在世界各海域，科學家們定期乘船開展調查，以評估海洋生物的分布和豐度。獲得的數據有助于追蹤物種和生態(tài)系統(tǒng)層面的長期變化趨勢，從而為漁業(yè)管理提供科學依據。隨著研究的深入，越來越多的科學家正在探索更高效、低成本的調查方式，同時確保長期采集的數據質量不受影響。

在最近的一項研究（Levine等，2025）中，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的漁業(yè)科學家通過將無人水面艇（USV）的觀測數據與常用的機器學習算法相結合，成功填補了數據缺口。在受新冠疫情影響而無法實施常規(guī)調查的2020年，這一方法使他們能夠有效估算出阿拉斯加海域磷蝦的豐度。

磷蝦Thysanoessa inermis/ NOAA Fisheries

在白令海東部，科學家們通常乘“奧斯卡·戴森（Oscar Dyson）”號調查船進行兩年一次的聲學拖網調查，主要目的是評估狹鱈Gadus chalcogrammus的豐度和分布。作為美國產量最大的商業(yè)捕撈物種，這種魚具有很高的經濟價值。而且，聲學拖網調查也獲得了自2004年起的磷蝦豐度數據。磷蝦是東白令海生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，作為魚類、海鳥和海洋哺乳動物的關鍵食物來源，它們的豐度是評估生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)和獵物資源豐度的重要指標。2020年，聲學拖網調查受新冠疫情的影響而取消，科學家們不得不尋找其他方法來估算磷蝦資源。

起航的“奧斯卡·戴森”號調查船 / Paul Hillman/NOAA Fisheries

為了填補2020年調查的數據缺失，科學家們使用了三架無人水面艇來收集聲學數據。因此，就算常規(guī)調查無法進行，他們也仍然獲得了狹鱈的豐度和分布數據。同時，數據也被用于估算磷蝦的豐度和分布。

該項目的主要研究人員、NOAA阿拉斯加漁業(yè)科學中心的漁業(yè)生物學家邁克·萊文（Mike Levine）表示：“我們使用無人水面艇估算磷蝦豐度面臨的最大挑戰(zhàn)是，與之前乘船出海調查相比，能獲得的信息量較少。受空間等因素的限制，這些無人水面艇攜帶的聲吶儀器必須更緊湊，而且只能采集兩個頻率的聲學數據。NOAA調查船上的標準聲學儀器則可以采集四個頻率的聲波數據?！?/p>

A. “奧斯卡·戴森”號調查船上的聲學儀器，可采集18、38、70、120、200 kHz的聲學數據。B. 無人水面艇上的聲學儀器，為了節(jié)省空間和功率，只能采集38、200 kHz的數據 / NOAA Fisheries

也就是說，在傳統(tǒng)調查中是使用四個頻率的聲學數據來識別磷蝦的，而無人水面艇采集的兩個頻率的聲學數據經標準處理算法得出的估計值不確定性更大，導致磷蝦的豐度被高估。

無人水面艇調查數據生成的回聲圖展示了科學家如何通過聲學手段識別磷蝦。磷蝦在38 kHz處具有較弱的聲散射（A），在200 kHz處則表現出較強的聲散射（B）。相比之下，魚類在38 kHz和200 kHz下均顯示出較強的聲散射。這種聲散射特性的差異使得科學家能夠利用聲學方法有效區(qū)分磷蝦與其他生物。C圖為僅顯示識別出的磷蝦的情況 / NOAA Fisheries

為了解決這一問題，科學家們采用了一種名為“隨機森林算法”的簡單的機器學習方法，用以往乘調查船獲得的四頻率數據訓練模型識別磷蝦。隨后，他們在未用于訓練的四頻率數據中運行該方法，評估模型的性能，并將結果與基于四頻率的標準方法進行對比。

隨機森林算法在此次應用中表現出色。它能夠對缺失年份的標準調查數據做出可比的估計。盡管2020年沒有進行船上調查，科學家們仍能繼續(xù)構建時間序列。然而，由于拖網采樣數量減少，科學家們失去了獲取其他重要生物信息（如種類和大小）的機會。

阿拉斯加漁業(yè)科學中心的漁業(yè)生物學家亞歷克斯·德·羅伯蒂斯（Alex De Robertis）表示：“在許多情況下，缺少拖網采樣是限制無人水面艇替代調查船的主要因素。在本研究中，無人水面艇很好地填補了一年數據的缺失，因為我們同時利用了多年的種類和平均大小等信息來評估白令海東部的磷蝦。然而，直接采樣仍然是有必要的，否則可能會錯過磷蝦大小、物種組成或分布范圍的長期變化。因此，通過持續(xù)的拖網采樣獲取聲學數據才是謹慎的做法?！?/p>

大規(guī)模調查可能因多種原因中斷，例如機械故障、儀器故障，甚至疫情等突發(fā)事件。無人水面艇為應對長期調查中的一些突發(fā)情況提供了一種實用的解決方案。然而，無人水面艇采集的數據與常規(guī)調查數據相比可能有差異或缺漏。這項研究的意義在于展示如何利用機器學習方法挖掘出數據的最大價值。

科學家們發(fā)現，隨機森林算法不僅簡便、直觀，而且能有效適應調查方法變更或數據差異，是一種可靠的替代分析工具。

參考文獻：

Levine M, De Robertis A, 2025. Making do with less: Extending an acoustic-based time series of euphausiid abundance using an uncrewed surface vehicle with fewer frequencies[J].Fisheries Research, 282: 107270.

本文翻譯自www.fisheries.noaa.gov網站文章“Scientists Use Uncrewed Surface Vehicle to Estimate Krill Abundance in Alaska”（點擊“閱讀原文”查看）。原文作者：Alaska Fisheries Science Center。譯者：員外。翻譯僅供交流研究之用。