空中无人机为VIMS的HAB研究提供了最佳地点
众所周知，有害藻华（HABs）很难取样。当生长条件合适时，它们会突然出现，而当生长条件恶化时，它们也会迅速消失。它们也会随着潮汐和水流，甚至是过往船只的尾迹而变化。
现在，威廉玛丽大学弗吉尼亚海洋科学研究所的研究人员正在使用无人机作为“天空中的眼睛”，引导他们的航海同事前往最密集的水华斑块，使VIMS船上的人员以更高的效率和更低的成本收集水样。VIMS的科学家分析这些样本，以确定它们是否含有可能威胁海洋生物或人类健康的有毒藻类。
VIMS的助理教授龚东来表示，无人机为研究有害藻华提供了一个“最佳位置”，飞行高度足够高，可以鸟瞰，但飞行高度足够低，甚至可以分辨出细微的条纹和斑块。它们补充了VIMS研究人员用来可视化花朵的其他崇高工具——来自单引擎飞机的照片来自NASA的卫星图像．
“飞机和卫星提供了更广泛的空间覆盖范围，”VIMS教授Kim Reece说，他已经研究了十多年的藻华。“我们可以飞越整个切萨皮克湾下游。但它在更高的高度，所以你无法获得无人机的分辨率。”
龚说：“另一个因素是成本。“你可以花几千美元买到一架非常好的无人机，”而操作一架单引擎飞机通常每小时要花费数百美元。此外，他的团队可以在几分钟内部署他们的无人机，提供了从VIMS校园或船只观察到约克河水华后几乎立即进行调查的机会。
龚和他的团队使用两架无人机来观察赤潮。最新的是大疆幻影4 Pro四轴飞行器，在锂离子电池充电之前，它可以以每小时45英里的速度飞行30分钟。它的相机配备了一个2000万像素的传感器，可以拍摄高分辨率的静态图像和视频。龚和他的无人机飞行员同事莉迪亚·比恩连（Lydia Bienlien）是VIMS威廉与玛丽海洋科学学院的博士生，他们通过蜂窝连接下载并实时分享这些图像。
偶然的发现
龚是一名物理海洋学家，在今年夏天早些时候发射无人机时，他并没有打算观察藻类的大量繁殖。他在2014年获得了这些照片，用于研究海岸线和沼泽。
龚说：“这是偶然发生的。“当我注意到水中有深色条纹时，我正在驾驶无人机练习。作为一名物理学家，我不知道是什么生物过程导致了它们。所以我拍了照片，并将它们发布到VIMS的邮件列表中，我们就是这样联系在一起的。”
这种联系与Reece， VIMS的同事Iris Anderson教授，以及许多其他VIMS研究赤潮的研究人员有关。他们很快就采用了无人机的实时视觉效果来指导他们在约克河的采样。“在有了这些新工具之前，我们一直有点盲目，”Reece说。
安德森是美国国家科学基金会（National Science Foundation）最近资助的一项研究的首席研究员，该研究旨在帮助更好地理解和模拟藻类大量繁殖如何影响约克河等河口的碳循环。无人机图像正在帮助她的团队更好地使用他们自己的高科技研究仪器。
安德森说：“我们的新赠款使用了一个Dataflow系统。“它附着在船上，这样你就可以以20节的速度沿着河口行驶，同时通过一系列传感器抽水。例如，你可以实时地看到，叶绿素含量高的地方预示着水华。同时，它还测量了许多其他变量，如溶解氧、二氧化碳和营养物质。”
来自Dataflow的测量也有助于描绘bloom的边界。VIMS教授Mark Brush，他带来了河口生产力和建模方面的专业知识他说：“确定水华的空间范围对我们模拟水华对约克河生态系统的影响至关重要。”
但让科考船保持在不断变化的水华边界内是一项挑战。VIMS教授BK Song带来了微生物组和营养循环方面的专业知识，他说：“当你在水面上时，你无法看到你是在水华的中间还是在它的边缘。”
“这就是为什么很难在正确的地方获得样本，”Reece补充道。“花很分散。你可以在一个贴片里（每毫升）取样4万个细胞，在贴片外取样40个细胞——浓度确实有很大的差异。”
“水的化学成分也完全改变了，”安德森说。
“但有了无人机，我们现在可以看到那些补丁在哪里，”里斯说。Gong和Bienlien从VIMS的Gloucester Point校园的一个高处发射无人机，将其飞越约克河，并将他们看到的呼叫给Anderson， Song， Brush和其他VIMS研究人员，以指导他们的数据流路径。
设想一个更广泛的范围
VIMS的研究人员并不满足于无人机在摄影方面的成就，他们设想在未来几年将有更广泛的应用。
龚说：“就像普通的相机一样，无人机的光学传感器可以测量红色、绿色和蓝色的水色。”“但海洋色传感器可以测量多个波段，例如红外波段。有了这些额外的光谱波段，就有可能告诉你水中有什么样的生物。”
“不同的藻类有不同的色素，”安德森解释说，“每一种藻类都吸收特定波长的光。”事实上，Reece的研究小组之前的研究表明，cochlordinium polykrikoides和Alexandrium monilatum这两个主宰当地夏季繁花期的物种有着轻微不同的光谱特征。
“当你在水上时，你可以看到颜色的不同，”里斯说。“亚历山大的颜色更棕色一些；氯离子更红一点。它们的花有点不同，你可以看出来。”
里斯和安德森已经开始与NASA和NOAA的科学家合作开发算法，利用这些光谱差异来区分卫星图像中的两种藻类。现在他们想把这种方法应用到无人机上。
安德森说：“我们已经意识到无人机是多么有用，所以现在我们希望通过在NASA的卫星上添加用于海洋颜色测量的多光谱传感器来提高我们的能力。”
里斯说：“如果能看到无人机拍摄的照片，然后说，‘这朵花是cochlordinium，这朵是Alexandrium’，那就太好了。”“如果NASA和NOAA能够开发出一种算法来区分物种的光谱特征，那么在无人机上添加一个多光谱传感器，并在卫星数据之外使用它，那就太好了。”
龚说：“这会让我们更上一层楼。”“如果我们有一架配备了合适传感器和算法的四轴飞行器，我们就能分辨出海湾里有什么样的生物。”
