[논문]동해에서 발견된 향고래의 클릭 신호를 이용한 전장 추정

윤영글; 최강훈; 한동균; 손호선; 최지웅

doi:10.7776/ask.2020.39.6.533

동해에서 발견된 향고래의 클릭 신호를 이용한 전장 추정
Size estimation of Sperm Whale in the East Sea of Korea using click signals 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.6, 2020년, pp.533 - 540

윤영글 (한양대학교 해양융합과학과) , 최강훈 (한양대학교 해양융합과학과) , 한동균 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소) , 손호선 (국립수산과학원 고래연구센터) , 최지웅 (한양대학교ERICA 해양융합공학과)

초록
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향고래 전장은 향고래가 발생시키는 클릭의 다중 펄스 구조로 인한 펄스 간 간격(Inter-Pulse Interval, IPI)을 이용하여 추정할 수 있다. IPI는 고래 머리 내부의 경랍에서 왕복 이동시간에 의한 시간지연으로 인해 발생하며, 향고래의 전장과 두장의 비례관계를 이용하여 향고래의 전장을 추정한다. 본 연구에서는 2017년 동해, 포항 앞바다에서 발견된 향고래의 크기를 추정하기 위해 현장에서 측정한 클릭 신호를 분석하였다. IPI와 향고래 크기의 관계식에 의해 계산된 향고래의 전장은 성체 암컷 또는 유년기 수컷의 크기인 9.9 m ~ 10.9 m로 추정되었다. 이 방법은 향고래에게 치명적이지 않으며 크기 추정에 대한 정확성이 검증되었으므로, 국내 향고래 모니터링에 유용한 정보를 제공할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

A total length of sperm whales can be estimated by measuring the Inter-Pulse Interval(IPI) of their clicks composed by multiple pulses. The IPI is caused by the two-way travel time of the sound transmission in the spermaceti within the whale head. Therefore, the IPI can be used to measure the whale's total length based on allometric relationships between head and body length. In this paper, the click signals recorded in the East Sea, Korea in 2017 were analyzed to estimate the size of sperm whales. The size of sperm whales calculated by the relationship between IPI and body length was 9.9 m to 10.9 m, which is corresponding to the size of an adult female or a juvenile male sperm whale. This non-lethal acoustic method has been demonstrated to accurately estimate the sperm whale size, and can provide useful information for domestic sperm whale monitoring.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. A scheme of bent-horn model of sound production of a click in sperm whales's head [modified from Fig. 1 of Caruso et al.^[5]].
그림 Fig. 2. Measurements area for recording of sperm whale(black square), and first contact position(black circle) in the East Sea. The line transect sighting survey and tracking whales are shown as gray solid lines and black dashed line, respectively.
그림 Fig. 4. Inter Click Interval (ICI) of total clicks (gray dots) and selected clicks for computing IPI (black dots).
그림 Fig. 3. (a) Waveform of a sperm whale click showing multi-pulse structure, (b) Spectrogram of clicks produced by sperm whale.
그림 Fig. 6. Range of total length estimates of sperm whale from empirical equation using IPI.
그림 Fig. 5. (a) Cepstrum analysis for 450 clicks, (b) Averaged values of cepstrum.
표 Table 1. List of time, number of clicks and IPI for click trains.

AI 본문요약
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문제 정의

향고래의 전장은 클릭을 구성하는 펄스 사이의 시간 간격인 IPI를 이용하여 추정할 수 있다.^[29] 본 논문에서는 향고래의 자세, 수심, 거리에 의해 발생하는 효과를 줄일 수 있는 켑스트럼 평균을 이용하여 IPI를 계산하였다. 향고래 전장과 IPI의 관계식에 의해 동해에서 발견된 향고래의 전장은 약 9.
^[3]향고래는 한반도 주변에서 자주 발견되는 종이 아니기 때문에 국내에서의 향고래 연구는 거의 진행되지 않아, 동해에서 발견되는 향고래에 대한 정보는 부족한 현실이다. 본 연구에서는 동해에서 획득한 향고래의 클릭 신호에서 IPI를 계산하고, 향고래 전장과의 관계식에 대입하여 향고래의 크기를 추정하였다. 이는 국내에서 음향을 이용하여 해양포유류의 크기를 추정하는 최초의 시도라는데 의의가 있다.

가설 설정

3. (a) Waveform of a sperm whale click showing multi-pulse structure, (b) Spectrogram of clicks produced by sperm whale.
Norris와 Harvey^[8]는 향고래의 클릭 신호 발생 이론이 정립되기 전부터 하나의 펄스가 고래의 머리 내에서 반사되어 다중 펄스 구조가 발생한다고 추측하였다. 따라서 IPI는 소리가 고래의 머리 내에서 이동하는데 걸리는 시간이므로, 머리 길이와 고래 길이 사이의 상대성장 관계(allometric relationships)로 인해 IPI가 고래 전장의 척도로 사용될 수 있다고 가설을 세우고 연구를 진행하였다. Rhinelander와 Dawson^[18]은 IPI가 단일 개체별로 일정하지만 전장이 다른 개체 간에 차이가 있음을 밝혀냈으며, Gordon,^[16] Growcott et al.

제안 방법

7 %의 향고래가 전장이 9 m ~ 12 m로 추정되었으며, 14 m 이상의 성체 수컷은 이 지역에서는 발견되지 않았다. 뉴질랜드 남부해역 3개 정점에서 측정된 향고래의 신호는 3.3 ms ~ 10 ms의 IPI 범위를 가지는 것으로 확인되었으며, 997개의 IPI를 이용하여 향고래 크기를 추정하였다. 향고래의 대부분은 14 m ~ 16 m의 전장으로 추정되었으며, 9 m ~ 12 m 사이의 개체는 일부지역에서 소수만 존재하였다.
동해에서 발견된 향고래의 크기를 추정하기 위해 향고래의 클릭 신호를 분석하였다. 향고래의 전장은 클릭을 구성하는 펄스 사이의 시간 간격인 IPI를 이용하여 추정할 수 있다.
IPI를 계산하기 위해서는 단일 개체에서 발생시킨 클릭만을 이용하여 켑스트럼 결과를 평균해야 하지만, 음향 조사 전 수행된 목시 조사에서 발견된 향고래는 6마리로 분석에 사용된 클릭은 몇 마리의 개체가 발생시켰는지 정확히 알 수 없다. 따라서 클릭 전체가 한 개체의 향고래에서 발생되었다고 가정한 결과와 각각의 클릭 트레인마다 다른 개체로 가정한 결과를 비교하였다. 총 450개 클릭이 한 개체의 향고래에서 발생되었다고 가정하여 모든 클릭의 켑스트럼 값을 평균한 결과 IPI는 3.
64" E)에서 조사선을 정지시켜 수동 탐지방법으로 향고래가 발생시키는 신호를 녹음하였다. 수중청음기(SM3BAT/H1, Wildlife Acoustics, Inc., USA)는 선박 측면에서 수심 5 m에 위치시켰으며, 샘플링주파수 384 kHz로 설정 후 약 6 min간 측정하였다.
음향 녹음은 목시 관측이 종료된 이후 시작되었으며, 최초 발견 지점에서 약 4.3 km 떨어진 위치(35° 58' 7.62" N, 129° 45' 59.64" E)에서 조사선을 정지시켜 수동 탐지방법으로 향고래가 발생시키는 신호를 녹음하였다.
3). 일반적으로 향고래의 클릭 신호는 3 kHz ~ 16 kHz 대역에서 우세한 주파수 특성을 가지므로,^[5,14] 그 대역폭에 해당하는 Finite Impulse Response(FIR) 대역통과 필터를 적용하여 분석을 수행하였다. 필터된 신호 중 클릭 신호를 추출하기 위해 피크 신호 대 잡음비[peak SNR(Signal to Noise Ratio)]가 문턱값을 초과하는 신호를 선택하는 문턱값 탐지기(threshold detector)를 이용하였다.
추출된 클릭은 개체 간의 간섭을 제거하기 위해, 동일한 개체에서 발생되는 클릭의 시간적 분리를 정량화하는 클릭 간 간격(Inter Click Interval, ICI)을 고려하여 선택하였다. 일반적으로 동일한 개체에서 발생된 클릭은 개별 활동에 의해 규칙적인 시퀀스를 가지므로 짧은 시간 내에서의 ICI는 크게 변하지 않는다.
측정된 향고래의 클릭으로부터 IPI를 계산하기 위해 다양한 신호처리 기술과 분류 기준을 적용하였으나,[15-19] 과거에는 다중 펄스 구조가 명확하게 나타나지 않는 다수의 클릭은 분석에 적합하지 않은 것으로 간주되어 제거되고 소수의 클릭만 선택하여 IPI를 계산하였다.
^[14,28] 켑스트럼은 파워 스펙트럼의 로그 값을 시간 축으로 다시 변환한 결과이며, 피크 값은 시간축의 신호(x_t)에서 반복되는 구조(펄스)사이의 시간 간격과 동일하게 나타난다. 켑스트럼 결과에서 피크가 나타나려면 분석에 사용되는 신호의 길이는 펄스 간 간격보다 적어도 두 배 이상 길어야하므로,^[14]본 논문에서는 각각의 클릭을 20 ms의 시간으로 추출하여 분석을 실시하였다.
일반적으로 향고래의 클릭 신호는 3 kHz ~ 16 kHz 대역에서 우세한 주파수 특성을 가지므로,^[5,14] 그 대역폭에 해당하는 Finite Impulse Response(FIR) 대역통과 필터를 적용하여 분석을 수행하였다. 필터된 신호 중 클릭 신호를 추출하기 위해 피크 신호 대 잡음비[peak SNR(Signal to Noise Ratio)]가 문턱값을 초과하는 신호를 선택하는 문턱값 탐지기(threshold detector)를 이용하였다.^[27] 즉, 설정 문턱값보다 낮은 신호는 소음으로 간주되며, 설정 문턱값 이상의 모든 과도 신호(transient signal)는 향고래의 클릭 신호로 판단한다.

대상 데이터

2017년 10월 27일 직선횡단 목시 조사 중 포항 앞바다(35° 0' 6.12" N, 129° 44' 28.26" E, 총 수심 120m)에서 향고래 6마리를 발견하였으며, 목시 관측을 위해 약 30 min간 8.8 km를 이동하며 향고래 무리를 추적하였다(Fig. 2).
4 ms로 나타났다. 음향학적으로 추정된 향고래의 전장은 7.5 m ~ 14 m로 분포하였으며, 183개의 IPI값이 크기 추정에 사용되었다. 84.
향고래의 음향 신호는 국립수산과학원 고래연구센터에서 2017년 10월 25일부터 11월 8일까지 실시한 2017년도 제3차 동해 소형고래류 조사에서 획득하였다. 2017년 10월 27일 직선횡단 목시 조사 중 포항 앞바다(35° 0' 6.

이론/모형

따라서 IPI 측정은 Teloni et al.^[14]가 제안한 켑스트럼 결과를 앙상블 평균하는 방법을 이용하였다. 이 방법은 고래의 off-axis에서 발생시키는 p1/2 신호나 해수면 반사파와 같은 간섭에 의한 영향을 줄여줄 수 있으므로 기존 방법들이 분석에 사용하지 않았던 다중 펄스 구조가 명확하게 나타나지 않는 클릭 신호들도 분석에 사용할 수 있다.

성능/효과

5 m ~ 14 m로 분포하였으며, 183개의 IPI값이 크기 추정에 사용되었다. 84.7 %의 향고래가 전장이 9 m ~ 12 m로 추정되었으며, 14 m 이상의 성체 수컷은 이 지역에서는 발견되지 않았다. 뉴질랜드 남부해역 3개 정점에서 측정된 향고래의 신호는 3.
향고래의 대부분은 14 m ~ 16 m의 전장으로 추정되었으며, 9 m ~ 12 m 사이의 개체는 일부지역에서 소수만 존재하였다. 동해에서 발견된 향고래의 전장은 9 m ~ 12 m의 범위에 포함되며, 위도가 높은 뉴질랜드에서 주로 발견되는 성체 수컷 향고래보다는 위도가 비슷한 이오니아해에 서식하는 향고래의 크기와 유사하게 나타나는 것을 확인하였다.
그러나 전체 클릭을 이용하여 추정된 전장과 클릭 트레인 별로 분리하여 추정된 전장의 차이는 1 m 이내로 차이가 크지는 않았다. 따라서 본 연구에서 음향학적으로 추정한 향고래 크기를 다른 지역의 선행 연구 결과와 비교하여 결과의 타당성을 확인하였다. 이오니아해에서 녹음된 향고래 클릭 신호의 켑스트럼 결과를 앙상블 평균하여 계산된 IPI의 범위는 2.
최근 들어 일부 고래의 음향학적 특성에 대한 연구가 진행되었지만,^[40,41]개체의 생태학적 특성과 연관시켜 음향 특성을 분석하는 연구는 전무하였다. 본 논문에서 수행한 클릭을 이용한 향고래 전장 추정은 방법론적으로 새로운 것이 아니지만,^[20]음향학적으로 우리나라 근해에 분포하는 향고래의 길이를 추정할 수 있음을 보였고 이는 국내 고래 생태 연구에 있어서 새로운 시도이다. 추후에는 수중청음기 배열을 통해 각 고래의 위치를 분리하고 추적한다면, 음향 신호만으로 향고래의 크기, 분포특성, 이동경로 등을 파악할 수 있으므로 국내 향고래의 생태학적 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서 측정한 동해 향고래의 클릭 신호가 동일 개체에서 발생된 것이라고 가정하였을 때 IPI는 3.94 ms이므로, 위의 두 식에 대입하였을 때 향고래의 전장은 각각 10.54 m와 10.69 m로 나타났다. 또한 수신된 클릭이 여러 개체라고 가정하여 각각의 IPI를 식에 대입해도 전장의 범위는 9.
이때 설정 문턱값은 배경소음보다 높아야 하며, 기존의 향고래 크기 추정 연구 논문들은 수신된 클릭의 크기나 측정 환경에 따라 적절히 설정하였다. 본 연구에서는 수신된 전체 시계열 신호로 배경소음을 계산하고 배경소음보다 23.5 dB 높은 값으로 문턱값을 설정하여 클릭 신호를 추출하였다.
약 6 s간 측정된 신호 중 선택된 모든 클릭에 대한켑스트럼 분석 결과 약 3 ms ~ 4 ms 대역에서 켑스트럼 피크를 나타내었다[Fig. 5(a)].
따라서 본 연구에서 음향학적으로 추정한 향고래 크기를 다른 지역의 선행 연구 결과와 비교하여 결과의 타당성을 확인하였다. 이오니아해에서 녹음된 향고래 클릭 신호의 켑스트럼 결과를 앙상블 평균하여 계산된 IPI의 범위는 2.1 ms ~ 6.4 ms로 나타났다. 음향학적으로 추정된 향고래의 전장은 7.
따라서 클릭 전체가 한 개체의 향고래에서 발생되었다고 가정한 결과와 각각의 클릭 트레인마다 다른 개체로 가정한 결과를 비교하였다. 총 450개 클릭이 한 개체의 향고래에서 발생되었다고 가정하여 모든 클릭의 켑스트럼 값을 평균한 결과 IPI는 3.94 ms에서 최대 값으로 나타났다[Fig. 5(b)].

후속연구

이는 국내에서 음향을 이용하여 해양포유류의 크기를 추정하는 최초의 시도라는데 의의가 있다. 또한 음향학적으로 추정된 향고래의 크기를 통해 동해에서 발견되는 향고래의 생태학적 특징을 파악하였으며, 향고래의 분포 특성 연구를 위한 기초자료로 제공될 수 있다.
본 논문에서 수행한 클릭을 이용한 향고래 전장 추정은 방법론적으로 새로운 것이 아니지만,^[20]음향학적으로 우리나라 근해에 분포하는 향고래의 길이를 추정할 수 있음을 보였고 이는 국내 고래 생태 연구에 있어서 새로운 시도이다. 추후에는 수중청음기 배열을 통해 각 고래의 위치를 분리하고 추적한다면, 음향 신호만으로 향고래의 크기, 분포특성, 이동경로 등을 파악할 수 있으므로 국내 향고래의 생태학적 연구에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

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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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