從飛機(jī)上“掃描”黃石湖,搜索入侵的湖鱒魚
該儀器使用基于光成像技術(shù)的激光雷達(dá)(LiDAR),可以幫助湖泊管理人員以較低的成本在大范圍的區(qū)域內(nèi)捕撈入侵魚類,從而更有效地利用每年花費在湖鱒魚控制上的約200萬美元經(jīng)費。
在光學(xué)協(xié)會(OSA)雜志Applied Optics上發(fā)表的最新研究中,研究人員報告了一系列飛行測試的結(jié)果,成功地定位湖鱒魚群的位置并識別以前未知的產(chǎn)卵區(qū)。他們展示了這項技術(shù)能夠找到潛游在水面以下15米深處的兩個或以上的湖鱒魚群。
“我們研究所要解決的關(guān)鍵問題,是找到一種方法來確定入侵湖鱒魚的產(chǎn)卵位置,這樣漁業(yè)生物學(xué)家就可以應(yīng)用各種方法來減少魚群地繁衍,”蒙大拿州立大學(xué)的Joseph A. Shaw說,“還有其他幾種方法來追蹤這些魚類,比如聲波傳感,但飛機(jī)可以比船只在更短的時間內(nèi)覆蓋更大面積的湖泊水域。”
在湖泊中搜尋的新方法
激光雷達(dá)(LiDAR)已被用來跟蹤海洋生態(tài)系統(tǒng)中的魚類,但這是第一次被用來研究湖泊中的魚,湖泊里的水更渾濁。
此外,雖然其他激光雷達(dá)應(yīng)用需要昂貴、復(fù)雜的設(shè)備,但蒙大拿州立大學(xué)工程師開發(fā)的新儀器不到10萬美元,并且經(jīng)過優(yōu)化可以在單引擎飛機(jī)上運行,每天的飛行成本只需花費500美元,使其成為生態(tài)學(xué)家和當(dāng)?shù)貪O業(yè)和水資源管理者的一種實用的解決方案。
“我們這款相對低成本、小尺寸的激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于其他類型的生態(tài)研究,如浮游生物層測繪和來自水下通風(fēng)口的羽流,”Shaw說,“本來很難從地面進(jìn)入的遙遠(yuǎn)的湖泊,現(xiàn)在可以很容易的在一天之內(nèi)進(jìn)行測繪和研究。”
管理受威脅的生態(tài)系統(tǒng)
黃石湖位于黃石公園的中心,一直深受捕魚者的喜愛,尤其是灰熊、禿鷹、水獺和其他野生動物的歡迎。自從20世紀(jì)90年代引入非本土湖鱒魚,該地區(qū)錯綜復(fù)雜的生態(tài)平衡遭到了極大地破壞。
湖鱒魚捕食湖中本土的切喉鱒魚,切喉鱒魚歷史上一直是許多頂級食肉動物的重要食物來源。隨著湖鱒魚種群數(shù)量的增加,切喉鱒魚的數(shù)量急劇減少,2000至2005年間下降了90%。這大大減少了熊、鳥和其他動物的食物供應(yīng)。這些動物并不能捕食入侵的湖鱒魚,因為湖鱒魚大部分時間都生活在深水中,不像切喉鱒魚。
為了撲滅湖鱒魚的數(shù)量,并給予切喉鱒魚一個恢復(fù)的機(jī)會,除其他方法外,湖泊管理者還利用刺網(wǎng)在湖鱒魚產(chǎn)卵季節(jié)進(jìn)行捕撈。雖然這種方法非常有效,但更重要的是,需要知道什么時候湖鱒魚在產(chǎn)卵。
為了定位魚的位置,生物學(xué)家目前在個體魚中植入聲波發(fā)射器,然后利用在湖里和船上的接收器追蹤它們,這是一個耗時和勞動密集的過程,而且并不能完全覆蓋入侵魚類的位置。
走向空中,覆蓋更廣的區(qū)域
研究小組試圖開發(fā)一種更有效的方法來快速定位大群的湖鱒魚而不需要標(biāo)記。他們的解決方案是,將一個激光雷達(dá)儀器固定連接到一個小飛機(jī)上,使他們能夠以每小時80公里的速度覆蓋5米寬的水域進(jìn)行魚類探測。
該裝置通過將短脈沖激光從飛機(jī)發(fā)射到空中再進(jìn)入水中而工作。激光雷達(dá)接收器對反向散射光進(jìn)行測量,使研究人員從周圍的水域中挑選出目標(biāo)魚類。為了優(yōu)化在湖面上的使用設(shè)置,他們使用了綠光激光器,它比其他地面激光雷達(dá)應(yīng)用的激光具有更好地穿透水能力。同時,使激光光束向后傾斜,使得激光在水面上的反射被偏轉(zhuǎn)而不會使接收器飽和。
系統(tǒng)測試
該研究小組首先在2004年使用NOAA(美國國家海洋和大氣管理局)魚激光雷達(dá)在黃石湖測試了激光雷達(dá)技術(shù)的使用。在這些飛行測試期間收集的數(shù)據(jù)幫助國家公園管理局的工作人員找到以前未知的產(chǎn)卵區(qū),然后在地面進(jìn)行有效的刺網(wǎng)捕撈。
然后,團(tuán)隊人員設(shè)計并建立了自己的系統(tǒng),以盡可能低的成本支持足夠的激光功率。在2015和2016年的新設(shè)備測試中,成功地對眾多的鱒魚群進(jìn)行了辨識。
Shaw說,該系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn),通過一項稱為掃帚式掃瞄的技術(shù),其激光束被掃描成一條線,可覆蓋更寬的區(qū)域。這將允許對整個湖區(qū)進(jìn)行掃描,比在當(dāng)前設(shè)置中使用的單個固定角度激光器更快。
研究人員還致力于開發(fā)額外的工具,以幫助用戶快速地將激光雷達(dá)生成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可操作的信息,并使系統(tǒng)適應(yīng)其他類型的淡水生態(tài)系統(tǒng)。
“我們感興趣的是開發(fā)自動化的魚類探測算法,并用這種方法作為一種常規(guī)的工具來幫助漁業(yè)生物學(xué)家對抗入侵的湖鱒魚,”Shaw說,“我們也正在探索使用這種激光雷達(dá),結(jié)合多光譜和高光譜成像系統(tǒng),以監(jiān)測河流健康狀況。”
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