Remote sensing applications for the environmental monitoring of marine farms towards precision aquaculture

Abstract

Marine aquaculture has been expanding rapidly in recent years, driven by the growing demand for fishery products. However, this expansion has led to an increased competition for space and resources with other coastal zone activities, which has resulted in the need for larger facilities and the relocation of operations to offshore areas. Moreover, the complex environment and exposure to environmental conditions and external threats further complicate the sustainable development of the sector. To address these challenges, new and innovative technologies are needed, such as the incorporation of remote sensing and in-situ data for comprehensive and continuous monitoring of aquaculture facilities. To ensure sustainable development in the marine aquaculture industry, precision fish farming practices have become essential. Considering the significant impact of water-related parameters on aquaculture processes and the need for their continuous monitoring, remote sensing technologies play a crucial role in estimating these parameters and serve as effective monitoring tools. However, it is vital to identify the key parameters that significantly affect aquaculture processes and determine their estimation methods using satellite data. Remote sensing also proves valuable in detecting potential threats to aquaculture by monitoring the surrounding environment on a broader scale. By utilizing satellite data, aquaculture managers can identify anomalies and potential threats before they pose risks to the farmed species. It is crucial to identify specific indicators that can effectively alert managers to potential threats or anomalies, as they play a vital role in enhancing operational efficiency. These indicators can be composed of either single parameters or a combination of multiple parameters. Exploring the combination of these parameters to create indicators, establishing appropriate thresholds, and integrating all essential components into a comprehensive monitoring system can provide valuable information to relevant users. To ensure efficiency, real-life testing and calibration methods are necessary to validate results and explore the potential benefits and applications of implementing such a system in aquaculture monitoring, including its environmental, economic, and societal impacts. Overall, the aim of this Ph.D. thesis was to investigate the contribution of remote sensing data for the environmental monitoring of marine fish farms to support precision fish farming. The basic research scientific questions were: (1) Which environmental parameters that affect aquaculture processes can be observed using remote sensing? (2) How can remote sensing be employed as an early warning system to detect potential threats to aquaculture? (3) How can a comprehensive system be developed and deployed to simulate real-life conditions? For the investigation of the above-mentioned research questions, the thesis is structured into four distinct chapters (2-5), each aimed at contributing to the main objective. The first two chapters delve into two critical parameters, providing a thorough analysis of their relevance to the study. Building on this, Chapter 4 consolidates the information presented in the previous sections, integrating the relevant parameters and indicators to develop a comprehensive monitoring tool and evaluated its effectiveness. Finally, Chapter 5 offers a succinct summary of the research, highlighting the key findings and conclusions drawn from the study. The main findings presented in the thesis conclusions make a significant contribution to the existing knowledge concerning the utilization of satellite data for the purpose of environmental monitoring in marine aquaculture. With regards to the first research question, the study yielded important insights into four (4) crucial environmental parameters, namely Biogenic Oil Films, Dissolved Oxygen Concentration, Chlorophyll-a Concentration, and Sea Surface Temperature. Concerning the second research question, the investigation identified three (3) risk indicators based on the aforementioned parameters, specifically Sea Surface Temperature, Algal Blooms, and Dissolved Oxygen Saturation. Lastly, in relation to the third research question, the outcomes of implementing the proposed tool highlighted its effectiveness in facilitating systematic aquaculture monitoring. Simultaneously, the survey assessing user satisfaction revealed new challenges that need to be addressed for optimizing the tool and guiding future research endeavors. The research concludes that the use of remote sensing data in the environmental monitoring of marine fish farms can improve precision fish farming practices and contribute to sustainable development in the industry. The proposed approach is anticipated to significantly enhance the competitiveness and sustainability of the aquaculture sector while concurrently promoting environmental conservation. Moreover, it can positively influence the national economy by fostering scientific research and innovation as key drivers for planning and decision-making within the aquaculture industry. The development and integration of a management system into the aquaculture production process are expected to facilitate the transition of aquaculture to offshore environments, unlocking the sector's potential by harnessing available environmental and socio-economic parameters. By providing valuable insights into critical parameters such as water quality, fish behavior, and environmental conditions, the proposed system can empower farmers to optimize productivity and minimize losses, thereby fostering the growth and prosperity of the aquaculture industry.

Η θαλάσσια υδατοκαλλιέργεια επεκτείνεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια, λόγω της αυξανόμενης ζήτησης για αλιευτικά προϊόντα. Ωστόσο, αυτή η επέκταση έχει οδηγήσει σε αυξημένο ανταγωνισμό με άλλες θαλάσσιες δραστηριότητες, για χώρο και διαθέσιμους πόρους, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα επέκταση των εγκαταστάσεων και τη μετεγκατάστασή τους και σε περιοχές ανοιχτής θάλασσας. Επιπλέον, το περίπλοκο θαλάσσιο περιβάλλον και η συνεχόμενη έκθεση στις περιβαλλοντικές συνθήκες και αστάθμητες εξωτερικές απειλές δυσχεραίνουν περαιτέρω τη βιώσιμη ανάπτυξη του κλάδου. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, απαιτούνται νέες και καινοτόμες τεχνολογίες, όπως η ενσωμάτωση δεδομένων τηλεπισκόπησης και in-situ δεδομένων για την ολοκληρωμένη και συνεχή παρακολούθηση των εγκαταστάσεων υδατοκαλλιέργειας και του περιβάλλοντος χώρου. Οι περιβαλλοντικές παράμετροι που επηρεάζουν τις υδατοκαλλιέργειες σχετίζονται με την κατάσταση της θάλασσας, την κυκλοφορία του νερού, το χρώμα της θάλασσας και τα βιοχημικά χαρακτηριστικά του νερού. Από αυτές, κάποιες μπορούν να μετρηθούν απευθείας μέσω δορυφορικών δεδομένων καθώς επιδρούν στο χρώμα του νερού και στην τραχύτητα της επιφάνειας, ενώ κάποιες μπορούν να εκτιμηθούν έμμεσα, δημιουργώντας συσχετίσεις με άλλες. Ωστόσο, είναι ζωτικής σημασίας να εντοπιστούν οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν σημαντικά τις διαδικασίες που αφορούν τις υδατοκαλλιέργειες και να καθοριστούν οι μέθοδοι εκτίμησής τους χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα δορυφορικά δεδομένα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη ενός συστήματος απομακρυσμένης παρακολούθησης και υποστήριξης αποφάσεων που σχετίζονται με την υδατοκαλλιέργεια, μέσω της χρήσης δορυφορικών δεδομένων. Τα βασικά ερευνητικά ερωτήματα ήταν: (1) Ποιες περιβαλλοντικές παράμετροι που επηρεάζουν τις υδατοκαλλιέργειες μπορούν να εκτιμηθούν με τη χρήση τηλεπισκόπησης; (2) Πώς μπορεί η τηλεπισκόπηση να συνεισφέρει σε ένα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για τον εντοπισμό πιθανών απειλών για την υδατοκαλλιέργεια στο θαλάσσιο περιβάλλον; (3) Πώς μπορεί να σχεδιαστεί και να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα απομακρυσμένης παρακολούθησης και διαχείρισης μονάδων υδατοκαλλιέργειας; Για τη διερεύνηση των προαναφερθέντων ερωτημάτων, η έρευνα χωρίστηκε σε τέσσερα κεφάλαια (2-5), το καθένα συμβάλλοντας στον βασικό στόχο. Τα δύο πρώτα κεφάλαια (2,3) εμβαθύνουν σε δύο κρίσιμες παραμέτρους (Βιογενή Επιφανειακά Έλαια και Συγκέντρωση Διαλυμένου Οξυγόνου), παρέχοντας μια διεξοδική ανάλυση της συνάφειάς τους με τη μελέτη και την μεθοδολογία εκτίμησής τους. Το κεφάλαιο 4 συγκεντρώνει τις πληροφορίες που παρουσιάστηκαν στις προηγούμενες ενότητες, ενσωματώνοντας τις σχετικές παραμέτρους και τους δείκτες κινδύνου για την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου εργαλείου παρακολούθησης και την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητάς του. Τέλος, το κεφάλαιο 5 προσφέρει μια σύνοψη της έρευνας, επισημαίνοντας τα βασικά ευρήματα και συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη. Τα βασικά ευρήματα, όπως αναλυτικά τεκμηριώνονται στα συμπεράσματα της διατριβής, συνεισφέρουν σημαντικά στη γνώση που σχετίζεται με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων για την περιβαλλοντική παρακολούθηση των θαλάσσιων υδατοκαλλιεργειών. Σχετικά με το πρώτο ερευνητικό ερώτημα, η έρευνα καταλήγει σε τέσσερις (4) σημαντικές περιβαλλοντικές παραμέτρους, τα Βιογενή Επιφανειακά Έλαια, την Συγκέντρωση Διαλυμένου Οξυγόνου, την συγκέντρωση Χλωροφύλλης-α και την Επιφανειακή Θερμοκρασία της Θάλασσας. Σχετικά με το δεύτερο ερευνητικό ερώτημα, καθορίστηκαν τρεις (3) δείκτες κινδύνου χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες παραμέτρους, την Επιφανειακή Θερμοκρασία της Θάλασσας, την Έξαρση Φυτοπλανγκτού και τον Κορεσμό του Διαλυμένου Οξυγόνου. Τέλος, σχετικά με το τρίτο ερευνητικό ερώτημα τα αποτελέσματα της εφαρμογής του προτεινόμενου εργαλείου ανέδειξαν την χρησιμότητά του για την συστηματική παρακολούθηση υδατοκαλλιεργειών. Ταυτόχρονα, η έρευνα ικανοποίησης των χρηστών εισήγαγε νέες προκλήσεις για την βελτιστοποίηση του εργαλείου και τα μελλοντικά βήματα της έρευνας. Η έρευνα καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης στην περιβαλλοντική παρακολούθηση των θαλάσσιων υδατοκαλλιεργειών μπορεί να βελτιώσει τις πρακτικές και να συμβάλει στη βιώσιμη ανάπτυξη του κλάδου. Η προτεινόμενη προσέγγιση αναμένεται να ενισχύσει σημαντικά την ανταγωνιστικότητα και τη βιωσιμότητα του τομέα της υδατοκαλλιέργειας, ενώ ταυτόχρονα προωθεί τη προστασία του περιβάλλοντος. Επιπλέον, μπορεί να επηρεάσει θετικά την εθνική οικονομία ενισχύοντας την επιστημονική έρευνα και την καινοτομία ως βασικούς μοχλούς σχεδιασμού και λήψης αποφάσεων στον κλάδο της υδατοκαλλιέργειας. Η ανάπτυξη και η εφαρμογή ενός συστήματος διαχείρισης στη διαδικασία παραγωγής της υδατοκαλλιέργειας αναμένεται να διευκολύνει τη μετάβαση της υδατοκαλλιέργειας σε περιβάλλοντα ανοιχτής θάλασσας, αξιοποιώντας τις διαθέσιμες περιβαλλοντικές παραμέτρους. Παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για κρίσιμες παραμέτρους όπως η ποιότητα του νερού και οι περιβαλλοντικές συνθήκες, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να δώσει στους παραγωγούς τη δυνατότητα να βελτιστοποιήσουν την παραγωγικότητα και να ελαχιστοποιήσουν τις απώλειες, ενισχύοντας έτσι την ανάπτυξη και την ευημερία της βιομηχανίας υδατοκαλλιέργειας.