利用高分辨率合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)影像追踪帝企鹅(Aptenodytes forsteri)越冬期行为

《Remote Sensing in Ecology and Conservation》：Tracking Wintertime Behaviour of Emperor Penguins Using High-Resolution Synthetic Aperture Radar Imagery

　　

摘要：深入了解世界偏远地区物种的种群变化存在挑战，通常导致机会性观测（便利抽样，convenience sampling），限制了科学推断。遥感资源——通常是高分辨率光学影像——已革新了种群生态学，尤其在南极等极地地区，现已可对许多物种进行计数。然而，基于遥感的估算仍常局限于便利抽样，而非在能提供更多繁殖种群信息的时段进行观测。本研究提出一种概念验证（proof of concept），利用高分辨率合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）影像在南极冬季探测、计数及追踪帝企鹅（Aptenodytes forsteri）的行为。研究人员使用25–30 cm分辨率的Umbra SAR影像，于2024年冬季采集了6个帝企鹅群的影像，以确定物候（phenology）、获取繁殖种群信息并推进繁殖种群观测的新方法。研究发现帝企鹅在固定冰（fast ice）上可被识别，且基于SAR的观测结果与同期野外观测（Atka Bay）吻合；集群总抱团（huddle）面积与帝企鹅群平均规模呈相关关系，较大群落比较小规模群落占用更多固定冰面积。研究表明结合SAR影像与物候–行为模型可估算冬季帝企鹅繁殖种群规模。鉴于模型预测帝企鹅可能在2100年前趋于准灭绝（quasi-extinct），本研究为了解繁殖种群大致规模与物候提供了重要下一步，此类信息对物种保护及区域保护（如评估约33%帝企鹅栖息的罗斯海海洋保护区，Marine Protected Area, MPA）至关重要。

论文解读：利用高分辨率合成孔径雷达(SAR)影像追踪帝企鹅越冬期行为

该论文由Michelle LaRue等人完成，发表于《Remote Sensing in Ecology and Conservation》。

研究背景与意义

全球生物多样性分布调查存在偏差，偏远地区（如南极）物种监测受限于后勤与可达性，传统调查多为低频的机会性观测即便利抽样（convenience sampling），难以获得可靠的种群数量与趋势数据。甚高分辨率（Very High Resolution, VHR，空间分辨率0.3–1.0 m）光学卫星影像虽已用于探测与计数大型动物（包括阿德利企鹅与帝企鹅），但受云层遮挡及南极冬季无日照限制，光学VHR调查只能于春季进行，代表未知且变动比例的上一冬季繁殖种群，仅为相对丰度指数（abundance indices）而非真实繁殖对数估算。帝企鹅（Aptenodytes forsteri）繁殖季始于南半球秋季并持续整个南极冬季（完全黑暗），此前除极少数靠近科考站的群落外无法在冬季远程观测繁殖种群。模型预测气候变暖致海冰变化可能使帝企鹅在2100年前趋于准灭绝（quasi-extinct），因此获取冬季繁殖种群规模与物候（phenology）信息是保护管理与海洋保护区（Marine Protected Area, MPA）评估的紧迫需求。合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）可穿透云层且不受光照影响，本研究以高分辨率SAR影像为工具，开展冬季帝企鹅群落探测、行为追踪与繁殖种群估算的概念验证。

主要关键技术方法

研究人员选取威德尔海东部Atka Bay及罗斯海7个已知帝企鹅群落（Cape Roget、Coulman Island、Cape Washington、Franklin Island、Beaufort Island、Cape Crozier、Cape Colbeck），通过Umbra Space的SAR星座（Canopy系统）订制获取2024年4–8月25–30 cm分辨率SAR影像（最终成功捕获其中6个群落共122景）。将GeoTiff影像导入ArcGIS Pro进行目视解译，手动勾绘每景影像中企鹅抱团（huddle，在SAR影像上呈亮白色斑点）的多边形并计算单个及总抱团面积（m²），记录各日期抱团数量；计算最小凸多边形（Minimum Convex Polygon, MCP）表征群落占用固定冰（fast ice）范围。以Atka Bay为基准（具同期SPOT相机与摄制组野外记录），比对SAR解译的物候事件（到达、交配、雌鸟离巢觅食、雄鸟孵卵抱团、雌鸟返回/雏鸟孵化）与实地观察以校准解译标准，再将相同流程应用于罗斯海各群落。繁殖对估算采用已发表的Atka Bay物候–环境模型（考虑气温、风速、太阳辐射、湿度影响抱团密度及季节群体波动），假定最小抱团面积对应雄鸟孵卵期（仅雄性在场）推算繁殖对数。

研究结果

3 Results

研究人员发现高分辨率SAR影像可有效探测罗斯海与威德尔海帝企鹅群落，识别企鹅抱团总数与面积并观测冬季物候变化。帝企鹅在SAR影像上表现为固定冰（呈暗色）上的亮白色斑点；Atka Bay可识别出交配期紧实抱团、雌鸟离巢后雄鸟孵卵期少量密集抱团等事件，SAR解译与野外记录吻合（雌鸟离巢SAR滞后约4天，雌鸟返回SAR滞后约2周）。罗斯海各群落中除Beaufort Island与Cape Colbeck因定位偏移未捕获外，其余均成功检测。冬季平均总抱团面积与群落规模对应（Coulman Island最大，Cape Crozier最小）；各群落抱团数量在5–6月达峰值（视为全群繁殖个体在场），7月减至约半数（雄鸟孵卵期）。最小抱团面积出现于7月中旬，据此结合Winterl等人(2024)模型得初步繁殖对估算：Atka Bay 7947对、Cape Crozier 2147对、Cape Roget 5113对、Cape Washington 9464对、Coulman Island 14 886对、Franklin Island 4778对。抱团总占用面积（MCP）与总抱团面积呈相关（r²=0.65），Atka Bay较同等规模罗斯海群落占用更大固定冰面积（更分散）。各群落繁殖物候（首次紧实抱团至雄鸟孵卵间隔）相近（约53–68天），纬度差异未导致显著到达时间差异。

讨论与结论（翻译浓缩）

高分辨率SAR影像可用于探测、计数及监测帝企鹅冬季繁殖季行为与物候，弥补了此前仅能靠邻近科考站零星冬季观测的不足。SAR解译的抱团结构与面积变化对应其生活史：5月交配期为抱团面积与数量峰值，6月初雌鸟离巢觅食后抱团分散，7月仅存雄鸟紧密孵卵抱团（面积最小），8月初雌鸟返回后抱团解散。结合物候–环境模型可从雄鸟孵卵期最小抱团面积推算冬季繁殖对，所得估算符合各群落已知规模预期。SAR对大（Coulman Island约25 000只）小（Cape Crozier约2000只）群落均有良好可探测性，但小于500只的小群落可探测性尚待验证。与光学VHR春季便利抽样不同，冬季SAR观测直接针对繁殖种群，有望消除春季成体–雏鸟比例年际波动带来的偏差。需指出本研究估算为初步结果，尚需地面验证（地面/航拍计数及雏鸟计数）完善模型。研究证明高分辨率SAR与光学VHR结合可全景追踪帝企鹅年周期，为受气候威胁物种的保护管理、种群动态与环境因子关联分析及海洋保护区效益评估提供新手段。未来需进一步开展地面真值验证及更小群落探测能力测试。