Methods for Mapping of Zooplankton using Optical Sensor Technology

Abstract

Den Norske Regjering presenterte i 2017 en havstrategi for fremtidig bærekraftig verdiskaping av havets ressurser. Strategien beskriver det uutnyttede potensialet for høsting på lavere trofiske nivåer, som også er godt kjent i havforsknings- og fiskerimiljøet. Dyreplankton som Eurasia superba (Antarktisk krill) og Calanus finmarchichus (Raudåte) er ettertraktet for sitt høye innhold av marine næringsstoffer, og utgjør store potensialer for kommersielt fiske. Samtidig har disse artene en nøkkelrolle i sitt økosystem, henholdsvis Antarktis og Nord-Atlanteren, og overvåkning og økt kunnskap er nødvendig for å garantere bærekraftig fiske. En løsning for å oppnå gode bestandsestimater over de enorme havområdene, kan være fjernmåling etterfulgt av in situ observasjoner gjort av autonome eller fjernstyrte undervannsroboter. \\

Denne rapporten forsøker å beskrive komplementerende teknologi for å kartlegge og skaffe økt kunnskap om dyreplankton. Dette inkluderer en gjennomgang av allerede eksisterende teknologi innenfor sensorer og sensorbærende plattformer, og fjernmåling i form av optisk bildeteknologi. Optisk avbildning av de nevnte artene er attraktivt på grunn av den rødlige fargen de har, som kommer av et høyt innhold av det røde pigmentet astaxanthin. I rapporten undersøkes det om dette pigmentet gjør det mulig å gjenkjenne artene ved bruk av spektroskopi, som er en analyse av hvordan lys oppfører seg sammen med et materiale målt i intensitet over bølgelengder. Dette studiet utføres ved flere laboratorieforsøk med hyperspektral avbildning av levende raudåte, der målet er å avdekke signifikante spektrale signaturer, sammenlignbart med menneskers fingeravtrykk, som kan brukes som en "fasit" til fremtidige fjernmålingsformål. \\

Laboratorieeksperimentene er utført med to ulike grupper raudåte. En gruppe individer er fra en bestand som oppbevares på SINTEFs lokaler i Trondheim, mens den andre gruppen ble isolert fra Trondheimsfjorden en uke før det siste eksperimentet. De ulike individene er avbildet med både bakbelysning og overbelysning for å oppnå resultater for henholdsvis transmittans og reflektans. Dataanalysen fokuserer i hovedsak på to ulike metoder. Den ene er å finne spektralsignaturen for bestemte områder av raudåten, og sammenligne dette med absorbsjonsspekteret til astaxanthin. Den andre metoden er å beregne et gjennomsnittspekter over hver raudåte for å presentere et mer realistisk perspektiv for fjernmåling av store svermer i havet.\\

Stort sett viser resultatene tydelige spektrale signaturer som korresponderer svært bra med astaxanthins absorpsjonsspekter. Noen områder i raudåten er spesielt tydelige og konsekvente for nesten alle eksempler, noe som bekrefter potensialet ved arbeidet. Likevel observeres det også en del variasjon i andre områder, i tillegg til svake spektrale signaturer for gjennomssnittsspektrene. Dette kan være et resultat feil valg av kamerainnstillinger, eller en overforenklet analyse av kompliserte 3D strukturer. Selv om resultatene stort sett er tilfredsstillende, har arbeidet rom for forbedring. I tillegg er potensialet for fremtidig arbeid både stort og spennende.

Today, food production is responsible for one-quarter of the world's greenhouse gas emissions, much due to the harvesting from the top of the food chain. Harvesting in the lower trophic levels of the ocean could provide an enormous potential for sustainable harvesting. In the lower trophic levels, zooplankton such as Eurasia superba and Calanus finmarchichus are found, which are sought after for their high content of marine nutrients. However, these species hold a key role in their ecosystem, and close monitoring and increased knowledge are necessary to ensure sustainable harvesting. A solution for achieving good stock estimates over the vast ocean areas could be remote sensing followed by in situ observations performed by autonomous or remotely operated underwater vehicles.

This thesis aims to describe complementary technology for obtaining increased knowledge and mapping of zooplankton. This includes a review of already existing technology within sensors and sensor-carrying platforms and remote sensing by the sense of optical imaging. Optical imaging of the mentioned species is attractive due to their red color, which is a result of their high content of the red pigment astaxanthin. The report investigates if this red pigment makes the species recognizable through spectroscopy, which is the analysis of how light interacts with materials, measured in intensity over wavelengths. These studies of spectroscopy are performed through several laboratory experiments with hyperspectral imaging of alive individuals of C.fimarchichus, where the aim is to discover significant spectral signatures. These signatures can then be used as a "ground truth" for future remote sensing purposes.

The laboratory experiments are conducted with two different groups of C.finmarchichus. One group of individuals is obtained from a stock held at SINTEF's facilities in Trondheim, while the second group of individuals was isolated from Trondheimsfjorden a week before the last experiment took place. The different individuals are imaged with both backlighting and overhead lighting to obtain results of both transmittance and reflectance, respectively. The data analyzes are performed with two different methods. The first approach involves obtaining the spectral signature of selected parts of the individual. The second approach is to compute an average spectrum over each individual to provide a more realistic view for remote sensing of large patches of the species in the ocean.

The majority of the results show distinct spectral signatures that closely match the absorption spectrum of astaxanthin. Some areas of the individuals are especially consistent for nearly all examples, confirming the work's potential. However, larger variation is experienced in other areas, in addition to faint spectral signatures of the average spectra. This could result from inappropriate chosen imager settings or oversimplified analyzes of complicated 3D structures. Although the overall results were satisfactory, the study has room for improvement. Moreover, the general potential for future work is both large and exciting.