Last update 15-9-2000 by fkc
The application of hydroacoustic measurements for preparation of spatial distribution maps of benthic communities is reported. For the present study common mussels (Mytilus edulis), neptune grass (Posidonia oceanica) and Cymodocea nodosa, serving as canonical species of many European marine ecosystems, were selected. These species are supposed to be good indicators of marine ecosystem health. The hydroacoustic measurements comprise preprocessed echo sounder recordings and side-scan sonar data forming a large and unique collection of datasets based on 4 field campaigns in Øresund and the Meditteranean. combination of geostatistical methods for spatial interpolation of the echo sounder observations and a set of classification rules, based on discriminant analysis of the feature space of=20 the observations, is found to yield reliable distribution maps when compared to groundtruth data. The data-driven methodology developed is shown to be adaptive to instationarities in the echo sounder observations and is recommended as a substantial improvement of existing methods of sea floor mapping based on echo sounder data.
Elaborations of the developed methodology are studied, comprising the use of geostatistical simulation, Markov random fields and Boolean models. Geostatistical simulation provides a means of assessing the variability of random field functionals such as the estimated distribution area of a benthic species. The Markov random field allows the spatial distribution of the benthic communities to be modelled as a less smooth or regular phenomena than assumed when using geostatistical models. The use of Markov random fields in a Markov chain Monte Carlo simulation framework enables an alternative means of assessing variability of image functionals that is based on a sound theoretical basis. The estimates of variability obtained for estimated distribution areas with the two approaches compare satisfactorily. The Boolean models are suggested as a point of departure for embedding models of spatial patterns on the minor scales of observations to be used in up-scaling approaches to enhance the quality of the distribution maps and to be combined with biogeochemical models describing spatiotemporal population dynamics.
Finally, the use of side-scan sonar data is illustrated in a data fusion exercise combining side-scan sonar data with the results based on echo sounder measurements. The feasible use of side-scan sonar for mapping of benthic communities remains an open task to be studied in the future.
The data processing methodology developed is a contribution to the emerging field of hydroacoustic marine biology. The method of penalised maximum pseudo-likelihood for estimation of the Ising model under a huge amount of missing pixel data is a contribution to statistical image analysis. Furthermore, the estimation method developed for non-stationary Boolean models that combines scale-space kernel smoothing with the so-called method-of-moments applied to stationary Boolean models is a contribution to stochastic geometry.
Sammenfatning på dansk:
Et studie af anvendelsen af hydroakustiske målinger til kortlægning af benthiske samfunds udbredelse beskrives. Blåmuslinger (Mytilus edulis), neptungræs (Posidonia oceanica) og Cymodocea nodosa blev udvalgt, da disse arter er af grundlæggende betydning for mange marine europæiske økosystemer. Disse arter antages således at være gode indikatorer for de marine økosystemers sundhed. De hydroakustiske målinger omfatter præprocesserede ekkolodsmålinger og side-scan sonar målinger, som udgør en enestående samling af datasæt indsamlet under 4 feltkampagner i Øresund og Middelhavet. Studierne viser, at en kombination af geostatistiske metoder til spatiel interpolation af ekkolodsmålinger med klassifikationsregler, som er baseret på diskriminantanalyser af målingernes faserum, resulterer i udbredelseskort, hvis pålidelighed kan verificeres vha. groundtruth data. Det bliver eftervist, at den udviklede data-drevne metodologi er adaptiv mht. manglende stationaritet mellem ekkolodsmålinger, og den anbefales således som en væsentlig forbedring af eksisterende metoder til kortlægning af havbunden vha. ekkolodsmålinger.
Forskellige elaboreringer af den udviklede metodologi er efterfølgende undersøgt, omfattende brug af geostatistisk simulation, Markov felter og Boolean models. Geostatistisk simulation er et redskab til estimering af variabilitet for funktionaler af stokastiske felter såsom estimerede udbredelsesarealer for benthiske samfund. Ved brug af Markov felter er det muligt at modellere benthiske samfunds udbredelse som teksturer, dvs. spatielle stokastiske felter med mindre glathed og regularitet end forudsat, når geostatistiske metoder anvendes. Anvendelse af Markov felt modeller til simulation inden for et såkaldt Markov chain Monte Carlo paradigme er en alternativ metode til estimation af variabilitet for udbredelsesarealer, som har en attraktiv teoretisk fundering. Variansestimater beregnet med de to simulationsmetoder udviser god overensstemmelse. Boolean models foreslås som et middel til at indlejre viden om spatielle mønstre, som er karakteristiske for hvert enkelt benthisk samfund på de mindre skalaer, med sigte på dels at forbedre udbredelseskortenes opløsning og præcision, dels at kunne kombinere udbredelseskortene med biogeokemiske modeller til beskrivelse af spatiotemporal populationsdynamik.
Anvendelse af side-scan sonar data illustreres i en datafusionsøvelse, hvori side-scan sonar data kombineres med resultater baseret på ekkolodsmålinger. Gode anvendelsesmetoder for side-scan sonar data med henblik på at fremstille udbredelseskort for bentiske samfund er et åbent problem, som vil blive studeret fremover.
Den udviklede metodologi for processering af hydroakustiske data er et bidrag til det for tiden fremvoksende felt hydroakustisk marinbiologi. Den udviklede estimationsmetode for Ising modellens parametre under store mængder manglende pixelværdier i et billede, som er baseret på penalised maximum pseudo-likelihood, er et bidrag til statistisk billedanalyse. Den for ikke-stationære Boolean models udviklede estimationsmetode, som kombinerer udglatninger i et skalarum med den såkaldte moment-metode for stationære Boolean models, er et bidrag til metoder inden for stokastisk geometri.