科学家利用无人机在南极为企鹅做“人口普查”

　　克日，南极初次发明一只金黄色企鹅，这只被戏称是“充了黄钻”的企鹅变化无常成为“网红”，引发了很多网友的存眷。憨状可掬的企鹅们一直都深受公共的喜欢，而这些小家伙儿们得以顺遂繁衍，离不开植物掩护机构、科考人员的科研探索和服从。

憨状可掬的南极企鹅

　“风趣”实验翻开南极企鹅庇护的新大门

　　来源于加州的斯坦福航空航天工程系副教授 Mac Schwager 和他的同伴们就正正在做着这项意义深远的事情。

　　2019 年，Schwager 带着他的门生，拉着一车企鹅毛绒玩具和无人机，来到了圣克拉拉的一块无人机爱好者空隙。在这儿，他们把企鹅毛绒玩具散落在空隙上，然后驾驶无人机，用特别的定制软件，对毛绒玩具开展航拍线路计划。

　　这看似“风趣”的试验，事实上是科研小组前去南极记载和研讨企鹅群体前的“练兵”。没有久后，无人机将飞越一片全由岩石和冰层笼盖的没有毛之地——克罗泽角 (Cape Crozier) ，这里是环球最大的阿德利企鹅栖息地之一，住着 30 多万对阿德利企鹅。这里没有电、没有水，甚至连人类最基本的日常生活需求皆没法满意，但却进行着一项主要的科学研讨：研讨统计企鹅。

　　正在南极为企鹅干“人口普查”，这几多听起来有些“猖狂”。克罗泽角每一年都市会萃大批阿德利企鹅繁衍昆裔，科研人员想要可以正确领会正在 10 月至 2 月摆布的南极夏日，有几多企鹅栖息正在这，和企鹅种群数目的颠簸取冰冻层海平面的季节性降落之间是不是有干系。

　　而如斯大费周章的统计企鹅数目、进行研究，是因为环球变暖对企鹅带来的危害远比我们设想的比较严重。环球变暖招致的海冰破碎，不但让很多企鹅丧失了抚育幼崽的名贵场合。因过分捕捞的危害，企鹅的食品还愈来愈欠缺，企鹅种群的数目正在大幅降低。而关于企鹅的数目观测，则有利于更好的增强企鹅庇护事情。

一次集会，让无人机飞入南极上空

　　已往，关于企鹅数目的统计体式格局，还停留在手动标志，并经由过程标志企鹅数目、企鹅巢的密度和全部群栖地的整体面积等数据，预算企鹅总数。这类办法完美吗？自然没有。但若是利用直升机举行勘察，没有仅本钱高，因高度规定而带来的噪音另有可能会惊扰到栖息地的企鹅，是以手动标志好像成为事先最好的挑选。

　　工夫回到 2016 年 6 月，处置企鹅研究工作的生物学家 Annie Schmidt 正在一次聚会中偶遇 Mac Schwager。正在扳谈中，Schwager 谈到了利用无人机的潜正在上风：无人机可以以非侵入性的体例取得高质量的数据，并且本钱相对较低。只要办法恰当，无人机不但可以让科学家们挣脱人工搜索和统计标志的企鹅这件苦差事，并且能协助他们正在很短的工夫内就可以轻松猎取极有价值的数据。

　　此次扳谈，无疑让 Annie Schmidt 看到了企鹅研究工作的曙光。2017 年，该科研小组遴选了五架无人机，并与在读博士 Kunal Shah 互助，开端探索若何优化勘察航行航路算法，高效获得企鹅栖息地数据。

高效的航路计划，独一无二的效力

　　想在南极上空顺利进行“人口普查”，并没有那末简单。南极的降雪、冻雨和每小时高达 100 英里的凉风等等卑劣气候因素，让无人机的飞翔窗口期大幅缩减。与此同时，极冷的温度限定了无人机的续航时候，而四周走动的企鹅则要求科研人员收集拍摄照片的速度要快，才气淘汰对企鹅的反复计数。传统的网格形式飞翔已然没有合用如许的特别环境。

　　无人机腾飞若须要将一片大批企鹅堆积的高低栖息地画制成舆图，假定曾经肯定了空中摄影高度，地面分辨率和航路堆叠率，最终则是须要制订一条“特别”的航路计划算法，构成一张网格以掩盖该地区。Kunal 以为，无人机的航路计划要到达正在最短时间内高效猎取数据，须要知足两个主要的前提，历遍性和不重复性。还便是须要测算每架无人机的最高效遨游飞翔线路，确保正在每一个途径点城市拍摄到一张照片，但不发作堆叠。

　　终究，这个绰号为“爆米花” （POPCORN）的遨游飞翔航路算法诞生了。

　　"爆米花"的飞翔航路计划并非单一的“Z”字形的线路，反而是正在一片地区内与此同时叠加多个无人机的弯曲勉强线路。正在确认需求拍摄的照片数目、覆盖面积、飞翔时候和无人机数目的前提下，该算法为目的地区划分格点并分派 GPS 坐标来计划线路。这一些 GPS 坐标不但可以让无人机精准定位并顺应克罗泽角崎岖升沉的空中环境，还能制止无人机的飞翔高度违背企鹅栖息地的空域规定，确保无人机不容易滋扰到这群穿戴“晚礼服”的住民。

　　末了，“爆米花”形成了一系列多个奇妙“Z”字形航行线路，既确保能拍摄到全部图象，又不产生途径反复。另外，航路的起始点和完毕点定在了同一个中央，减少了探求宁静着陆点的费事。

无人机航拍路线图示意图

　　“爆米花”的航路计划既有利于削减遨游飞翔勘察的时候，还能包管测算局限足够大，并正在观察时代可以随时平安召回无人机。相比之前，一名飞手驾驶一架无人机施行该义务须要两天以上的时候才气完成。而利用该线路和多架无人机协同事情，只须要约莫 3 小时就可以完成，正在效力上盖世无双。

　　正在地面分辨率大约是 1.5 厘米/像素，60% 的堆叠率的前提下，根据无人机拍摄的一切图象总巨细高达 10 GB。将图象所有上传到拼接软件中，生成一幅伟大的航拍镶嵌图。Kunal 说，“然后将该图象发送到机械进修管道中，将企鹅挑出归类，主动统计该巨幅图象中的企鹅数目。”

终究生成的高分辨率麋集图象

　　正在项目履行中，无人机的服从令 Kunal 惊叹不已。无人机的立异性科研运用和取企鹅共处的罕见体验成为吸引 Kunal 延续到场南极企鹅科研工作的重要原因。

无人机利用，工程研讨范畴的一次严重变化

　　这项事情获得了前沿性的研究成果，并编撰成论文正在《Science Robotics》杂志上揭晓。该论文的摘要中总结了运用多架无人机和“爆米花”算法开展航拍正在效力上获得的庞大上风：

　　“无人机正在约莫 3 小时内勘察了 2 平方公里的地区。与此相比，之前运用一架人工驾驶的无人机勘察统一片栖息地需求 2 天以上的时候能力完成。我们这类要领减少了反复飞翔线路，进而减少了勘察时候，与此同时正在勘察过程中能随时安全地召回无人机。这类要领能够应用于其他范畴，比方危险天气状况下或救灾过程中的山火查询拜访。”

　　现在，科研小组已利用此技能来追踪加利福尼亚州的鸟类和牧场禽畜类的活动转变。气候转变和生态珍爱让我们从头思索看待天下的体式格局，而高新科技是我们推进改进天下的主要东西。可以看到，搭载人工智能和自动化的无人机让我们可以束缚双手开释效力，将在立异前沿行业取得愈来愈遍及的利用。“毫无疑问这一切才刚刚开始，它代表着各个工程研讨行业的一次严重转变。”Schwager说。