在声遥感大挑战:发现支持更好的理解我们的地球变化
布莱恩·c·Pijanowski
1
__和
克雷格·j·布朗
2*__
- 1林业和自然资源,普渡大学西拉法叶,在美国
- 2哈利法克斯达尔豪斯大学海洋学系,NS,加拿大
介绍
21世纪有许多重大挑战,需要解决环境科学界。这几件物品已经被确认甚至被认为是威胁地球上的生命(特纳et al ., 1990;皮姆et al ., 1995;Costanza et al ., 1998;凯特et al ., 2001;Koh et al ., 2004;奥尔et al ., 2005;Rockstrom et al ., 2009;福利et al ., 2011;吴,2013)。环境大挑战,需要关键的研究包括了解环境变化由于全球人类活动的足迹,诸如气候变化、变更或修改动物栖息地社区,正以前所未有的速度发生。
科学家和工程师需要上升为应对这些挑战,推动遥感领域。一个有前途的遥感技术包括那些利用声学-无论是主动或被动可以唯一地描述陆生、水生系统的结构和动力学。声遥感快速先进近年来研究人员绘制在几个著名的测量技术,包括传感器的应用,测量声音在空气,水和固体,应用和发展各种信号处理技术,并利用通用的数据挖掘技术,促进声波数据的分析。最终,遥感研究旨在发现数据中的模式可以用来理解地球系统变化,音响是一种形式的数据变得越来越有用。我们需要一个学者在各种领域的论坛交流他们的发现,以提高人们的健康和地球上其他生命。
这里,我们简略说明声遥感的种类的应用程序,我们希望将出现在遥感前沿的声学专业部分(FRS)。雷竞技rebat作为这个专业的部分联席首席编辑,我们想要表达的兴奋声遥感这个新兴领域和承诺,这些技术可以提供学者大大推进需要发现我们的快速变化的星球。
主动声遥感
映射地球表面使用卫星(或空气)遥感技术已经彻底改变了我们对地球的理解,海洋和大气系统过去5年(Dubovik et al ., 2021)。大多数这些传感器的使用信息从电磁(EM)光谱测量和监视地球。这些技术允许地面系统和海洋的表面反复映射在高分辨率,现在一些传感器能够映射sub-meter分辨率(汉森和拉夫兰,2012年;毛拉,2013;阿尔梅达et al ., 2019)。然而,电磁波不通过水穿透很远,覆盖70%的地球海洋的平均深度3.6公里,绝大多数的世界仍然是非常糟糕的映射。例如,据估计,只有18%的海底映射在一个类似的决议的陆地环境(Mayer et al ., 2018)。
主动声遥感方法生成一个声音脉冲和测量返回信号(回声)推断的信息感知环境。这些活动系统填补了这个传感器空白在帮助我们了解水下系统电磁传感器难以到达的地方。声纳(声音导航和测距)系统主要是利用频率范围从1千赫至几百千赫(Lurton 2010),这些传感器的设计和工程先进和多元化用于广泛的应用:Singlebeam回声探测器(某人)和多波束回声探测器(MBES)绘制海底深度测量法用于航海图表(例如,梅耶,2006;Lurton 2010;布朗et al ., 2011;Mayer et al ., 2018);MBES,侧扫声纳(SSS)和较低的频率子底profiler (SBP)是用于研究海底的形态和地质(例如,Piper et al ., 1999;波里亚克et al ., 2001;科利尔和布朗,2005年;威尔逊et al ., 2007;Lecours et al ., 2016);某人,MBES和声学遥测用于渔业应用地图鱼生物量和运动(例如,梅耶,2002;富特,2009;Colbo et al ., 2014;Crossin et al ., 2017;穆尼奥斯et al ., 2020)或地图底栖生态系统(例如,布朗et al ., 2011;失物et al ., 2012;Ierodiaconou et al ., 2018;Lacharite et al ., 2018;布朗et al ., 2019;威尔逊et al ., 2021);合成孔径声波(SAS)主要用于国防应用(例如,海耶斯和高夫,2009年;迈尔斯和福西特,2010年)与其他应用程序如底栖生物栖息地或衬底映射最近新兴(Brandes巴拉德,2019年;Thorsnes et al ., 2019);声学多普勒流分析器(ADCP)是用于调查物理海洋现象包括当前的速度、方向和运输的生物或地质粒子(例如,菲尔丁et al ., 2004;Gartner, 2004;汤姆森et al ., 2012)。在较低频率(< 1000 Hz),地震系统已经发展为远程深层地下的特性(例如,麦康奈尔et al ., 2012)和上覆海洋的物理结构(例如,鲁迪et al ., 2009)。这些类型的传感器和数据的例子所示图1。虽然主动声遥感主要是用在水下域,也有一些陆地(例如,陆地地震勘探)和大气的应用程序(例如,声波探测和测距(声雷达)和无线电声探测系统(ras) (布拉德利,2007))。
图1。活跃的例子声遥感数据集和传感器。(一)多波束回声探测器深度测量法显示出数字高程模型的3 d视图的海底来自多波束水深测量。嵌入的图像显示如何收集MBES数据集。图像由达尔豪斯大学、海景生态和映射实验室(www.seafloormapping.ca);(B)合成孔径Sonra数据集显示一艘沉船和海底沉积物bedforms。收集的数据是3厘米水平分辨率和拖SAS系统插图所示(Kraken机器人Katfish)。图像由巨妖机器人(https://krakenrobotics.com/);(C)基底分析器数据显示沉积地层学在海底。这个概要文件收集使用拖曳传感器平台(Geoforce DTS)。图像由Geoforce集团有限公司(https://www.geoforcegroup.com/)。
被动声遥感
被动声学技术主要侧重于测量声音和/或振动的空气,水和/或固体。这些被动的技术专注于三个重要的光谱范围——那些在人类听觉范围(20 - 20000 Hz),超过人类听觉(> 20000 Hz)或超声波,下面这些人类听觉灵敏度(不到20 Hz),或次声的。声音来源在这些范围包括声音从生物生物(动物通过声音交流),地球物理动力学(从下雨打雷,声音,地震),和声音从人造物体(塞壬,道路噪声)。这些发生在音景(谢弗,1993;康,2006;Pijanowski et al ., 2011 a;Pijanowski et al ., 2011 b)。音景生态学的研究是生态科学的最前沿,小说在景观/海景的相互作用动力学和时空声学模式(Fuller et al ., 2015;定量给料器et al ., 2020;林et al ., 2021)。陆生、水生声学传感器(图2)现在已经成为相对便宜和分析工具如Seewave (年后et al ., 2008),AP.exe (Towsey et al ., 2014)和SoundEcologyR (Villanueva-Rivera et al ., 2018)已经被开发出来,在被动声学监测工作。进步陆地、海洋、淡水和音景生态城市近年来激增;由于当前传感器的鲁棒性,研究现在在热带,温带干旱,寒冷的气候和淡水和海洋系统。
图2。被动声学技术显示(一)地面被动声记录器安装孙德尔本斯国家公园的树,孟加拉国(图片来源b . Pijanowski),(B)水听器被部署在温伯格礁、波多黎各(照片学分杰克·奥尔森,丽贝卡Becicka和亚历克斯Veglia),(C)超声波(蝙蝠)记录器的土拉河沿岸,蒙古(图片来源,b . Pijanowski),(D)手持抛物线碟安装在hypercardioid麦克风(图片来源,b . Pijanowski和m . Ghadiri)年仅和(E)的假彩色光谱图在2月24日1小时录音,2017年伊萨山谷,坦桑尼亚(由弗朗西斯科·里瓦斯Fuenzalida)。
大挑战
尽管一些声遥感领域相对成熟,建立了期刊发表,许多新兴技术和技术,新颖应用和数据解释和分析方法没有明确的场所。雷竞技电竞体育竞猜平台我们希望FRS可能提供这非常年轻的科学论坛,我们可以分享我们的发现。
我们寻求有声遥感学者来自世界各地(例如,Pijanowski et al。(2021)特殊的总结工作做在拉丁美洲)发布在FRS在以下领域:
先进的传感器技术声纳设计多元化非常过去2 - 3年,从模拟转向数字系统,和改善性能,分辨率和定位。片声纳系统(例如,MBES,瑞士,SAS)继续推进,与提高分辨率和能力来操作的频率范围(例如,多光谱MBES -Gaida et al ., 2018;布朗et al ., 2019;Misiuk et al ., 2020)。为被动声学麦克风可以在各种各样的配置,从单一传感器排列数组(如双M / S)。新配置的位置可以提供更详细的信息关于声音的来源,如何通过媒体传播声音,声音可以达到一个接收器。权力也是一个挑战与磁场传感器技术解决方案是必要的,以确保传感器可以更长时间或收集数据或环境(如感冒)电池的限制。论文在FRS应该推进技术前沿传感器技术,会导致更多的发现我们的声波的世界。
声学传感器网络的发展。研究如何创造有线或无线声传感器网络支持协调数据收集、数据传输和机载传感器功能如边缘计算?如何集成这些声学传感器与其它环境传感器、那些收集数据等天气,图像,和化学吗?大规模的声学传感器网络具有挑战性的部署和维护(例如,Akyildiz et al ., 2005),但进步继续发生移动我们走向实现这些非常大空间范围(例如,Erbe et al ., 2015;罗伊et al ., 2021;Sherrit et al ., 2021)。
进步与传感器平台自主平台上部署声波如自主地面车辆(asv)或自治水下机器人(auv (Grasmueck et al ., 2006;永利et al ., 2014)提供在数据采集的成本显著降低。平台设计、功能和传感器集成是一个新兴领域,快速创新发生将继续推动声遥感领域的发展。我们感兴趣的文章,描述新的声学传感器平台对于任何环境的应用程序(例如,拉默斯et al ., 2008;助手et al ., 2013;Sousa-Lima et al ., 2013;Potamitis et al ., 2014;永利et al ., 2014;希尔et al ., 2018;Diviacco et al ., 2021)。
标签的进步和检索的声学数据许多研究人员现在收集声波数据难以管理的规模和复杂性的信息存储。信息检索系统的进步是必要的,因此研究人员可以查询他们的大型数据库用于他们的研究。声学信息检索系统需要创新方法尽可能多的当前数据库缺乏容易声学数据存储的能力。音景信息检索系统的前沿工程工作支持声学研究(Bellisario Pijanowski, 2019;林和曹,2020年;穆尼et al ., 2020)。
声学传感器应用的进步(主动和被动)如何我们的声学传感器可以用于更好地理解生物多样性的模式,地图,研究水生生态系统,测量噪声对动物的影响通信(例如,Patricelli Blickley, 2006;沃伦et al ., 2006;麦肯纳et al ., 2012;Duarte et al ., 2021),了解模式的环境听起来像是来自风暴,比如风,雨,雷(例如,Bedoya et al ., 2017)、地震(吴et al ., 2020),动物的vibroscapes如蜘蛛(例如,Virant-Doberlet et al ., 2019)?能开发出什么样的新声学指标,评估环境的变化(例如,Gasc et al ., 2013 a;Gasc et al ., 2013 b;Pieretti和淀粉,2013;Fairbrass et al ., 2017;巴克斯顿et al ., 2018;Deichmann et al ., 2018;Bradfer-Lawrence et al ., 2019;Burivalova et al ., 2019)?声遥感如何帮助我们理解和提出的解决方案大环境问题,如气候变化、栖息地变化,物种的减少在当地全球尺度,污染物在生态系统动力学的影响,和非本地物种的引入到环境中?
大数据的进步声采矿和数据处理被动声学监测已经解决了许多问题,录音在严酷的环境中,但这样做意味着现在有大量的数据分析,和许多人认为(例如,Servick 2014),这使生态学家到大数据时代。同样,活跃的声波数据采集是获取海量数据,需要探索如何分析,通过整合过程和解释这些数据源原位验证测量。过渡,生态学家和数据科学家现在应用多种数据挖掘工具来分析大规模声学数据。这些包括那些分类的声音(例如,赵et al ., 2017),通过聚类算法(例如,听起来Bellisario et al ., 2019 a;Bellisario et al ., 2019 b),减少大量的声学特性,计算每记录为了减少多重空间更有效和更少的复杂分析(迪亚斯et al ., 2021;Hilasaca et al ., 2021的原声录音),使用集成与人类感知数据(例如,Aletta et al ., 2016)的开发和应用先进的可视化工具,如假彩色色(图2)。软件开发支持收集、修改、分析、融合和声学的可视化数据需要提前声遥感研究。此外,对声音文件的数据格式,传统存储等无损格式wav和flac或有损格式如mp3,可以改善降低成本来存储数据或减少时间发现。
海景生态学的发展声纳的应用映射底栖环境(海洋和淡水)导致指数增长在本研究领域的出版物中过去2年。片声学系统(MBES SSS)加上地质和生物地面验证现在用于地图的水下风景(benthoscapes -海景的海底分量(布朗et al ., 2012;皮特曼2017;Lacharite et al ., 2018;皮特曼et al ., 2021;威尔逊et al ., 2021)在一个类似的陆地景观的映射方式利用卫星遥感数据集在陆地上。物理海洋变量,有时用声遥感测量方法(例如,水从MBES列数据或adcp),或其他形式/环境数据的来源与底栖生物越来越多地集成数据,提供新见解在理解海洋生物栖息地的使用,或物种范围变化造成气候变化。此外,被动声传感在海洋(例如,戈特斯曼et al ., 2020,戈特斯曼et al ., 2021)和淡水系统,如池塘、湖泊和河流(例如,Rountree Juanes, 2017;Desjonqueres et al ., 2020;戈特斯曼et al ., 2020;左翼et al ., 2020;Rountree et al ., 2020;Rountree Juanes, 2020)是在快速推进步伐,为我们提供丰富的信息我们的水生系统是如何变化的。提高数据可用性,这个研究领域是准备进一步发展在未来的几十年。
的发展对景观/ seascape-soundscape关系的理解声音由陆生、水生环境中的对象是一种空间明确的现象。音景生态学家有很多研究关注的理解之间的关系模式和过程发生在景观和音景的成分和动力学(北京et al ., 2012;Fuller et al ., 2015)。进步需要在这一领域的研究,因为它可以帮助研究人员和自然资源管理器了解人类和生物的活动创建的声音类型发生在时间和空间。分析景观/海景和音景的相互作用是许多应用程序的最前沿声遥感和FRS推进这一特别感兴趣的研究领域。这项研究也可能涉及声学遥感数据的集成与其他遥感平台,比如从激光雷达(例如,Asner et al ., 2012)、高光谱(例如,Asner和马丁,2009年)和多光谱图像(例如,罗伊et al ., 2021;燕和罗伊,2021)。
这个研究领域的增长
增长和扩张在这个领域的研究已经巨大的过去2年,主要由改进,创新,和传感技术。图3演示了这种增长,通过文学的基本搜索使用关键字“声遥感”或“积极声传感”或“被动声传感”网络的科学,导致2650年的出版物。我们承认,这可能是一个重要的低估这个领域的出版物的数量,尽可能多的将没有标准的关键字。尽管如此,它演示了这一领域的增长在过去的几十年里。
图3。声遥感领域的增长。(一)科学:Web搜索显示数字出版物的年使用关键字“声遥感”或“积极声传感”或“被动声传感”;(B):网络出版物数量的科学分类,突出关键领域声遥感应用研究(排名前25位的类别)。
结论
上述传感器技术和方法论进步导致出现,扩张,声遥感研究的快速发展。在未来几十年里我们预料声遥感将有助于改善我们的理解的环境变化是由于人类活动,诸如气候变化、栖息地的改变和生物多样性的丧失。重要的全球倡议,如海底2030 (https://seabed2030.org/),将声遥感地图来帮助在高分辨率海底,最糟糕的研究地球上的生态系统。技术创新将继续改善传感器和自动化部署将改善这些传感器的方式部署到环境中,导致新发现,并更好地了解全球环境。通常跨越多个学科和整合各种形式的数据,研究在这个领域通常很难在现有的期刊。雷竞技电竞体育竞猜平台FRS因此提供急需的论坛发布科学在这个相对年轻的和令人兴奋的研究领域。
作者的贡献
所有作者列出了一大笔,直接和知识贡献的工作,批准发布。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
确认
作者要感谢Kraken机器人(https://krakenrobotics.com/),Geoforce集团有限公司(https://www.geoforcegroup.com/),维姬Gazzola海景的生态和映射戴尔豪斯大学实验室规定中使用的图像图1。
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关键词:声学、声音、声纳、音景、传感器、传感器
引用:Pijanowski BC和棕色CJ声遥感(2022)大挑战:发现支持更好的理解我们的地球变化。前面。远程Sens。2:824848。doi: 10.3389 / frsen.2021.824848
收到:2021年11月29日;接受:2021年12月01;
发表:2022年1月6日。
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*通信:克雷格·j·布朗,craig.brown@dal.ca
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