“無(wú)人機(jī)+紅外熱成像”助力蜘蛛猿等猿類(lèi)物種研究
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無(wú)人機(jī)上熱像儀拍攝的地面初步測(cè)量數(shù)據(jù)示例
圖為無(wú)人機(jī)上熱像儀拍攝的地面初步測(cè)量數(shù)據(jù)示例。從圖中可看到兩只蜘蛛猿;圖右側(cè)為偽彩色熱成像溫標(biāo)。利用該數(shù)據(jù),可預(yù)估蜘蛛猿的體表溫度在30℃左右。
野生動(dòng)物保護(hù)者通常依據(jù)精確的動(dòng)物種群數(shù)量來(lái)采取相關(guān)保護(hù)決定及行動(dòng);然而,由于進(jìn)行實(shí)地勘查非常困難且花費(fèi)巨大,大部分樹(shù)棲物種的相關(guān)數(shù)據(jù)非常缺乏實(shí)效性。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道,一支研究團(tuán)隊(duì)為了克服這些挑戰(zhàn),使用搭載了紅外熱像儀(TIR camera)的無(wú)人機(jī)來(lái)監(jiān)控Los Arboles Tulum地區(qū)吼猴、蜘蛛猿及猩猩等靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物種群的數(shù)量,Los Arboles Tulum是一片距墨西哥金塔納羅奧州地區(qū)圖盧姆(Tulum)約14公里的住宅開(kāi)發(fā)區(qū)。在該地區(qū),每2公頃土地上的房屋只允許占據(jù)5%的土地,因此到目前為止,這片400公頃土地98%的面積仍然是森林。
該項(xiàng)目表明,搭載紅外熱像儀的無(wú)人機(jī)可成功地用于確認(rèn)郁閉林冠森林中蜘蛛猿的存在及數(shù)量。這類(lèi)植被為中常綠喬木,樹(shù)高約30米,地形相對(duì)平坦。
研究方法
該技術(shù)可應(yīng)用于在有其他體型相似物種大量停留的林冠區(qū)域中確定蜘蛛猿的分布及種群數(shù)量,使用紅外熱像儀可準(zhǔn)確地將蜘蛛猿與其他物種區(qū)分。由于與周?chē)h(huán)境和物種相比,蜘蛛猿的體溫相對(duì)較高,因此使用紅外熱像儀很容易發(fā)現(xiàn)他們。由于它們經(jīng)?;顒?dòng)在森林樹(shù)冠頂部,并且往往睡在樹(shù)枝末端,因此在空中觀測(cè)比地面有著明顯優(yōu)勢(shì)。自2016年11月起,研究人員對(duì)生活在Los Arboles Tulum的蜘蛛猿持續(xù)進(jìn)行研究,它們也已經(jīng)習(xí)慣人類(lèi)的存在。
圖片
無(wú)人機(jī)搭載的融合相機(jī)所拍攝的紅外熱成像圖片
上圖為無(wú)人機(jī)搭載的融合相機(jī)所在A、B兩點(diǎn)飛行期間所記錄的紅外熱成像圖片,左圖為2018年6月20日19:30睡眠位置A,右圖為2018年6月20日5:45分睡眠位置B。兩次飛行高度都在地面以上70米,大約在樹(shù)冠以上40 - 45米。右側(cè)為與偽彩色熱成像圖像相對(duì)應(yīng)的溫標(biāo)。蜘蛛猿的位置用箭頭標(biāo)出,圓圈表示一位人類(lèi)觀察者在地上數(shù)猿類(lèi)的數(shù)量。在研究這些熱紅外數(shù)據(jù)時(shí),也會(huì)在這些圖像中看到一些混淆熱源,特別是夜間勘查搜尋時(shí)(左圖),例如,一些樹(shù)枝在白天吸收了太陽(yáng)的熱量,晚上就會(huì)成為明亮的熱源。
研究設(shè)備
本研究所使用的無(wú)人機(jī)是一架550mm四軸飛行器,其擠制鋁材框架由懸臂和玻璃纖維板構(gòu)成,可提供最優(yōu)的重量強(qiáng)度性能;該無(wú)人機(jī)由14.8V鋰聚合物電池提供動(dòng)力,當(dāng)無(wú)人機(jī)安裝紅外熱像儀時(shí),該電池可提供約10分鐘的飛行時(shí)間。Pixhawk 2.1自動(dòng)駕駛儀用于運(yùn)行開(kāi)源的ArduCopter固件,可在配置和操作系統(tǒng)時(shí)提供高度靈活性。自動(dòng)駕駛儀配置為允許手動(dòng)駕駛或自動(dòng)(預(yù)編程)飛行。在本研究的所有飛行過(guò)程中,熱像儀均以90度的垂直角度向下。
為了比較地面勘查與無(wú)人機(jī)勘查中蜘蛛猿的數(shù)量,研究小組首先需要確定蜘蛛猿是否會(huì)在17:30到19:00之間出現(xiàn)在它們睡眠位置。一旦確認(rèn),他們會(huì)駕駛無(wú)人機(jī)飛越蜘蛛猿睡眠點(diǎn),地面勘查會(huì)在同一時(shí)間在睡眠位置統(tǒng)計(jì)數(shù)量;接著,第二天日出之前會(huì)在同一位置使用兩種方法再統(tǒng)計(jì)一遍,并比較無(wú)人機(jī)和地面勘查的夜間和早晨的數(shù)據(jù)。
測(cè)試過(guò)程及相關(guān)分析
為了對(duì)猿類(lèi)進(jìn)行空中勘查,需要預(yù)先在睡眠位置地面以上60 - 70米的無(wú)人機(jī)飛行范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)先編程的網(wǎng)格飛行(grid flight)。網(wǎng)格飛行時(shí)間約4至8分鐘之間,具體時(shí)間取決于被測(cè)場(chǎng)地的面積、飛行高度以及為畫(huà)面所選的重疊與旁向重疊的百分比。此外,完成睡眠位置繞單棵樹(shù)冠飛行、4次懸停的飛行時(shí)間為5分鐘。2018年6月10日至23日期間,在選定的3個(gè)睡眠位置,進(jìn)行了33次無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀飛行(29次網(wǎng)格飛行和4次懸停飛行)。猿類(lèi)對(duì)無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)的反應(yīng)是改變位置或向下移動(dòng)幾米。一旦無(wú)人機(jī)勘查完成(通常是在勘查開(kāi)始6 - 10分鐘后),許多猿類(lèi)都會(huì)回到原來(lái)的位置。研究中,不止一次出現(xiàn)一只猿類(lèi)對(duì)頭頂上的無(wú)人機(jī)發(fā)出尖叫聲。盡管如此,這些猿類(lèi)對(duì)無(wú)人機(jī)的反應(yīng)并沒(méi)有引發(fā)任何異常變化。例如,在無(wú)人機(jī)開(kāi)始勘查前在玩的幼猿,在整個(gè)飛行期間還是繼續(xù)玩耍。
地面勘查(即由地面觀察員計(jì)數(shù)猿類(lèi)的數(shù)量),由五名經(jīng)驗(yàn)豐富的觀察員完成勘查,為其配備雙筒望遠(yuǎn)鏡,以協(xié)助計(jì)算猿類(lèi)數(shù)目,并利用全球定位系統(tǒng)(GPS)標(biāo)記猿類(lèi)亞群的位置。檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)計(jì)數(shù)與地面測(cè)量的一致性,研究進(jìn)行了一致性分析。為了便于比較,將無(wú)人機(jī)飛行的紅外熱成像視頻的子樣本編輯成20個(gè)30秒長(zhǎng)的視頻。
研究結(jié)論
在進(jìn)行這些基于無(wú)人機(jī)的物種計(jì)數(shù)試驗(yàn)中,通過(guò)比較無(wú)人機(jī)獲得的大量數(shù)據(jù)集與同時(shí)間地面勘查的結(jié)果,研究人員能夠證明紅外熱像儀可作為一項(xiàng)可行且有效的研究方法,來(lái)獲取郁閉林冠森林中蜘蛛猿的存在及數(shù)量數(shù)據(jù)。研究中使用了網(wǎng)格飛行和懸停飛行兩種方式,以確定這兩種方法來(lái)探測(cè)和計(jì)數(shù)蜘蛛猿的可行性。
此外,無(wú)人機(jī)獲得的紅外熱成像數(shù)據(jù)可用于改進(jìn)物種分布模型、計(jì)算種群密度。研究人員認(rèn)為,利用紅外熱成像技術(shù)可以幫助填補(bǔ)現(xiàn)有關(guān)于蜘蛛猿分布及數(shù)量的知識(shí)空白。
此研究項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家地理學(xué)會(huì)(National Geographic Society,WW-198EC-17)、英國(guó)科學(xué)和技術(shù)設(shè)施理事會(huì)全球挑戰(zhàn)研究基金(UK Science and Technology Facilities Council Global Challenges Research Fund,ST/R002673/1)和Los Arboles Tulum共同資助
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