近日，南極首次發(fā)現(xiàn)一只金黃色企鵝，這只被戲稱是“充了黃鉆”的企鵝搖身一變成為“網(wǎng)紅”，引發(fā)了不少網(wǎng)友的關(guān)注。憨態(tài)可掬的企鵝們一直都深受大眾的喜愛，而這些小家伙兒們得以順利繁衍，離不開動物保護機構(gòu)、科考人員的科研探索和堅守。

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憨態(tài)可掬的南極企鵝

“滑稽”實驗打開南極企鵝保護的新大門

來自加州的斯坦福航空航天工程系副教授 Mac Schwager 和他的伙伴們就正在做著這項意義深遠的事情。

2019 年，Schwager 帶著他的學(xué)生，拉著一車企鵝毛絨玩具和無人機，來到了圣克拉拉的一塊無人機愛好者空地。在這里，他們把企鵝毛絨玩具散落在空地上，然后駕駛無人機，用特殊的定制軟件，對毛絨玩具進行航拍路線規(guī)劃。

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這看似“滑稽”的試驗，事實上是科研小組前往南極記錄和研究企鵝群體前的“練兵”。不久后，無人機將飛越一片全由巖石和冰層覆蓋的不毛之地——克羅澤角 (Cape Crozier) ，這里是全球最大的阿德利企鵝棲息地之一，住著 30 多萬對阿德利企鵝。這里沒有電、沒有水，甚至連人類最基本的日常生活需求都無法滿足，但卻進行著一項重要的科學(xué)研究：研究統(tǒng)計企鵝。

在南極給企鵝做“人口普查”，這多少聽起來有些“瘋狂”?？肆_澤角每年都會聚集大量阿德利企鵝繁衍后代，科研人員希望能夠精確了解在 10 月至 2 月左右的南極夏季，有多少企鵝棲息在這里，以及企鵝種群數(shù)量的波動與冰凍層海平面的季節(jié)性下降之間是否有關(guān)系。

而如此大費周章的統(tǒng)計企鵝數(shù)量、進行研究，是因為全球變暖對企鵝帶來的影響遠比我們想象的嚴重。全球變暖導(dǎo)致的海冰破裂，不僅讓不少企鵝喪失了撫養(yǎng)幼崽的珍貴場所。因過度捕撈的影響，企鵝的食物也越來越缺乏，企鵝種群的數(shù)量正在大幅減少。而對于企鵝的數(shù)量觀察，則有助于更好的加強企鵝保護工作。

一次聚會，讓無人機飛入南極上空

過去，對于企鵝數(shù)量的統(tǒng)計方式，還停留在手動標記，并通過標記企鵝數(shù)量、企鵝巢的密度以及整個群棲地的總體面積等數(shù)據(jù)，估算企鵝總數(shù)。這種方法完美嗎？當(dāng)然不。但如果使用直升機進行勘測，不僅成本高，因高度要求而帶來的噪音還有可能會驚擾到棲息地的企鵝，因此手動標記似乎成為當(dāng)時最好的選擇。

時間回到 2016 年 6 月，從事企鵝研究工作的生物學(xué)家 Annie Schmidt 在一次聚會中偶遇 Mac Schwager。在交談中，Schwager 談到了使用無人機的潛在優(yōu)勢：無人機能夠以非侵入性的方式獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，而且成本相對較低。只要方法得當(dāng)，無人機不僅可以讓科學(xué)家們擺脫人工搜尋和統(tǒng)計標記的企鵝這件苦差事，而且能幫助他們在很短的時間內(nèi)就能輕松獲取極有價值的數(shù)據(jù)。

這次交談，無疑讓 Annie Schmidt 看到了企鵝研究工作的曙光。2017 年，該科研小組挑選了五架無人機，并與在讀博士 Kunal Shah 合作，開始探索如何優(yōu)化勘測飛行航線算法，高效獲取企鵝棲息地數(shù)據(jù)。

高效的航線規(guī)劃，無可比擬的效率

想在南極上空順利進行“人口普查”，并沒有那么容易。南極的降雪、凍雨以及每小時高達 100 英里的冷風(fēng)等等惡劣天氣因素，讓無人機的飛行窗口期大幅縮減。同時，極寒的溫度限制了無人機的續(xù)航時間，而四處走動的企鵝則要求科研人員采集拍攝照片的速度要快，才能減少對企鵝的重復(fù)計數(shù)。傳統(tǒng)的網(wǎng)格模式飛行已然不適用這樣的特殊環(huán)境。

無人機起飛若需要將一片大量企鵝聚集的崎嶇棲息地繪制成地圖，假設(shè)已經(jīng)確定了空中攝影高度，地面分辨率和航線重疊率，最后則是需要制定一條“特殊”的航線規(guī)劃算法，形成一張網(wǎng)格以覆蓋該區(qū)域。Kunal 認為，無人機的航線規(guī)劃要達到在最短時間內(nèi)高效獲取數(shù)據(jù)，需要滿足兩個重要的條件，歷遍性和不重復(fù)性。也就是需要計算每架無人機的最高效飛行路線，確保在每個路徑點都會拍攝到一張照片，但不發(fā)生重疊。

最終，這個綽號為“爆米花” （POPCORN）的飛行航線算法誕生了。

"爆米花"的飛行航線規(guī)劃并不是單一的“Z”字形的路線，而是在一片區(qū)域內(nèi)同時疊加多個無人機的曲折路線。在確認需要拍攝的照片數(shù)量、覆蓋面積、飛行時間以及無人機數(shù)量的前提下，該算法給目標區(qū)域劃分格點并分配 GPS 坐標來規(guī)劃路線。這些 GPS 坐標不僅能夠讓無人機精準定位并適應(yīng)克羅澤角高低起伏的地面環(huán)境，還能避免無人機的飛行高度違反企鵝棲息地的空域要求，確保無人機不會干擾到這群穿著“晚禮服”的居民。

最后，“爆米花”形成了一系列多個巧妙“Z”字形飛行路線，既確保能拍攝到所有圖像，又不發(fā)生路徑重復(fù)。此外，航線的起始點和結(jié)束點定在了同一個地方，減少了尋找安全著陸點的麻煩。

無人機航拍路線圖示意圖

“爆米花”的航線規(guī)劃既有助于減少飛行勘測的時間，還能保證測算范圍足夠大，并在調(diào)查期間能夠隨時安全召回?zé)o人機。相比之前，一位飛手駕駛一架無人機執(zhí)行該任務(wù)需要兩天以上的時間才能完成。而使用該路線和多架無人機協(xié)同工作，只需要大約 3 小時就能完成，在效率上無可比擬。

在地面分辨率大約是 1.5 厘米/像素，60% 的重疊率的前提下，通過無人機拍攝的所有圖像總大小高達 10 GB。將圖像全部上傳到拼接軟件中，生成一幅巨大的航拍鑲嵌圖。Kunal 說，“然后將該圖像發(fā)送到機器學(xué)習(xí)管道中，將企鵝挑出歸類，自動統(tǒng)計該巨幅圖像中的企鵝數(shù)量。”

最終生成的高分辨率密集圖像

在項目執(zhí)行中，無人機的效率令 Kunal 驚嘆不已。無人機的創(chuàng)新性科研應(yīng)用和與企鵝共處的稀有體驗成為吸引 Kunal 持續(xù)參與南極企鵝科研工作的重要原因。

無人機應(yīng)用，工程研究領(lǐng)域的一次重大變革

這項工作獲得了前沿性的研究成果，并編撰成論文在《Science Robotics》雜志上發(fā)表。該論文的摘要中總結(jié)了使用多架無人機和“爆米花”算法進行航拍在效率上取得的巨大優(yōu)勢：

“無人機在大約 3 小時內(nèi)勘測了 2 平方公里的區(qū)域。與此相比，以前使用一架人工駕駛的無人機勘測同一片棲息地需要 2 天以上的時間才能完成。我們這種方法減少了重復(fù)飛行路線，從而減少了勘測時間，同時在勘測過程中能隨時安全地召回?zé)o人機。這種方法可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如危險天氣狀況下或救災(zāi)過程中的山火調(diào)查。”

目前，科研小組已運用此技術(shù)來追蹤加利福尼亞州的鳥類和牧場禽畜類的運動變化。氣候變化和生態(tài)保護讓我們重新思考看待世界的方式，而科技是我們推動改善世界的重要工具?？梢钥吹剑钶d人工智能和自動化的無人機讓我們能夠解放雙手釋放效率，將在創(chuàng)新前沿領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。“毫無疑問這一切才剛剛開始，它代表著各個工程研究領(lǐng)域的一次重大變革。”Schwager說。（DJI大疆行業(yè)應(yīng)用）