利用激光雷达技术定位捕捞入侵鱼类

新型仪器提供快速、低成本的工具来应对美国黄石国家公园的生态退化。据报道，几十年来，美国国家公园管理局一直被困于一场与湖鳟鱼（又名湖红点鲑）的斗争中，这是一种食欲非常强烈的入侵鱼类，它已经破坏和颠覆了黄石湖以前繁荣的生态系统。根据最新的研究，利用一款装载在飞机上的仪器，可以趁非本地鱼类来到浅水区产卵的短短几周内，提供更快的方式来定位和捕捉它们。

从飞机上“扫描”黄石湖，搜索入侵的湖鳟鱼该仪器使用基于光成像技术的激光雷达（LiDAR），可以帮助湖泊管理人员以较低的成本在大范围的区域内捕捞入侵鱼类，从而更有效地利用每年花费在湖鳟鱼控制上的约200万美元经费。在光学协会（OSA）杂志Applied Optics上发表的最新研究中，研究人员报告了一系列飞行测试的结果，成功地定位湖鳟鱼群的位置并识别以前未知的产卵区。他们展示了这项技术能够找到潜游在水面以下15米深处的两个或以上的湖鳟鱼群。

“我们研究所要解决的关键问题，是找到一种方法来确定入侵湖鳟鱼的产卵位置，这样渔业生物学家就可以应用各种方法来减少鱼群地繁衍，”蒙大拿州立大学的Joseph A. Shaw说，“还有其他几种方法来追踪这些鱼类，比如声波传感，但飞机可以比船只在更短的时间内覆盖更大面积的湖泊水域。”在湖泊中搜寻的新方法激光雷达（LiDAR）已被用来跟踪海洋生态系统中的鱼类，但这是第一次被用来研究湖泊中的鱼，湖泊里的水更浑浊。此外，虽然其他激光雷达应用需要昂贵、复杂的设备，但蒙大拿州立大学工程师开发的新仪器不到10万美元，并且经过优化可以在单引擎飞机上运行，每天的飞行成本只需花费500美元，使其成为生态学家和当地渔业和水资源管理者的一种实用的解决方案。

“我们这款相对低成本、小尺寸的激光雷达系统可用于其他类型的生态研究，如浮游生物层测绘和来自水下通风口的羽流，”Shaw说，“本来很难从地面进入的遥远的湖泊，现在可以很容易的在一天之内进行测绘和研究。”管理受威胁的生态系统黄石湖位于黄石公园的中心，一直深受捕鱼者的喜爱，尤其是灰熊、秃鹰、水獭和其他野生动物的欢迎。自从20世纪90年代引入非本土湖鳟鱼，该地区错综复杂的生态平衡遭到了极大地破坏。

湖鳟鱼捕食湖中本土的切喉鳟鱼，切喉鳟鱼历史上一直是许多顶级食肉动物的重要食物来源。随着湖鳟鱼种群数量的增加，切喉鳟鱼的数量急剧减少，2000至2005年间下降了90%。这大大减少了熊、鸟和其他动物的食物供应。这些动物并不能捕食入侵的湖鳟鱼，因为湖鳟鱼大部分时间都生活在深水中，不像切喉鳟鱼。为了扑灭湖鳟鱼的数量，并给予切喉鳟鱼一个恢复的机会，除其他方法外，湖泊管理者还利用刺网在湖鳟鱼产卵季节进行捕捞。虽然这种方法非常有效，但更重要的是，需要知道什么时候湖鳟鱼在产卵。

为了定位鱼的位置，生物学家目前在个体鱼中植入声波发射器，然后利用在湖里和船上的接收器追踪它们，这是一个耗时和劳动密集的过程，而且并不能完全覆盖入侵鱼类的位置。走向空中，覆盖更广的区域研究小组试图开发一种更有效的方法来快速定位大群的湖鳟鱼而不需要标记。他们的解决方案是，将一个激光雷达仪器固定连接到一个小飞机上，使他们能够以每小时80公里的速度覆盖5米宽的水域进行鱼类探测。该装置通过将短脉冲激光从飞机发射到空中再进入水中而工作。激光雷达接收器对反向散射光进行测量，使研究人员从周围的水域中挑选出目标鱼类。为了优化在湖面上的使用设置，他们使用了绿光激光器，它比其他地面激光雷达应用的激光具有更好地穿透水能力。同时，使激光光束向后倾斜，使得激光在水面上的反射被偏转而不会使接收器饱和。

系统测试该研究小组首先在2004年使用NOAA（美国国家海洋和大气管理局）鱼激光雷达在黄石湖测试了激光雷达技术的使用。在这些飞行测试期间收集的数据帮助国家公园管理局的工作人员找到以前未知的产卵区，然后在地面进行有效的刺网捕捞。然后，团队人员设计并建立了自己的系统，以尽可能低的成本支持足够的激光功率。在2015和2016年的新设备测试中，成功地对众多的鳟鱼群进行了辨识。

Shaw说，该系统可以进一步改进，通过一项称为扫帚式扫瞄的技术，其激光束被扫描成一条线，可覆盖更宽的区域。这将允许对整个湖区进行扫描，比在当前设置中使用的单个固定角度激光器更快。研究人员还致力于开发额外的工具，以帮助用户快速地将激光雷达生成的数据转化为可操作的信息，并使系统适应其他类型的淡水生态系统。“我们感兴趣的是开发自动化的鱼类探测算法，并用这种方法作为一种常规的工具来帮助渔业生物学家对抗入侵的湖鳟鱼，”Shaw说，“我们也正在探索使用这种激光雷达，结合多光谱和高光谱成像系统，以监测河流健康状况。”