못하여 어군의 에코를 제거하기 위하여 군 탐지 기능(detect schools) 기능을 이용하여 다음 파라미터에 맞는 어군을 제거 한 후 마스크를 생성하였다. 어군이 제거 된 에코와 잡음이 제거된 120 kHz자료로 보름달물해파리의 에코를 추출하였다.
조사 해역에 분포하고 있는 보름달물해파리의 사이즈를 파악하기 위하여 음향조사 수행 중 해파리가 탐지된 정점에서 지름 60 cm, 그물코 600 μm의 RN80 네트에 유량계를 부착하여 경사로 채집하였다.

데이터처리

과학 어군 탐지기로 수집한 음향자료는 후처리소프트웨어(Echoveiw Ver 8.0, Echoview Software Pty Ltd., Australia)를 이용하여 분석하였다. 주파수 38과 120 kHz를 이용하여 음향자료를 수집할 때 배경 잡음(background noise)와 임펄스 잡음(impulse noise)로 인한 신호 손실이 문제가 된다.

이론/모형

2. Example of digitized image of moon jellyfish Aurelia coerulea using the DWBA (distorted wave born approximation) model.
해파리의 주파수 차이를 파악하기 위하여 DWBA (distorted wave born approximation) 이론모델을 이용하여 주파수 38과 120 kHz에 대한 TS를 계산하였다(Monger et al., 1998). DWBA 모델은 대상 생물의 체형을 잘게 절단한 원통으로 엄밀하게 근사하여 나타낸 것으로 다른 이론 모델에 비하여 복잡한 체형을 묘사할 수 있다.

성능/효과

3333px;">2/nm²으로 가장 낮은 값을 나타내었다. 보름달물해파리는 남해쪽 보다는 통영 쪽에서 상대적으로 많이 출현하는 것을 알 수 있었다. 8월 면적산란계수는 정선 모든 정점에서 1.
8 dB 범위에 들어오는 에코를 120 kHz로 데이터와 매치하여 120 kHz에 기여하는 해파리의 에코만을 추출한다. 보름달물해파리는 표층부터 저층까지 고루 분포하였고, 체적 산란강도는 -75에서 -65 dB사이인 것을 알 수 있었다. 이와 같이 해파리의 에코를 추출하여 시공간 분포를 파악하였다.
과학 어군 탐지기의 경우, 수심1 m 부근에서는 보름달물 해파리를 탐지할 수 없었다. 시간대별 수직분포 결과, 고성만에서 11시 10분에 수심 6 m 부근에서 과학 어군 탐지기의 밀도가 0.9 m/g²의 분포를 보였으며, 수중음향카메라는 11시 08분부터 11분경에 수심 2-3 m 부근에 약 100-75 inds./m³로 가장 많은 분포를 보였다.
/m³로 높은 출현량을 나타내었다. 시간대별 수직분포 결과, 보름달물해파리의 탐지영역은 2-4 m로 비슷한 양상을 나타내는 것으로 나타났다.
주파수 38과 120 kHz 모두 보름달물해파리의 사이즈가 증가함에 따라 TS도 증가하였고, TS 사이즈에 따른 관계식은 Table 1에 나타내었다. 조사 해역에서 채집된 보름달물해파리의 우산 직경 0.8-4.0 cm를 적용하여 TS 차이 (120-38 kHz)를 파악한 결과 수중에서 박동에 의하여 보름달물해파리의 우산 직경이 최소일 때는 -1.5~2.2 dB, 최대일 때는 -1.4~1.7 dB이었다. 보름달물해파리의 에코만을 추출하기 위하여 주파수 120-38 kHz 차이의 범위는 -1.
(2010)에 의하여 시도가 되었다. 해파리의 밀도는 플랑크톤 네트와 스쿠버 다이빙으로 조사가 이루어졌으나, 음향으로도 정량적으로 해파리의 분포 및 밀도를 파악할 수 있음을 증명하였다. 본 연구에서도 음향 모델로 보름달물해파리의 TS를 파악하고, 주파수 차이를 적용하여 수중에 다양하게 분포하는 해양생물들로부터 해파리의 에코신호 만을 추출하여 밀도와 현존량을 파악하였다.

후속연구

Lee et al. (2007)의 연구에서는 광학 카메라를 이용하여 노무라입깃해파리의 유영자세각을 관측한 결과, 유영자세각이 -90°에서 90°사이에서 나타났으나 대부분 수평 방향으로 이동하는 해파리가 가장 많이 관측되어 본 연구에서 적용한 값과 유사하였으나, 향후 수행될 연구에는 광학 카메라도 같이 이용하여 직접적으로 유영자세각의 관측이 필요할 것으로 사료된다.
따라서, 낮에는 주파수 차이를 적용하고 어군 에코를 제거하면 어군을 형성하는 에코신호는 제거될 수 있지만, 개체어로 분포하는 어류의 에코신호는 제거되기 어려울 수도 있을 것으로 판단된다. 따라서, 향후 보름달물해파리와 어류를 명확하게 분리할 수 있도록 추가적으로 다중 주파수를 이용하여 조사가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
추후에는 먹이생물과 해양환경 조사를 추가하여 보름달물해파리의 분포를 파악할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한, 음향 기법은 저주파 트랜스듀서의 근거리 음장으로 인하여 수심 3 m 정도까지는 대상생물의 탐지가 어렵지만, 보름달물해파리는 목시 관측 시 표층에서도 많이 분포하므로 음향으로 탐지되지 않은 영역은 조사선박에서 카메라 기법이나 네트 채집을 이용하여 정도 높은 분포 밀도의 추정이 가능할 것으로 판단된다.
이와 같은 피해를 주는 보름달물 해파리는 생활사 가운데 폴립 과정 중 횡분열화를 일으켜 많은 에피라를 생성시키고, 무성생식으로 개체수가 대량 증식하기 때문에 대량으로 발생하게 된다. 이러한 피해를 낮추기 위해서는 보름달물해파리의 서식환경, 생활사, 행동 등의 생태학적 특성을 파악하며, 대상생물의 분포 및 현존량을 파악하는 연구가 필요하다. 해파리의 분포 및 현존량의 모니터링은 샘플링 기어를 이용한 채집 조사, 스킨스쿠버를 이용하는 방법과 목시 관측이나 항공 관측과 음향 조사가 주를 이루어지고 있다.
뿐만 아니라 해파리의 분포는 먹이생물과는 상관관계가 있었고, 클로로필, 수온, 염분과는 상관관계가 나타나지 않았다고 보고한바 있다(Han and Uye, 2009). 추후에는 먹이생물과 해양환경 조사를 추가하여 보름달물해파리의 분포를 파악할 필요가 있을 것으로 사료된다. 또한, 음향 기법은 저주파 트랜스듀서의 근거리 음장으로 인하여 수심 3 m 정도까지는 대상생물의 탐지가 어렵지만, 보름달물해파리는 목시 관측 시 표층에서도 많이 분포하므로 음향으로 탐지되지 않은 영역은 조사선박에서 카메라 기법이나 네트 채집을 이용하여 정도 높은 분포 밀도의 추정이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보름달물해파리가 미치는 부정적인 영향은 무엇인가?	, 2012). 보름달물해파리는 주로동물플랑크톤, 자치어를 포식하기 때문에 해양 생태계에 교란을 일으키고, 어업 중에 어구에 대량으로 어획되기도 하여 어업 활동을 방해할 뿐만 아니라 발전소에서 해수를 유입하면서 해파리가 취수구에 대량 유입되어 출력을 낮추거나 가동을 중단시키기도 한다 (Toyokawa et al., 2000, 2010; Lucas, 2001; Ishii et al.
	two-sided comparison method란 무엇인가?	잡음의 후보로 판단된 값은 Anderson et al. (2005)의 two-sided comparison method를 이용하여 잡음 또는 생물 에코로 판별되며, two-sided comparison method는 데이터 샘플 a, b, c가 있다고 할 때, 샘플 b를 정의하기 위해서 양 옆 데이터 샘플인 a와 c를 b와 비교하는 것이다.
	해파리의 분포 및 현존량의 모니터링을 하기 위한 방법과 그 특징은 무엇인가?	해파리의 분포 및 현존량의 모니터링은 샘플링 기어를 이용한 채집 조사, 스킨스쿠버를 이용하는 방법과 목시관측이나 항공 관측과 음향 조사가 주를 이루어지고 있다. 샘플링 기어를 이용한 조사는 대상생물의 종과 사이즈, 무게 등을 바로 알 수는 있으나 채집 조사 수행 중에 샘플이 손상되는 경우도 발생하고, 일부 정점과 수심에 대한 샘플 정보를 얻을 수 있어 반 정량적인 방법으로 평가되고 있다. 스킨스쿠버를 이용하는 방법과 목시, 항공 관측의 경우에는 눈으로 바로 확인 할 수는 있으나 관측자의 주관적인 오차가 유입될 수 있으며, 짧은 시간에 인력이 허용되는 수심에서만 조사가 이루어 지는 단점이 있다. 그에 비해서 음향기법을 이용한 조사는 시간에 적게 들고 많은 자료를 얻을 수 있기 때문에 가장 효과적인 방법으로 알려져 있다(Bå mstedt et al., 2003; Brierley et al.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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