I årtionden har National Park Service varit inlåst i en kamp mot sjööringar, en invasiv fisk med en glupsk aptit som har hunnit förbi Yellowstone Lake och stärkt dess tidigare blomstrande ekosystem. Enligt ny forskning, ett flygplanmonterat instrument kan erbjuda ett snabbare sätt att lokalisera och fånga den icke-infödda fisken under de korta veckorna varje år när de kommer i grunt vatten för att leka.

Instrumentet, som använder den ljusbaserade bildteknologin Light Detection and Ranging (LiDAR), kunde låta dem som förvaltar sjön jaga invasiv fisk över ett större område till lägre kostnad, mer effektivt utnyttja de cirka 2 miljoner dollar som spenderas på sjööringskontroll varje år.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Tillämpad optik , forskare rapporterar om en serie testflygningar som lyckades med att lokalisera grupper av sjööringar och identifiera tidigare okända lekområden. De visar teknikens förmåga att hitta grupper av två eller flera sjööringar som simmar så djupt som 15 meter under ytan.

"Det viktigaste problemet vi tar upp med denna forskning är behovet av en metod för att hitta var den invasiva sjööringen gyter så att fiskeribiologer kan använda olika metoder för att minska sin befolkning, "sa Joseph A. Shaw, Montana State University. "Det finns flera andra metoder som undersöks för att spåra dessa fiskar, inklusive akustisk avkänning, men ett flygplan kan täcka den stora sjön på mycket kortare tid än vad som är möjligt för båtar. "

Ett nytt sätt att se på sjöar

LiDAR har använts för att spåra fisk i marina ekosystem, men det här är första gången det har använts för att studera fisk i sjöar, där vattnet är grumligare.

Dessutom, medan andra LiDAR -applikationer kräver dyra, sofistikerad utrustning, Montana State University ingenjörer utvecklade det nya instrumentet för mindre än $ 100, 000 och optimerade den för drift på ett enmotorigt flygplan som kan flyga för $ 500 per dag, vilket gör det till en praktisk lösning för ekologer och lokala fiske- och vattenresursförvaltare.

"Den relativt billiga och lilla storleken på vårt LiDAR-system kommer att göra det användbart för andra typer av ekologiska studier, såsom att kartlägga planktonskikt och plumes från undervattensventiler, "sa Shaw." Fjärrsjöar som skulle vara svåra att komma åt från marken kan enkelt kartläggas och studeras inom en enda dag. "

Hantera ett hotat ekosystem

Ett mittpunkt i Yellowstone National Park, Yellowstone Lake har länge varit älskad av sportfiskare och vördad för populationerna av grizzlies, skalliga örnar, uttrar och andra vilda djur som den stöder. Införandet av icke-infödda sjööringar på 1990-talet störde dramatiskt områdets invecklade ekologiska balans.

Sjööring byter på sjöens inhemska öring, som historiskt sett har varit en viktig matkälla för många främsta rovdjur. När sjööringsbestånden ökade, havsöringbeståndet kollapsade, sjönk med 90 procent mellan 2000 och 2005. Detta minskade avsevärt matförsörjningen för björnar, fåglar och andra djur. Dessa djur kan inte byta på den invasiva sjööringen eftersom sjööringen tillbringar större delen av året på djupt vatten, till skillnad från öring.

Att slakta sjööringsbestånden och ge öringen en chans att återhämta sig, sjöförvaltare använder gälgar, bland andra metoder, för att fånga sjööringar under lekperioden. Även om det är mycket effektivt, denna metod kräver att man vet när - och ännu viktigare, var — fisken gyter.

För att hitta fisken, biologer implanterar för närvarande enskilda fiskar med akustiska sändare och spårar dem sedan med mottagare i sjön och ombord, en tidskrävande och arbetskrävande process som ger ofullständig täckning av den invasiva fiskens vistelseort.

Ta till luften för att täcka mer mark

Forskargruppen försökte utveckla ett mer effektivt sätt att snabbt hitta stora grupper av sjööringar utan att märka. Deras lösning, ett LiDAR -instrument bultat på ett litet flygplan, tillåter dem att upptäcka fisk i en 5-meters sträng av vatten och täcka 80 kilometer i timmen.

Enheten fungerar genom att sända en kort puls med laserljus från flygplanet genom luften och ut i vattnet. LiDAR -mottagaren mäter backspritt ljus, så att forskare kan välja fisk från det omgivande vattnet. För att optimera installationen för användning på sjön, de använde en laser med grönstråle, som penetrerar vatten bättre än andra typer av lasrar som används för LiDAR -applikationer på marken. Strålen vinklades bakåt så att ljusets reflektion på vattnet avböjs och inte mättar mottagaren.

Testar systemet

Teamet testade först användningen av LiDAR-teknik vid Yellowstone Lake med hjälp av NOAA-fisken LiDAR 2004. Data som samlats in under dessa testflygningar hjälpte National Park Service-personal att hitta tidigare okända lekområden som sedan validerades med marknätoperationer på marken.

Teamet konstruerade och byggde sedan sitt eget system för att ge tillräcklig optisk effekt till lägsta möjliga kostnad. Test av den nya installationen, 2015 och 2016, lyckades identifiera många öringgrupper.

Shaw sa att systemet kan förbättras ytterligare med en teknik som kallas push-broom scanning, i vilken laserstrålen skannas i en linje för att täcka en bredare sträng. Detta skulle göra det möjligt att skanna hela sjöområdet snabbare än den enda fastvinklade lasern som används i den aktuella installationen.

Forskarna syftar också till att utveckla ytterligare verktyg för att hjälpa användare att snabbt översätta LiDAR-genererad data till användbar information, och att anpassa systemet för andra typer av sötvattenekosystem.

"Vi är intresserade av att utveckla automatiserade fiskdetekteringsalgoritmer och att använda denna metod som ett rutinverktyg för att hjälpa fiskeribiologerna i deras kamp mot invasiva sjööringar, "sa Shaw." Vi undersöker också alternativ för att använda denna LiDAR, tillsammans med multispektrala och hyperspektrala bildsystem, för att övervaka flodens hälsa. "