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Detection of benthic life by high-frequency hydroacoustic and seismic methods

  • Seas and oceans are essential for the global ecosystem. Entire societies, economies and countless livelihoods rely on their good environmental status. Yet, pressures on marine environments are increasing. An extensive assessment and monitoring of marine habitats is a vital precondition for understanding these systems and their sustainable conservation. Remote sensing methods can temporally accelerate the mapping, improve the spatial resolution and support the interpretation of large areas. Hydroacoustic becomes the method of choice for areas deeper than the coastal zone as optical signals are limited by strong attenuation in the water column. Apart from depth measurements for the creation of bathymetric charts, the recording of backscatter strength is useful for the characterization of the seafloor surface. The direct influence of the inhabiting benthic community on the backscattered signal is rarely considered, although it can be utilized for the detection of benthic life. Information about habitat-specific backscatter responses or a hydroacoustic remote sensing catalog for benthic habitats is missing so far. The multibeam echosounder (MBES) has the advantage of recording both, bathymetry and backscatter strength simultaneously with related incidence angle. Further, recent technological developments allow to change between frequencies. Angular range curves supported the quantification of backscatter strength of different frequencies. Acoustic data sets were complemented by ground truthing in form of sedimentological and biological samples as well as video profiles. Study areas were located offshore the island of Sylt in the North Sea as well as in vicinity to Oder Bank and close to the coast offshore Hohe Düne/Rostock, both in the Baltic Sea. Investigated habitats included sand areas inhabited by tubeworms, loose mussel clusters on top of sand areas, seagrass meadows, coarse sand and gravel areas, and a reef covered by mussels. Multifrequency backscatter maps, combining frequencies between 200 kHz and 700 kHz, illustrate small-scale features at the seafloor not visible in monofrequent maps. Key habitats showed a specific backscatter response, which can partly be related to macrobenthic flora and fauna. Data sets recorded with a (partly calibrated) MBES in three different month (May, August, October) revealed that backscatter strength can further detect spatial as well as temporal habitat dynamics. Alterations in the sediment composition at the seafloor surface of the ecologically valuable coarse sand and gravel areas were caused by seasonal changes in local hydrodynamics. A newly developed 3D seismic lander has the ability to support hydroacoustic remote sensing as an additional, non-destructive ground truthing method utilizing a high frequency of 130 kHz to image the shallow subsurface. Buried objects, e.g., stones, shells, fruit gummy worms, as well as sediment disturbances could be detected and visualized in a laboratory experiment. The 3D seismic lander is likely to improve the investigation of volume scatter contribution to backscatter strength and is potentially applicable for the imaging of bioturbation.
  • Meere und Ozeane sind unentbehrlich für das globale Ökosystem. Ganze Gesellschaften, Wirtschaftssysteme und unzählige Existenzgrundlagen hängen von ihrem gutem ökologischen Zustand ab, trotzdem erhöhen sich die Belastungen auf die marine Umwelt. Eine umfassende Bestandsaufnahme und Überwachung der marinen Lebensräume ist eine notwendige Voraussetzung für ein Verständnis dieser Systeme und ihrer nachhaltigen Erhaltung. Fernerkundungsmethoden können die Kartierung großer Gebiete auf zeitlicher Ebene beschleunigen, in der räumlichen Auflösung verbessern und im Inhaltsgehalt unterstützen. Hydroakustik wird zum Mittel der Wahl für Gebiete tiefer als die Küstenzone, da die Signale optischer Methoden durch die Wassersäule stark gedämpft werden. Neben der Tiefenmessung zur Erstellung bathymetrischer Karten ist die Aufzeichnung der Rückstreustärke nützlich zur Beschreibung der Beschaffenheit der Meeresbodenoberfläche. Der direkte Einfluss der benthischen Gemeinschaft auf das zurückgestreute Signal wird selten betrachtet, dabei kann dieser für die Detektion benthischen Lebens genutzt werden. Informationen über habitatspezifische Rückstreustärken oder eine Katalog über die hydroaktustische Fernerkundung benthischer Habitate fehlen bisher. Das Fächerecholot hat den Vorteil, dass es gleichzeitig sowohl die Bathymetrie als auch die Rückstreustärke einschließlich des zugehörigen Einfallswinkels aufzeichnet und zwischen den Frequenzen gewechselt werden kann. Winkelbereichs-Kurven (angular range curves) unterstützten die Quantifizierung der Rückstreustärke verschiedener Frequenzen. Die akustischen Datensätze wurden durch Ground-Truth-Daten in Form von sedimentologischen und biologischen Proben sowie Videoprofilen ergänzt. Die Untersuchungsgebiete befinden sich vor der Insel Sylt in der Nordsee, sowie in der Ostsee nahe der Oderbank und vor der Küste bei Hohe Düne/Rostock. Die untersuchten Habitate bestehen aus Sandgebieten besiedelt mit Röhrenwürmern, losen Muschelkonglomeraten auf sandigem Untergrund, Seegraswiesen, Kies- und Grobsandgebieten und einem mit Muscheln bedeckten Riff. Multifrequente Rückstreukarten, die Frequenzen zwischen 200 kHz und 700 kHz kombinieren, bilden kleinskalige Merkmale am Meeresboden ab, die in monofrequenten Karten nicht sichtbar sind. Die Habitate weisen eine spezifische Rückstreustärke auf, welche teilweise auf makrobenthische Flora und Fauna zurückgeführt werden kann. In den Datensätzen, die mit einem (teilweise kalibrierten) Fächerecholot in drei verschiedenen Monaten (Mai, August, Oktober) aufgezeichnet wurden, zeigt sich, dass die Rückstreustärke räumliche als auch zeitliche Dynamiken aufzeigen kann. Veränderungen der Sedimentzusammensetzung an der Meeresbodenoberfläche in den ökologisch wertvollen Kies- und Grobsandgebieten sind durch saisonale Änderungen der lokalen Hydrodynamik verursacht. Ein neuentwickelter 3D-seismischer Lander hat als weitere, zerstörungsfreie Ground-Truth-Methode die Fähigkeit hydroakustische Fernerkundungsmethoden zu unterstützen. Unter Verwendung einer hohen Frequenz von 130 kHz kann der flache Untergrund abgebildet werden. Sowohl vergrabene Objekte, zum Beispiel Steine, Muschelschalen, Fruchtgummiwürmer, als auch Störungen im Sediment konnten in einem Laborexperiment erkannt und visualisiert werden. Der 3D-seismische Lander ist voraussichtlich dafür geeignet die Erforschung des Beitrags der Volumenstreuung zur Rückstreustärke zu verbessern und ist potentiell einsetzbar zur Abbildung von Bioturbation.

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Metadaten
Author: Inken Katrin Schulze
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-85472
Title Additional (German):Detektion benthischer Organismen mittels hochfrequenter hydroakustischer und seismischer Methoden
Referee:Prof. Dr. Helge Wolfgang Arz, Prof. Dr. Sebastian Krastel
Advisor:Prof. Dr. Helge Wolfgang Arz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of first Publication:2023/05/24
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2022/05/31
Release Date:2023/05/24
Tag:Fächerecholot; Marine Habitatkartierung; akustische Rückstreustärke
acoustic backscatter; marine habitat mapping; multibeam echosounder
GND Keyword:Hydroakustik, Geophysik, Ostsee, Nordsee, Meeresboden, Benthos, Fernerkundung, Seismik, Habitat
Page Number:108
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geographie und Geologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 550 Geowissenschaften, Geologie