系留气球系统与先进成像传感器在可持续海洋能源开发中增强海洋野生动物观测的应用

　　为解决海洋能源开发中野生动物监测的难题，太平洋西北国家实验室与桑迪亚国家实验室的研究团队创新性地采用系留气球系统(TBS)结合热成像技术，在加利福尼亚海岸开展为期5天的观测。研究通过55.7小时空中与地面同步监测，发现TBS在50-200米高度配合可变俯仰扫描模式能显著提高灰鲸(Eschrichtius robustus)喷气识别率（比固定模式高21%），机器学习(ML)算法在强光条件下展现出优于人工分析的潜力。该成果为海洋可再生能源开发中的生态评估提供了可扩展的低干扰监测方案，发表于《Marine Biology》。

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海洋生态系统正面临海洋能源(ME)开发的加速发展，但传统监测方法存在明显局限：无人机(UAV)的噪音和移动阴影干扰野生动物，且受环境因素（如能见度、太阳眩光）制约；人工观测效率低下且难以实现全天候覆盖。如何实现高效、低干扰的野生动物监测，成为平衡能源开发与生态保护的关键科学问题。

太平洋西北国家实验室与桑迪亚国家实验室的Alicia Amerson和Darielle Dexheimer团队在《Marine Biology》发表的研究中，创新性地将系留气球系统(TBS)与多光谱传感器结合，于2024年1月在加利福尼亚花岗岩峡谷开展系统性观测。研究发现，TBS在50-200米高度配合可变俯仰扫描模式，灰鲸喷气检测率比固定模式提升4.7倍；机器学习算法在强光条件下识别率超越人工分析34%，为海洋可再生能源开发的生态影响评估提供了突破性解决方案。

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研究采用三项关键技术：1）搭载中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)传感器的TBS系统，通过差分全球导航卫星系统(GNSS)实现厘米级定位；2）设计可变俯仰扫描（-3°至-75°）、固定俯仰（-4°）和悬停三种飞行模式；3）Toyon公司的鲸喷检测算法，基于卷积3D(C3D)架构处理热成像视频，训练数据集包含14,356个鲸喷样本。

??TBS与传感器配置??
128立方米氦气球搭载ICI Mirage 640 P（MWIR）和8640（LWIR）热像仪，配合27mm/11mm镜头组合。校准实验显示，MWIR相机在低温环境下检测性能优于LWIR，27mm镜头对7米长目标的识别距离达3.3公里，是表面相机的2.2倍。

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??物种检测效率对比??
空中系统累计识别59头灰鲸和100个鸟类目标，而地面观测记录1,409头灰鲸。同步观测时段，TBS独检出21%的鲸喷和34%的鸟类目标，尤其在200米高度时视野优势显著。昼夜对比显示，ML算法在强光下的独检率超过人工分析，揭示其弥补人工视觉局限的潜力。

??飞行模式优化??
可变俯仰扫描以4.7次/小时的鲸喷检测率成为最优方案，但135分钟的全周期扫描导致操作疲劳。数据表明75.8%的鲸喷出现在1-2.5公里范围内，这为未来监测系统设计提供了关键参数。

??机器学习效能评估??
Toyon算法处理表面影像时识别1,281次鲸喷，与人工结果（1,121次）重合率69%。但当前ML处理成本是人工的5倍，且依赖静态背景的特性限制了其在移动平台的应用。

这项研究确立了TBS在海洋野生动物监测中的技术优势：其低噪音特性（相比UAV）减少对动物的干扰，可变高度适应不同监测需求，热成像与ML的结合实现全天候作业。尤为重要的是，研究首次量化了TBS在真实海洋环境中的性能参数，为监管机构制定ME开发的环境评估标准提供了数据支撑。团队建议未来研究应聚焦于：1）自动化扫描模式开发以降低操作强度；2）扩大ML训练数据集以提升成本效益；3）将系统部署于海上风电平台等固定设施实现持续监测。该技术的推广应用，将显著提升我们对海洋能源开发生态影响的认知精度，助力实现可再生能源与生物多样性保护的双赢。

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