Using remote sensing to monitor the spatial distribution of small pelagic fish in the Greek seas

Abstract

Fish population distribution monitoring is a key aspect and the basis for an effective fisheries management strategy. Accurate and robust monitoring can assist in the evaluation of the health of the stocks and in turn, contribute to targeted decision-making for the conservation actions where they are needed. Traditional monitoring practices rely on field measurements, like acoustic biomass surveys and fishing vessel onboard observers, which even though precise have limited spatial and temporal coverage. As a rising technology in the field of oceanography in the last decades, remote sensing has been proven a powerful tool in marine monitoring. Ocean color remote sensing can be utilized to predict the environmental conditions that favor small pelagic fish aggregations, like temperature, chlorophyll-a concentration and oceanic feature formations. However in fisheries monitoring, operational applications usually rely on simple data visualization that does not convey the interactions between the target species and their environment, or they require non-expert data interpretation. Recent academic research has shown that integrated methodologies can describe the spatial distribution of small pelagic fish robustly, but these applications are not operational for end-users and usually, they refer to a specific temporal snapshot. The target of this PhD thesis is the study of the use of remote sensing in fish spatial distribution monitoring continuously and autonomously. To this scope a pilot Geospatial Web Service (GWS) is created that analyzes, serves and disseminates daily spatial distribution modeling outputs for small pelagic fish in the Greek Sea. Additionally, its outputs aim to prove that remote sensing data can be utilized effectively for robust and continuous monitoring of the Greek fisheries’ resources, contributing in effective management and decision making. The dissertation is divided in three Chapters (2-4) that each describes the steps that were followed to provide answers to the following topics: 1)The development of the methodology for satellite data acquisition, processing, and information extraction regarding surface Essential Oceanographic Variables (EOVs) that have explanatory value regarding small pelagic fish spatial distribution. 2)The creation of the models for small pelagic fish Spatial Distribution Modeling with remote sensing data that can be utilized for continuous monitoring. 3)The development of the pilot Geospatial Web Service that will integrate all the findings and distribute the research outputs. In Chapter 2 a methodological framework is developed for the acquisition and pre-processing of Sentinel-3 satellite data and the mapping of oceanic fronts through thermal satellite imagery. An automatic gradient-based technique was developed using a combination of the Sobel image filter and adaptive thresholds to extract information regarding the spatial distribution of thermal fronts in the North Aegean Sea. The results showed that known sub-mesoscale oceanic features in the region can be extracted at a resolution of 1km. Even though the methodology is susceptible to the inclusion of lower gradient magnitude features, it is a reliable way for the automatic mapping of oceanic circulation information. Furthermore, the use of Web Mapping Services are utilized through an SDI and explored as a tool to distribute the outputs of the research for easy consumption by the users. Chapter 3 discusses the use of satellite derived EOVs for the Spatial Distribution Modeling of anchovy and sardine in the Thracian Sea and the Gulf of Thermaikos, North Aegean. Sentinel-3 derived Chlorophyll-a concentration (CHL), Sea Surface Temperature (SST), and ocean circulation data along with bathymetric information are used in presence/absence as well as regression models. The prediction power of the models was validated against in-situ acoustic biomass models with satisfactory results. Analysis on the importance of each environmental parameter and their interactions showed that each species preferred different conditions depending on the region. In the freshwater driven from river discharges Gulf of Thermaikos, the species presented higher affinity towards CHL concentration whereas in the Thracian Sea, both anchovy’s and sardine’s spatial distribution was more affected by the Bathymetry and SST. The exclusive use of satellite data for the Spatial Distribution Modeling presented an opportunity for robust and continuous monitoring of the species. Finally, Chapter 4 represents the accumulation of this research’s findings that integrated them into a single system. In this part of the dissertation the development of the GWS is discussed along with the data that it hosts. The GWS is developed through open source software and programming languages utilizing Web Mapping Services to ensure compatibility with other webGIS applications. The service consists of an interactive map where the data are displayed along with various control widgets that can be used to explore the timeseries, draw on the map, extract specific information and download the data. Weather and sea state forecast data are incorporated to assist in maritime safety and planning. Here, the SDM methodology is expanded to cover the whole of the Greek Seas and the data along with processed satellite data EOVs are distributed at a 1km spatial distribution. The service is first step in continuous monitoring of small pelagic fish in the Greek Seas and has the potential to be scaled up, contributing to fisheries management planning.

Η παρακολούθηση της κατανομής των πληθυσμών ψαριών αποτελεί ένα βασικό στάδιο και τη βάση για την χάραξη μίας αποτελεσματικής στρατηγικής διαχείρισης των αλιευτικών πόρων. Η ακριβής και συνεχής παρακολούθηση μπορεί να συμβάλει στην αξιολόγηση της κατάστασης των ιχθυοαποθεμάτων, καθώς και να βοηθήσει στην λήψη αποφάσεων για την προστασία τους όταν και όπου αυτό απαιτείται. Οι παραδοσιακές πρακτικές παρακολούθησης βασίζονται σε μετρήσεις πεδίου, όπως σε ακουστικές μετρήσεις βιομάζας και σε παρατηρητές τοποθετημένους σε αλιευτικά σκάφη. Αυτές οι μετρήσεις, αν και είναι ακριβείς, έχουν περιορισμένη χωρική και χρονική κάλυψη λόγω κόστους και χρονικής απαίτησης για την πραγματοποίηση τους. Ως μια αναδυόμενη τεχνολογία στον τομέα της ωκεανογραφίας τις τελευταίες δεκαετίες, η τηλεπισκόπηση έχει αποδειχθεί ένα ισχυρό εργαλείο για την παρακολούθηση του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Η τηλεπισκόπηση και οι εφαρμογές ωκεάνιου χρώματος μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη και τον εντοπισμό των περιβαλλοντικών συνθηκών που ευνοούν τις συγκεντρώσεις μικρών πελαγικών ψαριών. Τέτοιες παράμετροι περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση χλωροφύλλης-α και την θαλάσσια κυκλοφορία. Ωστόσο, στην παρακολούθηση των αλιευτικών πόρων, οι υπάρχουσες επιχειρησιακές εφαρμογές συνήθως βασίζονται σε απλή οπτικοποίηση των δεδομένων και δεν μεταφέρουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών και του περιβάλλοντός τους, ή απαιτούν την ερμηνεία πολύπλοκων δεδομένων από μη ειδικούς. Πρόσφατες ακαδημαϊκές έρευνες έχουν δείξει ότι αναλυτικές μεθοδολογίες που συνδυάζουν τις επεξηγηματικές παραμέτρους μέσω μοντέλων για τον εντοπισμό των ιχθυοπληθυσμών μπορούν να περιγράψουν τη χωρική κατανομή μικρών πελαγικών ψαριών αξιόπιστα. Ωστόσο, αυτές οι εφαρμογές δεν είναι διαθέσιμες προς χρήση έξω από τον ακαδημαϊκό χώρο και συνήθως αναφέρονται σε ένα συγκεκριμένο χρονικό σημείο. Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της χρήσης της τηλεπισκόπησης στην συνεχή και αυτόματη παρακολούθηση της χωρικής κατανομής ιχθυοπληθυσμών. Για αυτόν τον σκοπό, δημιουργήθηκε μία πιλοτική Γεωχωρική Διαδικτυακή Υπηρεσία (Geospatial Web Service, GWS) που αναλύει, αποθηκεύει και διανέμει ημερήσιες προβλέψεις της χωρικής κατανομής μικρών πελαγικών ψαριών στις Ελληνικές Θάλασσες. Επιπλέον, τα αποτελέσματά της στοχεύουν να αναδείξουν κατά πόσο τα τηλεπισκοπικά δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την αξιόπιστη και συνεχή παρακολούθηση των αλιευτικών πόρων της Ελλάδας, συνεισφέροντας στην αποτελεσματική διαχείριση ως εργαλείο λήψης αποφάσεων. Η διατριβή διαιρείται σε τρία Κεφάλαια (2-4), το καθένα από τα οποία περιγράφει τα βήματα που ακολουθήθηκαν για να δοθούν απαντήσεις στα παρακάτω θέματα: 1) Την ανάπτυξη της μεθοδολογίας για την απόκτηση, επεξεργασία και εξαγωγή πληροφοριών από δορυφορικά δεδομένα σχετικά με τις σημαντικές ωκεανογραφικές παραμέτρους (Essential Oceanographic Variables, EOVs) της επιφάνειας της θάλασσας που έχουν επεξηγηματική αξία για τη χωρική κατανομή των μικρών πελαγικών ψαριών. 2)Τη δημιουργία μοντέλων πρόβλεψης της χωρικής κατανομής των μικρών πελαγικών ψαριών με δεδομένα τηλεπισκόπησης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συνεχή παρακολούθηση τους. 3) Η ανάπτυξη της πιλοτικής Γεωχωρικής Διαδικτυακής Υπηρεσίας που θα ενσωματώνει όλα τα ερευνητικά ευρήματα της διατριβής και θα διανείμει τα αποτελέσματα προς χρήση. Στο Κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται ένα τυποποιημένο πλαίσιο για την απόκτηση και προ-επεξεργασία δεδομένων από την δορυφορική αποστολή Sentinel-3 και τη χαρτογράφηση ωκεάνιων μετώπων μέσω θερμικών δορυφορικών εικόνων. Αναπτύχθηκε μια αυτοματοποιημένη τεχνική βασισμένη στον υπολογισμό της βαθμίδας της Επιφανειακής Θαλάσσιας Θερμοκρασίας (ΕΘΘ) χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό του φίλτρου Sobel και αυτοπροσαρμοζόμενα κατώφλια για την εξαγωγή πληροφοριών σχετικά με τη χωρική κατανομή θερμικών μετώπων στο Βόρεια Αιγαίο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι γνωστοί μέσης κλίμακας ωκεάνιοι σχηματισμοί στην περιοχή, μπορούν να εξαχθούν με χωρική ανάλυση 1χλμ. Παρόλο που η μεθοδολογία είναι ευάλωτη στην συμπερίληψη φαινομένων με χαμηλότερο μέτρο βαθμίδας, είναι ένας αξιόπιστος και πρακτικός τρόπος για την αυτόματη χαρτογράφηση της ωκεάνιας κυκλοφορίας. Επιπλέον, εξερευνήθηκε η χρήση Διαδικτυακών Χαρτογραφικών Υπηρεσιών (Web Mapping Services) για τη διανομή των αποτελεσμάτων μέσω ενός εργαλείου webGIS προς εύκολη κατανάλωση από τους χρήστες. Στο Κεφάλαιο 3 αναλύεται η χρήση των EOVs, υπολογισμένων από δορυφορικά δεδομένα Sentinel-3, για τη μοντελοποίηση της χωρικής κατανομής του γαύρου και της σαρδέλας στο Θρακική Πέλαγος και τον Κόλπο της Θερμαϊκού, στη Βόρεια Αιγαίο. Δεδομένα για τη συγκέντρωση της χλωροφύλλης-α (CHL), την ΕΘΘ και την ωκεάνια κυκλοφορία από το Sentinel-3, μαζί με βαθυμετρικά δεδομένα, χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση μοντέλων παρουσίας/απουσίας καθώς και για μοντέλα πρόβλεψης βιομάζας. Η ικανότητα πρόβλεψης των μοντέλων εκτιμήθηκε με την σύγκριση δεδομένων πεδίου από ακουστικές μετρήσεις με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η ανάλυση της επίδρασης κάθε περιβαλλοντικής παραμέτρου και των αλληλεπιδράσεών τους κατά την μοντελοποίηση, έδειξε ότι κάθε είδος προτιμάει διαφορετικές συνθήκες, ανάλογα με την περιοχή. Στον Κόλπο του Θερμαϊκού, όπου υπάρχει μεγάλη εκροή γλυκών νερών από ποτάμια, τα είδη προτίμησαν υψηλή συγκέντρωση χλωροφύλλης-α, ενώ στο Θρακικό Πέλαγος η χωρική κατανομή του γαύρου και της σαρδέλας επηρεάστηκαν περισσότερο από την βαθυμετρία και την ΕΘΘ. Η αποκλειστική χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων για τη μοντελοποίηση της χωρικής κατανομής των ειδών ανέδειξε την χρησιμότητα τους για αξιόπιστη και συνεχή παρακολούθηση των θαλάσσιων πόρων. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται το πως όλα τα ερευνητικά ευρήματα του διδακτορικού συνδυάζονται και χρησιμοποιούνται μέσω ενός ολοκληρωμένου συστήματος. Σε αυτό το τμήμα της διατριβής συζητείται η ανάπτυξη της Γεωχωρικής Διαδικτυακής Υπηρεσίας και των δεδομένων που παράγει. Η υπηρεσία αναπτύχθηκε με την χρήση λογισμικών και γλωσσών προγραμματισμού ανοικτού κώδικα, αξιοποιώντας Web Mapping Services για την διασφάλιση της συμβατότητας με άλλες εφαρμογές webGIS. Η υπηρεσία αποτελείται από ένα διαδραστικό χάρτη όπου εμφανίζονται τα δεδομένα μαζί με διάφορα εργαλεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εξερεύνηση της χρονοσειράς, το σχεδιασμό αντικειμένων επάνω στο χάρτη, την εξαγωγή πληροφοριών από τα θεματικά επίπεδα, καθώς και τη λήψη των δεδομένων. Παράλληλα, στην υπηρεσία ενσωματώθηκαν καιρικές προβλέψεις και προβλέψεις κατάστασης της θάλασσας (κυματισμός, άνεμοι κλπ.) με σκοπό να βοηθήσουν στον σχεδιασμό και την ασφάλεια ναυτιλιακών δραστηριοτήτων. Σε αυτό το κεφάλαιο, η μεθοδολογία της μοντελοποίησης της χωρικής κατανομής των ειδών διευρύνεται για να καλύψει ολόκληρη την επικράτεια των Ελληνικών Θαλασσών και τα δεδομένα, μαζί με τα εξάγωνα EOVs από δορυφορικά τηλεπισκοπικά δεδομένα, διανέμονται με χωρική κατανομή 1χλμ. Η υπηρεσία αποτελεί ένα πρώτο βήμα για την συνεχή παρακολούθηση των μικρών πελαγικών ψαριών στις Ελληνικές Θάλασσες και έχει τη δυνατότητα να επεκταθεί, συμβάλλοντας στον σχεδιασμό της διαχείρισης των αλιευτικών πόρων.