從(cong) 飛機上“掃描”黃石湖，搜索入侵的湖鱒魚

該儀(yi) 器使用基於(yu) 光成像技術的激光雷達（LiDAR），可以幫助湖泊管理人員以較低的成本在大範圍的區域內(nei) 捕撈入侵魚類，從(cong) 而更有效地利用每年花費在湖鱒魚控製上的約200萬(wan) 美元經費。

在光學協會(hui) （OSA）雜誌Applied Optics上發表的最新研究中，研究人員報告了一係列飛行測試的結果，成功地定位湖鱒魚群的位置並識別以前未知的產(chan) 卵區。他們(men) 展示了這項技術能夠找到潛遊在水麵以下15米深處的兩(liang) 個(ge) 或以上的湖鱒魚群。

“我們(men) 研究所要解決(jue) 的關(guan) 鍵問題，是找到一種方法來確定入侵湖鱒魚的產(chan) 卵位置，這樣漁業(ye) 生物學家就可以應用各種方法來減少魚群地繁衍，”蒙大拿州立大學的Joseph A． Shaw說，“還有其他幾種方法來追蹤這些魚類，比如聲波傳(chuan) 感，但飛機可以比船隻在更短的時間內(nei) 覆蓋更大麵積的湖泊水域。”

在湖泊中搜尋的新方法

激光雷達（LiDAR）已被用來跟蹤海洋生態係統中的魚類，但這是第一次被用來研究湖泊中的魚，湖泊裏的水更渾濁。

此外，雖然其他激光雷達應用需要昂貴、複雜的設備，但蒙大拿州立大學工程師開發的新儀(yi) 器不到10萬(wan) 美元，並且經過優(you) 化可以在單引擎飛機上運行，每天的飛行成本隻需花費500美元，使其成為(wei) 生態學家和當地漁業(ye) 和水資源管理者的一種實用的解決(jue) 方案。

“我們(men) 這款相對低成本、小尺寸的激光雷達係統可用於(yu) 其他類型的生態研究，如浮遊生物層測繪和來自水下通風口的羽流，”Shaw說，“本來很難從(cong) 地麵進入的遙遠的湖泊，現在可以很容易的在一天之內(nei) 進行測繪和研究。”

管理受威脅的生態係統

黃石湖位於(yu) 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(cong) 20世紀90年代引入非本土湖鱒魚，該地區錯綜複雜的生態平衡遭到了極大地破壞。

湖鱒魚捕食湖中本土的切喉鱒魚，切喉鱒魚曆史上一直是許多頂級食肉動物的重要食物來源。隨著湖鱒魚種群數量的增加，切喉鱒魚的數量急劇減少，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。這些動物並不能捕食入侵的湖鱒魚，因為(wei) 湖鱒魚大部分時間都生活在深水中，不像切喉鱒魚。

為(wei) 了撲滅湖鱒魚的數量，並給予切喉鱒魚一個(ge) 恢複的機會(hui) ，除其他方法外，湖泊管理者還利用刺網在湖鱒魚產(chan) 卵季節進行捕撈。雖然這種方法非常有效，但更重要的是，需要知道什麽(me) 時候湖鱒魚在產(chan) 卵。

為(wei) 了定位魚的位置，生物學家目前在個(ge) 體(ti) 魚中植入聲波發射器，然後利用在湖裏和船上的接收器追蹤它們(men) ，這是一個(ge) 耗時和勞動密集的過程，而且並不能完全覆蓋入侵魚類的位置。

走向空中，覆蓋更廣的區域

研究小組試圖開發一種更有效的方法來快速定位大群的湖鱒魚而不需要標記。他們(men) 的解決(jue) 方案是，將一個(ge) 激光雷達儀(yi) 器固定連接到一個(ge) 小飛機上，使他們(men) 能夠以每小時80公裏的速度覆蓋5米寬的水域進行魚類探測。

該裝置通過將短脈衝(chong) 激光從(cong) 飛機發射到空中再進入水中而工作。激光雷達接收器對反向散射光進行測量，使研究人員從(cong) 周圍的水域中挑選出目標魚類。為(wei) 了優(you) 化在湖麵上的使用設置，他們(men) 使用了綠光激光器，它比其他地麵激光雷達應用的激光具有更好地穿透水能力。同時，使激光光束向後傾(qing) 斜，使得激光在水麵上的反射被偏轉而不會(hui) 使接收器飽和。

係統測試

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）魚激光雷達在黃石湖測試了激光雷達技術的使用。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(chan) 卵區，然後在地麵進行有效的刺網捕撈。

然後，團隊人員設計並建立了自己的係統，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(zhong) 多的鱒魚群進行了辨識。

Shaw說，該係統可以進一步改進，通過一項稱為(wei) 掃帚式掃瞄的技術，其激光束被掃描成一條線，可覆蓋更寬的區域。這將允許對整個(ge) 湖區進行掃描，比在當前設置中使用的單個(ge) 固定角度激光器更快。

研究人員還致力於(yu) 開發額外的工具，以幫助用戶快速地將激光雷達生成的數據轉化為(wei) 可操作的信息，並使係統適應其他類型的淡水生態係統。

“我們(men) 感興(xing) 趣的是開發自動化的魚類探測算法，並用這種方法作為(wei) 一種常規的工具來幫助漁業(ye) 生物學家對抗入侵的湖鱒魚，”Shaw說，“我們(men) 也正在探索使用這種激光雷達，結合多光譜和高光譜成像係統，以監測河流健康狀況。”