Forskere bruger LiDAR til at lokalisere invasive fisk og bevare en national skat

I årtier har National Park Service været låst i en kamp mod søørreder, en invasiv fisk med en glubende appetit, der har overhalet Yellowstone-søen og forbedret sit tidligere blomstrende økosystem. Ifølge ny forskning, et flymonteret instrument kunne tilbyde en hurtigere måde at lokalisere og fange de ikke-indfødte fisk i løbet af de korte uger hvert år, når de kommer ind på lavt vand for at gyde.

Instrumentet, som bruger den lysbaserede billedteknologi Light Detection and Ranging (LiDAR), kunne tillade dem, der forvalter søen, at jage efter invasive fisk over et større område til lavere omkostninger, mere effektiv udnyttelse af de omkring 2 millioner dollars, der bruges på søørredbekæmpelse hvert år.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Anvendt optik , forskere rapporterer om en række testflyvninger, der lykkedes med at lokalisere grupper af søørreder og identificere hidtil ukendte gydeområder. De demonstrerer teknikkens evne til at finde grupper på to eller flere søørreder, der svømmer så dybt som 15 meter under overfladen.

"Det vigtigste problem, vi adresserer med denne forskning, er behovet for en metode til at finde ud af, hvor den invasive søørred gyder, så fiskeribiologer kan anvende forskellige metoder til at reducere deres bestand, " sagde Joseph A. Shaw, Montana State University. "Der er flere andre metoder, der bliver udforsket til at spore disse fisk, inklusive akustisk sansning, men et fly kan dække den store sø på meget kortere tid, end det er muligt for både."

En ny måde at se på søer på

LiDAR er blevet brugt til at spore fisk i marine økosystemer, men det er første gang, det er blevet brugt til at studere fisk i søer, hvor vandet er mere grumset.

Ud over, mens andre LiDAR-applikationer kræver dyre, sofistikeret udstyr, Montana State Universitys ingeniører udviklede det nye instrument for mindre end $100, 000 og optimeret det til drift på et enmotors fly, der kan flyves for $500 pr. dag, gør det til en praktisk løsning for økologer og lokale fiskeri- og vandressourceforvaltere.

"De relativt lave omkostninger og den lille størrelse af vores LiDAR-system vil gøre det nyttigt til andre typer af økologiske undersøgelser, såsom kortlægning af planktonlag og faner fra undervandsventiler, " sagde Shaw. "Afsidesliggende søer, som ville være svære at få adgang til fra jorden, kan nemt kortlægges og studeres inden for en enkelt dag."

Håndtering af et truet økosystem

Et midtpunkt i Yellowstone National Park, Yellowstone Lake har længe været elsket af lystfiskere og æret for bestandene af grizzlies, skaldet ørne, oddere og andet dyreliv, den understøtter. Introduktionen af ​​ikke-hjemmehørende søørreder i 1990'erne forstyrrede dramatisk områdets indviklede økologiske balance.

Søørreder forgriber sig på søens hjemmehørende ørred, som historisk set har været en vigtig fødekilde for mange top rovdyr. Efterhånden som bestanden af ​​søørred steg, ørredbestanden kollapsede, faldet med 90 procent mellem 2000 og 2005. Dette reducerede fødeforsyningen til bjørne væsentligt, fugle og andre dyr. Disse dyr kan ikke forgribe sig på de invasive søørreder, fordi søørreder tilbringer det meste af året på dybt vand, i modsætning til ørreder.

At udrydde bestande af søørreder og give ørreder en chance for at komme sig, søforvaltere bruger gællenet, blandt andre metoder, at fange søørreder i gydeperioden. Selvom det er meget effektivt, denne metode kræver at vide hvornår – og endnu vigtigere, hvor - fiskene gyder.

For at lokalisere fisken, Biologer implanterer i øjeblikket individuelle fisk med akustiske sendere og sporer dem derefter med modtagere i søen og på båden, en tidskrævende og arbejdskrævende proces, der giver ufuldstændig dækning af den invasive fisks opholdssted.

Tager i luften for at dække mere jord

Forskerholdet søgte at udvikle en mere effektiv måde til hurtigt at lokalisere store grupper af søørreder uden mærkning. Deres løsning, et LiDAR-instrument boltet til et lille fly, giver dem mulighed for at opdage fisk i et 5 meter langt vand og tilbagelægge 80 kilometer i timen.

Enheden fungerer ved at transmittere en kort puls af laserlys fra flyet gennem luften og ud i vandet. LiDAR-modtageren måler tilbagespredt lys, giver forskere mulighed for at udvælge fisk fra det omgivende vand. For at optimere opsætningen til brug på søen, de brugte en grønstrålelaser, som trænger bedre ind i vandet end andre typer lasere, der bruges til LiDAR-applikationer på jorden. Strålen blev vinklet bagud, så lysets refleksion på vandet afbøjes væk og ikke mætter modtageren.

Sætter systemet på prøve

Holdet testede først brugen af ​​LiDAR-teknologi ved Yellowstone Lake ved hjælp af NOAA-fisken LiDAR i 2004. Data indsamlet under disse testflyvninger hjalp National Park Service-personale med at finde hidtil ukendte gydeområder, som derefter blev valideret med gællenet-operationer på jorden.

Holdet designede og byggede derefter deres eget system for at give tilstrækkelig optisk strøm til den lavest mulige pris. Test af det nye setup, i 2015 og 2016, med succes identificeret adskillige ørredgrupperinger.

Shaw sagde, at systemet kunne forbedres yderligere med en teknik kaldet push-broom scanning, hvor laserstrålen scannes i en linje for at dække et bredere skår. Dette ville gøre det muligt at scanne hele søområdet hurtigere end den enkelte laser med fast vinkel, der bruges i den aktuelle opsætning.

Forskerne sigter også mod at udvikle yderligere værktøjer til at hjælpe brugere med hurtigt at oversætte LiDAR-genererede data til handlingsvenlig information, og at tilpasse systemet til andre typer ferskvandsøkosystemer.

"Vi er interesserede i at udvikle automatiserede fiskedetektionsalgoritmer og i at bruge denne metode som et rutineværktøj til at hjælpe fiskeribiologerne i deres kamp mod invasive søørreder, " sagde Shaw. "Vi undersøger også mulighederne for at bruge denne LiDAR, sammen med multispektrale og hyperspektrale billeddannelsessystemer, at overvåge flodens sundhed."