На протяжении десятилетий Служба национальных парков ведет борьбу с озерной форелью, инвазивной рыбой с ненасытным аппетитом, которая заполонила озеро Йеллоустоун и разрушила его ранее процветающую экосистему. Согласно новому исследованию, установленный на самолете прибор может предложить более быстрый способ обнаружения и поимки неместной рыбы в течение коротких недель каждый год, когда она выходит на мелководье для нереста.
Прибор, в котором используется основанная на свете технология визуализации Light Detection and Ranging (LiDAR), может позволить тем, кто управляет озером, охотиться на инвазивных рыб на более широкой территории с меньшими затратами, более эффективно используя ежегодно на борьбу с озерной форелью тратится около 2 миллионов долларов.
В журнале Applied Optics The Optical Society (OSA) исследователи сообщают о серии испытательных полетов, в ходе которых удалось обнаружить группы озерной форели и идентифицировать ранее неизвестные места нереста. Они демонстрируют способность метода находить группы из двух или более озерных форелей, плавающих на глубине до 15 метров под водой.
«Ключевая проблема, которую мы решаем в этом исследовании, - это необходимость в методе определения мест нереста инвазивной озерной форели, чтобы биологи-рыболовы могли применять различные методы сокращения их популяции», - сказал Джозеф А. Шоу из Университета штата Монтана.. «Есть несколько других методов отслеживания этих рыб, в том числе акустическое зондирование, но самолет может преодолеть большое озеро за гораздо более короткое время, чем это возможно для лодок."
Новый взгляд на озера
LiDAR использовался для отслеживания рыбы в морских экосистемах, но впервые он использовался для изучения рыбы в озерах, где вода более мутная.
Кроме того, в то время как другие приложения LiDAR требуют дорогого, сложного оборудования, инженеры Университета штата Монтана разработали новый прибор менее чем за 100 000 долларов США и оптимизировали его для работы на однодвигательном самолете, стоимость которого составляет 500 долларов США за день, что делает его практичным решением для экологов и местных менеджеров по рыболовству и водным ресурсам.
«Относительно низкая стоимость и небольшой размер нашей системы LiDAR сделают ее полезной для других типов экологических исследований, таких как картирование слоев планктона и шлейфов из подводных жерл», - сказал Шоу. «Удаленные озера, к которым трудно добраться с земли, можно легко нанести на карту и изучить в течение одного дня».
Управление экосистемой, находящейся под угрозой
Озеро Йеллоустоун, центральное место в Йеллоустонском национальном парке, давно любимо рыболовами и почитаемо за популяции гризли, белоголовых орланов, выдр и других диких животных, которых оно поддерживает. Интродукция неместной озерной форели в 1990-х годах резко нарушила сложный экологический баланс в этом районе.
Озерная форель охотится на местную озерную головорезную форель, которая исторически была основным источником пищи для многих высших хищников. По мере роста популяции озерной форели популяция головорезов резко сократилась, сократившись на 90 процентов в период с 2000 по 2005 год. Это существенно сократило кормовую базу медведей, птиц и других животных. Эти животные не могут охотиться на инвазивную озерную форель, потому что озерная форель проводит большую часть года в глубокой воде, в отличие от головорезов.
Чтобы уничтожить популяцию озерной форели и дать возможность головорезу восстановиться, управляющие озером используют, среди прочего, жаберные сети для ловли озерной форели в период нереста. Несмотря на высокую эффективность, этот метод требует знания времени и, что более важно, места нереста рыбы.
Чтобы определить местонахождение рыбы, биологи в настоящее время имплантируют отдельным рыбам акустические передатчики, а затем отслеживают их с помощью приемника в озере и на лодке, что требует много времени и труда, что обеспечивает неполный охват местонахождения инвазивной рыбы..
Поднимаемся в воздух, чтобы покрыть больше территории
Исследовательская группа стремилась разработать более эффективный способ быстрого обнаружения больших групп озерной форели без мечения. Их решение, инструмент LiDAR, прикрепленный болтами к небольшому самолету, позволяет им обнаруживать рыбу в 5-метровой полосе воды и преодолевать 80 километров в час..
Устройство работает, передавая короткий импульс лазерного света от самолета через воздух в воду. Приемник LiDAR измеряет обратно рассеянный свет, что позволяет исследователям выделять рыбу из окружающей воды. Чтобы оптимизировать установку для использования на озере, они использовали лазер с зеленым лучом, который проникает в воду лучше, чем другие типы лазеров, используемых для применения LiDAR на земле. Луч был направлен назад, так что отражение света от воды отклонялось и не насыщало приемник.
Проверка системы
Команда впервые проверила использование технологии LiDAR на Йеллоустонском озере с помощью LiDAR NOAA в 2004 году. Данные, собранные во время этих тестовых полетов, помогли персоналу Службы национальных парков найти ранее неизвестные нерестилища, которые затем были проверены с помощью наземные жаберные сети.
Затем команда разработала и построила собственную систему, обеспечивающую достаточную оптическую мощность при минимально возможных затратах. Испытания новой установки в 2015 и 2016 годах успешно выявили многочисленные группировки форели.
Шоу сказал, что система может быть дополнительно улучшена с помощью метода, называемого сканированием веерным сканированием, при котором лазерный луч сканируется по линии, чтобы охватить более широкую полосу. Это позволит сканировать всю площадь озера быстрее, чем одиночный лазер с фиксированным углом, используемый в текущей установке.
Исследователи также стремятся разработать дополнительные инструменты, которые помогут пользователям быстро преобразовывать данные, сгенерированные LiDAR, в полезную информацию, а также адаптировать систему для других типов пресноводных экосистем.
«Мы заинтересованы в разработке автоматизированных алгоритмов обнаружения рыбы и в использовании этого метода в качестве рутинного инструмента, чтобы помочь биологам-рыболовам в их борьбе с инвазивной озерной форелью», - сказал Шоу. «Мы также изучаем варианты использования этого LiDAR вместе с мультиспектральными и гиперспектральными системами визуализации для мониторинга состояния рек».