利用激光雷達(dá)技術(shù)定位捕撈入侵魚類

新型儀器提供快速、低成本的工具來(lái)應(yīng)對(duì)美國(guó)黃石國(guó)家公園的生態(tài)退化。據(jù)報(bào)道，幾十年來(lái)，美國(guó)國(guó)家公園管理局一直被困于一場(chǎng)與湖鱒魚（又名湖紅點(diǎn)鮭）的斗爭(zhēng)中，這是一種食欲非常強(qiáng)烈的入侵魚類，它已經(jīng)破壞和顛覆了黃石湖以前繁榮的生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)最新的研究，利用一款裝載在飛機(jī)上的儀器，可以趁非本地魚類來(lái)到淺水區(qū)產(chǎn)卵的短短幾周內(nèi)，提供更快的方式來(lái)定位和捕捉它們。

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(fèi)在湖鱒魚控制上的約200萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)。在光學(xué)協(xié)會(huì)（OSA）雜志Applied Optics上發(fā)表的最新研究中，研究人員報(bào)告了一系列飛行測(cè)試的結(jié)果，成功地定位湖鱒魚群的位置并識(shí)別以前未知的產(chǎn)卵區(qū)。他們展示了這項(xiàng)技術(shù)能夠找到潛游在水面以下15米深處的兩個(gè)或以上的湖鱒魚群。

“我們研究所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，是找到一種方法來(lái)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(lái)減少魚群地繁衍，”蒙大拿州立大學(xué)的Joseph A. Shaw說(shuō)，“還有其他幾種方法來(lái)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(shí)間內(nèi)覆蓋更大面積的湖泊水域?！痹诤粗兴褜さ男路椒す饫走_(dá)（LiDAR）已被用來(lái)跟蹤海洋生態(tài)系統(tǒng)中的魚類，但這是第一次被用來(lái)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(wàn)美元，并且經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以在單引擎飛機(jī)上運(yùn)行，每天的飛行成本只需花費(fèi)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(shí)用的解決方案。

“我們這款相對(duì)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(cè)繪和來(lái)自水下通風(fēng)口的羽流，”Shaw說(shuō)，“本來(lái)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(cè)繪和研究?！惫芾硎芡{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(ài)，尤其是灰熊、禿鷹、水獺和其他野生動(dòng)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(cuò)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(jí)食肉動(dòng)物的重要食物來(lái)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(dòng)物的食物供應(yīng)。這些動(dòng)物并不能捕食入侵的湖鱒魚，因?yàn)楹V魚大部分時(shí)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(gè)恢復(fù)的機(jī)會(huì)，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(shí)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(gè)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(gè)耗時(shí)和勞動(dòng)密集的過(guò)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(lái)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(gè)激光雷達(dá)儀器固定連接到一個(gè)小飛機(jī)上，使他們能夠以每小時(shí)80公里的速度覆蓋5米寬的水域進(jìn)行魚類探測(cè)。該裝置通過(guò)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(duì)反向散射光進(jìn)行測(cè)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(shí)，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(huì)使接收器飽和。

系統(tǒng)測(cè)試該研究小組首先在2004年使用NOAA（美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局）魚激光雷達(dá)在黃石湖測(cè)試了激光雷達(dá)技術(shù)的使用。在這些飛行測(cè)試期間收集的數(shù)據(jù)幫助國(guó)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(duì)人員設(shè)計(jì)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(cè)試中，成功地對(duì)眾多的鱒魚群進(jìn)行了辨識(shí)。

Shaw說(shuō)，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)一項(xiàng)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(duì)整個(gè)湖區(qū)進(jìn)行掃描，比在當(dāng)前設(shè)置中使用的單個(gè)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)?！拔覀兏信d趣的是開發(fā)自動(dòng)化的魚類探測(cè)算法，并用這種方法作為一種常規(guī)的工具來(lái)幫助漁業(yè)生物學(xué)家對(duì)抗入侵的湖鱒魚，”Shaw說(shuō)，“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(cè)河流健康狀況?！?/p>