最近，南极首次发现了一只金黄色的企鹅，这只企鹅被戏称为“网红”，引起了众多网友的关注。这些憨态可掬的企鹅一直以来都受到大众的喜爱，而它们的繁衍得以顺利进行，离不开动物保护机构和科研人员的努力与探索。
憨态可掬的南极企鹅
实验为南极企鹅的保护开辟了新天地
来自加州的斯坦福航空航天工程系副教授Mac SchwageR及其团队正在进行一项重要的研究工作。
在2019年，SchwageR带着他的学生、企鹅毛绒玩具和无人机，来到圣克拉拉的一块无人机爱好者聚集地。在这里，他们将企鹅毛绒玩具散布在空地上，并利用无人机和定制的软件进行航拍路线的规划。
这一实验看似简单，实际上是科研小组为前往南极记录和研究企鹅群体做的准备。不久后，无人机将飞越克罗泽角，这里是全球最大的阿德利企鹅栖息地之一，居住着超过30万对阿德利企鹅。尽管这里缺乏电力和水源，甚至无法满足人类的基本生活需求，却是进行重要科学研究的地方：统计企鹅数量。
克罗泽角每年都会有大量阿德利企鹅繁殖，科研人员希望能够准确了解在南极夏季（大约10月至2月）这里栖息的企鹅数量，以及企鹅种群数量的波动是否与冰层海平面的季节性变化有关。
进行如此大规模的企鹅数量统计与研究，是因为全球变暖对企鹅的影响远比我们想象的更为严重。全球变暖导致的海冰融化，不仅使许多企鹅失去了抚养幼崽的栖息地，过度捕捞也让它们的食物短缺，企鹅的数量正在急剧下降。观察企鹅数量将有助于加强保护工作。
无人机进入南极的研究
过去，统计企鹅数量的方式主要依赖人工标记，以及通过标记企鹅数量、巢的密度和整个栖息地的面积等数据来估算总数。这种方法并不完美，利用直升机进行勘测不仅成本高，而且噪音可能会干扰栖息地的企鹅，因此手动标记曾是最可行的选择。
回到2016年6月，生物学家Annie ScHMidt在一次聚会上遇到了Mac SchwageR。在交谈中，SchwageR提到了无人机的潜在优势：无人机可以以非侵入性的方法获取高质量数据，且成本相对较低。只要方法得当，无人机不仅能够替代人工搜寻和统计的过程，还能迅速获取有价值的数据。
这次交谈让Annie ScHMidt看到了企鹅研究的希望。2017年，科研小组选择了五架无人机，并与在读博士Kunal Shah合作，开始探索如何优化航线算法，以高效获取企鹅栖息地的数据。
航线规划的高效性
在南极上空进行勘测并非易事。降雪、冻雨和每小时高达100英里的冷风等恶劣天气限制了无人机的飞行窗口。同时，极端低温也限制了无人机的续航时间，而活动的企鹅要求科研人员快速拍照，以减少重复计数。因此，传统的网格模式飞行显然不适合这样的环境。
若要绘制一个大量企鹅聚集的崎岖栖息地的地图，科研人员需要确定空中摄影高度、地面分辨率和航线重叠率，并制定航线规划算法，形成一个覆盖该区域的网格。Kunal认为，进行高效数据获取的航线规划需要满足两个条件：遍历性和不重复性，确保每架无人机都能在每个路径点拍照，但不发生重叠。
最终，飞行航线算法应运而生。
该算法并非单一的字形路线，而是在一个区域内叠加多架无人机的复杂飞行轨迹。在确认需要拍摄的照片数量、覆盖面积、飞行时间和无人机数量的基础上，该算法为目标区域划分格点并分配GPS坐标来规划航线。这些坐标不仅能让无人机精准定位，并适应克罗泽角复杂的地形，还能确保无人机的飞行高度不干扰企鹅的栖息地。
最终形成的航线规划包含多个巧妙的飞行路线，确保所有图像都能被拍摄到，同时避免路径重复。此外，航线的起始点与结束点设定在同一位置，简化了安全着陆的过程。
无人机航拍路线图示意图
这种航线规划不仅减少了飞行勘测的时间，还保证了测算范围的广泛性，并能在调查期间随时安全召回无人机。与之前使用单架无人机的方式相比，完成任务的时间从超过两天缩短至约3小时，效率无可比拟。
在地面分辨率约为1.5厘米/像素，重叠率为60%的情况下，通过无人机拍摄的图像总大小高达10GB。这些图像被上传至拼接软件，生成一幅巨大的航拍镶嵌图。Kunal表示，随后将该图像发送至机器学习管道，自动识别并统计图像中的企鹅数量。
最终生成的高分辨率密集图像
在项目实施过程中，无人机的效率令Kunal感到惊叹。无人机的创新性应用以及与企鹅共处的独特体验，成为Kunal持续参与南极企鹅科研工作的主要动力。
无人机的应用将工程研究领域带入了新的变革
这项研究成果被撰写成论文，在《Science Robotics》杂志上发表。论文摘要总结了多架无人机与算法结合进行航拍所带来的效率优势：
无人机在大约3小时内勘测了2平方公里的区域，而以往使用人工驾驶的无人机勘测同一片栖息地需耗时超过2天。我们的方法减少了重复飞行的路径，降低了勘测时间，同时在勘测期间可以随时安全召回无人机。这种方法同样可以应用于其他领域，例如在恶劣天气条件下或救灾过程中进行山火调查。
目前，科研小组已将此技术应用于加利福尼亚州鸟类和家畜的运动变化追踪。气候变化和生态保护让我们重新审视世界，而科技则是推动世界改善的重要工具。搭载人工智能和自动化的无人机，正赋予我们更高的效率，并将在创新的前沿领域得到越来越广泛的应用。
