《Remote Sensing in Ecology and Conservation》：The Application of Autonomous Fixed-Wing Drones in the Sub-Antarctic Operating Beyond Visual Line of Sight to Enable Large Area, Multi-Species Population Monitoring in a Changing Environment
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自主固定翼无人机在飞行员视线范围之外（BVLOS）运行，用于在南乔治亚岛这一亚南极岛屿开展首次空中多物种基线参考调查。在这一偏远且具有挑战性的环境中进行长期种群监测历来困难重重，陆地监测通常仅限于岛上仅有的两处永久性人类存在——两个研究站——的邻近区域。能够监
自主固定翼无人机在飞行员视线范围之外（BVLOS）运行，用于在南乔治亚岛这一亚南极岛屿开展首次空中多物种基线参考调查。在这一偏远且具有挑战性的环境中进行长期种群监测历来困难重重，陆地监测通常仅限于岛上仅有的两处永久性人类存在——两个研究站——的邻近区域。能够监测偏远野生动物聚集地并在恶劣条件下作业的方法，对于理解南乔治亚岛近期快速生态与环境变化所带来的后果至关重要。本研究利用小型、简单但功能强大的固定翼无人机，以自主方式并在超视距条件下运行，克服了在亚南极作业所面临的诸多困难，包括通行受限和天气限制。本研究开发的方法和工作流程构成了一套工具包，可在全球其他偏远环境中开展大规模、长期野生动物监测项目，在这些地方，传统的陆地和空中方法并不实用。研究人员利用这些方法，围绕南乔治亚岛对关键指示物种进行了调查。
论文解读
一、研究背景与问题
南乔治亚岛位于南大洋，是亚南极地区一座偏远的岛屿，在过去200年间经历了多轮快速生态变化。早期变化源于无管制的海豹捕猎，随后是捕鲸业和鳍鱼渔业，这些开发活动曾将南极毛皮海狮（Arctocephalus gazella）及多种须鲸物种推向灭绝边缘。此外，不受控制的登岛活动还引入了大量非本地动植物物种。20世纪后期，保护该岛及其周边水域的努力开始加强，包括严格的渔业管理措施、海洋保护区的设立以及陆地保护区的划定。近年来，褐家鼠（Rattus norvegicus）和驯鹿（Rangifer tarandus tarandus）的根除计划以及持续的非本地植物清除项目，进一步改变了当地生态系统。
然而，海豹、鲸类和部分鱼类种群恢复的生态后果仍未被充分理解，这又与南乔治亚岛水域磷虾渔业的规模不断扩大以及气候变化导致的环境条件变化相互交织。理解这些变化如何影响南乔治亚岛更广泛生态系统的关键在于监测关键指示物种的能力，包括海豹、鲸类和海鸟等高级捕食者。
亚南极岛屿的监测面临极大挑战。传统方法如基于游艇的陆地调查既昂贵又低效。常规进入南乔治亚岛在很大程度上局限于从两个永久研究站可通过小船或陆路到达的区域，更偏远的地区只能依赖船舶支持的登陆作业。此外，南乔治亚岛许多大型野生动物聚居地的规模过大，无法人工计数，例如圣安德鲁斯湾的王企鹅聚居地估计拥有超过10万对繁殖对。有人驾驶的固定翼飞机或直升机空中调查也面临困难，因为岛上没有简易机场，从船上操作直升机的成本也极为高昂。
新兴技术为更新野生动物调查提供了机会，包括卫星遥感方法和小型多旋翼无人机。但卫星遥感方法对许多物种而言分辨率仍不足，而小型多旋翼无人机续航时间仅约30分钟，限制了单次飞行可调查的总面积。具备自主运行能力和更长续航时间的固定翼无人机则能够在飞行员视线范围之外运行，从而覆盖更远距离甚至此前无法到达的区域。此前在极地地区的应用已展示出这一潜力，有平台完成了超过230公里的飞行任务。然而，这些平台在南乔治亚岛这样的环境中从野外操作需要大量后勤支持，难以实现。
鉴于南乔治亚岛仅有一条约1公里长的道路，任何无人机都必须足够小以便徒步携带，足够简单以便非专业飞行员操作，并且足够可靠以抵御亚南极环境。因此，本研究设定了三个目标：第一，开发和测试野外工作流程，使固定翼无人机能在南乔治亚岛的环境约束下作为数据采集平台，对主要野生动物聚居地进行可重复的系统调查；第二，获取南乔治亚岛目标地点关键指示物种的摄影测量标准垂直航空影像，并能够通过运动恢复结构（SfM）摄影测量工作流程进行处理，为长期监测项目奠定基线数据集；第三，研究收集的数据为南乔治亚岛和南桑威奇群岛政府（GSGSSI）及南极海洋生物资源养护委员会（CCAMLR）的持续保护和管理工作提供信息和支持。
二、关键技术方法
研究选用AgEagle eBee X固定翼无人机作为调查平台，翼展116厘米，巡航速度约13米/秒，最大起飞重量1.6公斤，续航最长90分钟，最大运行风速限制为12.8米/秒。主要传感器为AgEagle Aeria X相机，搭载2400万像素RGB传感器，另有Duet T传感器结合RGB与热成像功能用于部分调查。飞行规划使用eMotion飞行管理软件，结合历史坐标和卫星影像定位目标聚居地，采用80%航向重叠和60%旁向重叠以满足SfM摄影测量要求。地面采样距离（GSD）根据目标物种大小确定。数据处理方面，使用Trimble R9s GNSS接收器作为基站，通过精密单点定位（PPP）和后处理运动学（PPK）工作流程处理无人机机载GNSS数据，随后使用Agisoft Metashape进行SfM摄影测量处理，生成正射镶嵌图和数字高程模型（DEM）。计数方法因物种而异，王企鹅采用基于DEM的创新方法自动计数，其他物种由两名独立观察员人工计数。
三、研究结果
3.1 调查完成情况
在确定的26个目标地点中，18个地点被访问，其中15个地点成功完成调查。三个未完成调查的地点分别是：Elsehul因拟起降位置上方有高浓度飞行海鸟而未能执行飞行，Rosita Harbour在起飞前遭遇浓雾，Blue Whale Harbour因风速超过安全运行限制而中止调查。在完成调查的15个地点中，共捕获了6个王企鹅聚居地、5个巴布亚企鹅聚居地、4个毛皮海狮聚居地、5个南象海豹聚居地和1个漂泊信天翁聚居地。整个野外工作期间共完成31次野生动物调查，最长飞行持续56分钟，覆盖总距离42.8公里，发生在圣安德鲁斯湾，单次飞行同时捕获了王企鹅和南象海豹聚居地。调查高度因物种和地点而异，巴布亚企鹅调查在85.2米至118.3米之间，王企鹅在85.2米至94.6米之间，毛皮海狮在94.6米至104.1米之间，南象海豹在71.0米至89.9米之间，漂泊信天翁在94.6米至118.3米之间。
3.2 最终计数结果
王企鹅繁殖对数量通过DEM方法统计：Gold Harbour为29,031对，Right Whale Bay为20,554对，St Andrews Bay为132,251对，Fortuna Bay为10,492对，Sea Leopard Fjord为13,674对，Salisbury Plain为72,674对。巴布亚企鹅繁殖对数量通过人工计数获得：Bjornstadt Bay为1,413对，Gold Harbour为385对，Hound Bay为1,127对，Rookery Bay为1,049对，Maiviken为539对。南象海豹在五个地点分别统计了雌性、幼崽和断奶幼体数量，其中St Andrews Bay数量最多，雌性6,305头、幼崽5,643头、断奶幼体505头。毛皮海狮在四个地点分别统计了雌性、幼崽和雄性数量，其中Husvik Harbour数量最多，雌性2,891头、幼崽2,814头、雄性1,668头。漂泊信天翁在Bay of Isles的五个岛屿上统计了筑巢和栖息成鸟数量，Prion Island筑巢28只（另1只可能）、栖息9只（另1只可能），Inner Lee Island筑巢12只、栖息4只（另1只可能），Outer Lee Island筑巢8只（另1只可能）、栖息4只，Skua Island筑巢1只，Petrel Island未发现。两名独立观察员的计数结果高度一致：巴布亚企鹅计数平均相差0.74%，南象海豹计数平均相差1.92%，毛皮海狮计数平均相差1.83%。Prion Island的漂泊信天翁计数与3天后进行的地面计数完全吻合。
四、讨论与结论
4.1 固定翼无人机操作经验
在南乔治亚岛的亚南极环境中操作固定翼无人机面临诸多挑战。许多野生动物聚居地位于海岸带，占据海滩、海岸斜坡甚至陡峭地形，给起降地点的选择带来困难。研究团队发现，目标地点附近的高地草甸或草地高原是最佳操作位置，既能减少与野生动物的互动，又能提供更好的态势感知以应对多变的天气。超视距运行能力在此背景下极为宝贵，使团队能够从距目标地点数公里之外进行远程操作，既减少了对野生动物的干扰，又降低了调查风险。研究期间观察到与野生动物的互动极少，企鹅和海豹对平台没有明显反应，飞行中的鸟类偶尔短暂跟随平台后便失去兴趣，这可能归因于固定翼平台需要持续运动以及相对较高的调查高度。
自主着陆在少数情况下存在问题。eBee X使用向下LiDAR校正下降速率，但算法假设平坦地形，在斜坡或起伏地形上可能导致着陆距离不足。解决方案是在着陆操作中禁用LiDAR，改用内部GNSS和气压高度计，这一方案被证明非常有效。南乔治亚岛大部分地区的数字高程模型质量历来较差，陡峭地形影响了SRTM等数据集的精度，在部分地区SRTM低估地形达300米。研究团队通过在首次飞行时采用较高高度创建更精确的DEM，为后续飞行提供改进的地形信息。风况是野外工作的主要考量因素，eBee X最大可运行风速为12.8米/秒，而南乔治亚岛的风速经常超过此限值。团队利用清晨和傍晚风速较低且更可预测的天气窗口进行飞行，并采用了低于制造商建议的8米/秒起飞风速限制以提供额外安全余量。
研究发现eBee X的最大优势并非最大续航时间，而是在短时间内快速调查大面积区域的能力。在仅20至30分钟的短暂天气窗口内即可完成大多数调查任务。超视距运行使团队能够从距目标地点数公里外操作，节省了大量时间并充分利用重要天气窗口。例如，Fortuna Bay的王企鹅聚居地无法从KEP通过陆路到达，团队改为从Fortuna Valley和Husvik Valley之间的山脊远程飞行，既确保了团队处于KEP应急覆盖范围内，又成功完成了调查。同样，在Bay of Isles调查漂泊信天翁聚居地时，从Prion Island单一起降点即可覆盖Inner Lee Island、Outer Lee Island、Skua Island和Petrel Island的飞行调查。
调查速度也是一项额外优势，有助于减少动物在影像之间移动的机会。缺乏稳定云台在阵风条件下会造成图像模糊和重叠度降低的问题，在光线较弱的时段更为明显。平台的小型化和简单性以及可靠性对于在远离技术和后勤支持的野外环境中长期运行至关重要。eBee X机身大部分由发泡聚苯乙烯制成，能够承受硬着陆，可用胶带和胶水轻松修复，这些特性使平台能够在野外长时间可靠运行。
五、研究结论
对南乔治亚岛野生动物进行计数是未来管理的关键需求，尤其是在其丰富而独特的生物多样性存在于多变且不断变化的环境之中。开发具有足够地面分辨率以记录生态变化的遥感方法现在至关重要。本研究启动了长期监测的第一步，其规模与生态系统变化相关。研究表明，可以在南乔治亚岛周围以可依赖的操作平台方式运行固定翼无人机，能够按要求开展调查并为长期监测项目奠定基础。超视距运行扩展了功能，形成了高度可行的解决方案。研究证明，在可用的短暂天气窗口内调查偏远的大面积区域是可行的。未来可以开展重复调查，随着更高分辨率DEM的获取，方法将持续改进。
