中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
新型儀器提供快速、低成本的工具來(lái)應對美國黃石國家公園的生態(tài)退化。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，幾十年來(lái)，美國國家公園管理局一直被困于一場(chǎng)與湖鱒魚(yú)（又名湖紅點(diǎn)鮭）的斗爭中，這是一種食欲非常強烈的入侵魚(yú)類(lèi)，它已經(jīng)破壞和顛覆了黃石湖以前繁榮的生態(tài)系統。根據最新的研究，利用一款裝載在飛機上的儀器，可以趁非本地魚(yú)類(lèi)來(lái)到淺水區產(chǎn)卵的短短幾周內，提供更快的方式來(lái)定位和捕捉它們。
從飛機上“掃描”黃石湖，搜索入侵的湖鱒魚(yú)
該儀器使用基于光成像技術(shù)的激光雷達（LiDAR），可以幫助湖泊管理人員以較低的成本在大范圍的區域內捕撈入侵魚(yú)類(lèi)，從而更有效地利用每年花費在湖鱒魚(yú)控制上的約200萬(wàn)美元經(jīng)費。
在光學(xué)協(xié)會(huì )（OSA）雜志Applied Optics上發(fā)表的最新研究中，研究人員報告了一系列飛行測試的結果，成功地定位湖鱒魚(yú)群的位置并識別以前未知的產(chǎn)卵區。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(gè)或以上的湖鱒魚(yú)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(yú)的產(chǎn)卵位置，這樣漁業(yè)生物學(xué)家就可以應用各種方法來(lái)減少魚(yú)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(yú)類(lèi)，比如聲波傳感，但飛機可以比船只在更短的時(shí)間內覆蓋更大面積的湖泊水域?！?/p>
在湖泊中搜尋的新方法
激光雷達（LiDAR）已被用來(lái)跟蹤海洋生態(tài)系統中的魚(yú)類(lèi)，但這是第一次被用來(lái)研究湖泊中的魚(yú)，湖泊里的水更渾濁。
此外，雖然其他激光雷達應用需要昂貴、復雜的設備，但蒙大拿州立大學(xué)工程師開(kāi)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)家和當地漁業(yè)和水資源管理者的一種實(shí)用的解決方案。
“我們這款相對低成本、小尺寸的激光雷達系統可用于其他類(lèi)型的生態(tài)研究，如浮游生物層測繪和來(lái)自水下通風(fēng)口的羽流，”Shaw說(shuō)，“本來(lái)很難從地面進(jìn)入的遙遠的湖泊，現在可以很容易的在一天之內進(jìn)行測繪和研究?！?/p>
管理受威脅的生態(tài)系統
黃石湖位于黃石公園的中心，一直深受捕魚(yú)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90年代引入非本土湖鱒魚(yú)，該地區錯綜復雜的生態(tài)平衡遭到了極大地破壞。
湖鱒魚(yú)捕食湖中本土的切喉鱒魚(yú)，切喉鱒魚(yú)歷史上一直是許多頂級食肉動(dòng)物的重要食物來(lái)源。隨著(zhù)湖鱒魚(yú)種群數量的增加，切喉鱒魚(yú)的數量急劇減少，2000至2005年間下降了90%。這大大減少了熊、鳥(niǎo)和其他動(dòng)物的食物供應。這些動(dòng)物并不能捕食入侵的湖鱒魚(yú)，因為湖鱒魚(yú)大部分時(shí)間都生活在深水中，不像切喉鱒魚(yú)。
為了撲滅湖鱒魚(yú)的數量，并給予切喉鱒魚(yú)一個(gè)恢復的機會(huì )，除其他方法外，湖泊管理者還利用刺網(wǎng)在湖鱒魚(yú)產(chǎn)卵季節進(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(yú)在產(chǎn)卵。
為了定位魚(yú)的位置，生物學(xué)家目前在個(gè)體魚(yú)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(yú)類(lèi)的位置。
走向空中，覆蓋更廣的區域
研究小組試圖開(kāi)發(fā)一種更有效的方法來(lái)快速定位大群的湖鱒魚(yú)而不需要標記。他們的解決方案是，將一個(gè)激光雷達儀器固定連接到一個(gè)小飛機上，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(yú)類(lèi)探測。
該裝置通過(guò)將短脈沖激光從飛機發(fā)射到空中再進(jìn)入水中而工作。激光雷達接收器對反向散射光進(jìn)行測量，使研究人員從周?chē)乃蛑刑暨x出目標魚(yú)類(lèi)。為了優(yōu)化在湖面上的使用設置，他們使用了綠光激光器，它比其他地面激光雷達應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而不會(huì )使接收器飽和。
系統測試
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(yú)激光雷達在黃石湖測試了激光雷達技術(shù)的使用。在這些飛行測試期間收集的數據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，然后在地面進(jìn)行有效的刺網(wǎng)捕撈。
然后，團隊人員設計并建立了自己的系統，以盡可能低的成本支持足夠的激光功率。在2015和2016年的新設備測試中，成功地對眾多的鱒魚(yú)群進(jìn)行了辨識。
Shaw說(shuō)，該系統可以進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)一項稱(chēng)為掃帚式掃瞄的技術(shù)，其激光束被掃描成一條線(xiàn)，可覆蓋更寬的區域。這將允許對整個(gè)湖區進(jìn)行掃描，比在當前設置中使用的單個(gè)固定角度激光器更快。
研究人員還致力于開(kāi)發(fā)額外的工具，以幫助用戶(hù)快速地將激光雷達生成的數據轉化為可操作的信息，并使系統適應其他類(lèi)型的淡水生態(tài)系統。
“我們感興趣的是開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的魚(yú)類(lèi)探測算法，并用這種方法作為一種常規的工具來(lái)幫助漁業(yè)生物學(xué)家對抗入侵的湖鱒魚(yú)，”Shaw說(shuō)，“我們也正在探索使用這種激光雷達，結合多光譜和高光譜成像系統，以監測河流健康狀況?！?/p>
