紅外相機技術的應用與發(fā)展

紅外相機技術的應用與發(fā)展

20世紀90年代，作為“非損傷”的采樣和記錄技術，紅棕色相機開始應用于野生動物的研究。與傳統手段相比,該技術具有對動物干擾小(Brackman,2000;Weggeetal.,2004;Schipper,2007)、能捕獲難以發(fā)現的物種(Trolle&Kéry,2003;Carboneetal.,2006)、影像資料便于存檔檢索等優(yōu)點(O’Connelletal.,2011),已成為調查物種多樣性、估算動物種群密度、研究棲息地選擇以及記錄動物行為模式的常用手段。紅外相機技術發(fā)展之初,我國的研究者們就已結合珍稀野生動物的科研和保護工作開展了一些早期實踐,如東北虎(Pantheratigrisaltaica,李志興,2003)、大熊貓(Ailuropodamelanoleuca,盧學理等,2005)、雪豹(Pantherauncia,馬鳴等,2006)等。但由于當時相機成本高昂,該技術并沒有得到迅速推廣。近5年來,隨著數碼技術的迅速發(fā)展,紅外相機在造價下降的同時性能亦獲得大幅提高,促進了其應用在全國范圍內的普及。目前,除了科研人員,我國大多數自然保護區(qū)也都在運用紅外相機開展各類型的物種監(jiān)測工作。下文將針對國內紅外相機研究現存的問題,以及該技術在實際應用中的一些限制進行說明并展開討論。1文獻檢索條件經過近20年的研究積累,紅外相機技術在我國野生動物監(jiān)測研究中取得了許多進展。同時,一些限制其發(fā)展的問題也逐漸顯露出來。我們對中國知網(CNKI)中文期刊數據庫、中國期刊網全文數據庫以及WebofScienceTM期刊論文數據庫中收錄的國內相關學術論文進行了檢索,檢索條件為:主題,或論文題目,或摘要,或關鍵詞中含有“紅外相機”、“cameratrap”、“cameratraps”或“camera-trapping”以及“China”的生物學期刊論文。本文選擇了其中以紅外相機監(jiān)測為主要研究內容或手段的中、英文獻49篇,探索了該項研究在內容、方案設計和發(fā)展形勢上存在的問題。1.1動物群落研究目前國內已發(fā)表的與紅外相機技術相關的學術論文,其內容基本包括以下方面:(1)野生動物本底資源及動物多樣性調查,這部分內容約占39%,基本模式為“在某地開展紅外相機監(jiān)測,獲得了哪些物種的影像資料”。其中,一些研究運用物種累積曲線探討了紅外相機的抽樣效果,對該地區(qū)的后續(xù)工作進行了鋪墊(劉芳等,2012;章書聲等,2012);另外一些將監(jiān)測結果與當地的自然環(huán)境特征、人類活動強度等結合討論,探索了影響動物多樣性的潛在因素(王云等,2013);還有一些研究僅是對研究區(qū)域的生物多樣性指數進行簡單的比較和討論,仍停留在“監(jiān)測報告”的階段(陳小榮等,2013;胡天華和李元剛,2013;鄭偉成等,2014)。(2)動物行為學研究,約占23%。比如,對某一動物類群活動節(jié)律的監(jiān)測(章書聲等,2012;劉東志等,2013;趙玉澤等,2013;李峰和蔣志剛,2014),以及關于動物特定行為的探索(薛亞東等,2014;王佳佳等,2014;李敏等,2014)。研究者可從照片或視頻片段中提取行為的類型、發(fā)生的時間等信息,計算研究對象的活動強度指數(relativeactivityindex,RAI)并評估其活動水平(activitylevel,Rowcliffeetal.,2014)。與多樣性調查相比,行為學研究中投入的相機數量較少,但對照片信息的提取和處理要求更高,該類內容在發(fā)表數量上明顯少于多樣性監(jiān)測研究。(3)估算種群數量和分布。該類內容的文獻并不多(如Lietal.,2010;章書聲等,2013;李治霖等,2014),約占21%。盡管目前有多種軟件(Effordetal.,2010;Hines,2010;Gopalaswamy,2012)可以分析相機所得的數據,大大簡化了種群參數估計的過程,該類研究仍需較長時間的數據積累以提高估計的準確性,特別是對于一些遷移性、種群密度低或生活史周期長的物種。(4)方法類。文獻也比較少(如章書聲等,2012;Sietal.,2014),約占17%。目前,國內研究在實驗設計上大都參考O’Brien等(2003,2010)、Rovero等(2014)和O’Connell等(2011)學者的方案(肖治術等,2014b),對于相機布設、信息提取和數據集成(肖治術等,2014a)等關鍵問題,仍基于前人結論開展,缺乏獨立探索。1.2基于采樣結果設置抽樣方式和強度,避免抽樣設計進一步混亂紅外相機監(jiān)測的抽樣方案基于研究目標而生,根據實際情況而定。蔣志剛(2004)曾經指出,在設計行為學實驗時,應當考慮3個關鍵問題:隨機化、重復性和對照實驗。前兩個要素關系到樣本的代表性及是否能進行統計學分析,對于紅外相機監(jiān)測的實驗設計同樣重要。雖然紅外相機監(jiān)測難以實現真正的隨機化抽樣,但應盡量通過“穿插分散”的方式提高樣本代表性,并在上述過程中保證每個相機位點數據的統計獨立性,防止“偽重復抽樣”。若開展梯度比較類型的研究,如對比不同強度的干擾對動物的影響、不同程度的資源投入對某種或某類動物的保護效果等,一定要設置對照樣地。若監(jiān)測物種多樣性,還應注意每個相機位點的數據在時間和空間上的自相關問題,并盡量保證數據的連續(xù)性以及抽樣強度的可比性。建議研究者制定抽樣方案時,結合研究目標、研究區(qū)域本底以及其他相關資料,基于預實驗的結果設置抽樣方式和強度,切勿直接照搬他人的實驗設計。紅外相機監(jiān)測時的抽樣強度指標主要有監(jiān)測時長(捕獲日)和抽樣面積2個參數。在物種多樣性調查中,一般將物種積累曲線(speciesaccumulationcurve,SAC)趨于平緩作為達到足夠抽樣強度的指示。就捕獲日而言:盡管所在的生境類型及研究區(qū)域面積各不相同,國內大部分物種多樣性監(jiān)測的投入都在1,000–3,000個捕獲日之間,只有4項研究投入了10,000捕獲日以上(圖1a)。在我國大部分監(jiān)測樣地,投入2,000個捕獲日左右的監(jiān)測時長,是否已經足夠進行可信的統計推斷?不同生境中,延長或縮短監(jiān)測時長會對推斷的準確性產生何種影響?以上都是需要進一步探索的問題。從結論中提到抽樣面積的多樣性監(jiān)測類文獻來看,53%的研究樣方覆蓋面積小于10km2(圖1b),約40%的文獻并沒有明確提到抽樣面積的具體數值。Mokany等(2013)曾通過群落物種模擬演示α和β多樣性隨抽樣面積變化的情況并用真實物種進行了驗證,指出抽樣面積不足可能會丟失物種組成隨環(huán)境梯度變化的信息,降低對總體多樣性估計的準確性,同時指出抽樣面積至少是整個研究區(qū)域的10%才能對α和β多樣性均做出可信度較高的統計推斷。我們在實踐中亦應考慮面積與物種數的關系,確保抽樣面積能夠說明感興趣的生物學現象或問題。此外,需注意SAC的形狀與采用的擬合函數有關,研究者應避免不恰當擬合導致過早中止抽樣。不僅是物種多樣性監(jiān)測,開展種群生態(tài)學研究,也需要在收集詳盡基礎資料并做好充分預調查的基礎上,結合目標物種在研究區(qū)域內的大致數量和活動范圍,“量體裁衣”式地設置抽樣方式和強度。否則,很可能無法獲得符合要求的數據。1.3發(fā)表的數據分析國內紅外相機監(jiān)測在研究時間和地域上,也呈現出一些較為明顯的趨勢。首先,已發(fā)表的數據主要來自于對亞熱帶常綠闊葉林、暖溫帶落葉闊葉林及溫帶荒漠物種的監(jiān)測,在此三類生境類型中開展工作的文獻占發(fā)表論文總數的70%(圖2)。雖然其余生境中也開展了類似的監(jiān)測工作,但目前公開發(fā)表的數據并不多。當然,從積累研究資料到公開發(fā)表需要時間,相關文獻的數據和信息尚可進一步補充。我們對第一作者單位所在省份和研究區(qū)域所在省份進行統計后發(fā)現,約47%的論文由北京的科研機構所貢獻,12%由浙江的機構所貢獻。近40%的研究在貴州、湖北、河南、四川等省份開展,但本地學者并不是主要的研究力量(圖3)。若能充分調動上述地區(qū)的本地科研力量,不僅能在整體上節(jié)約人力和物資成本,而且能促進當地的紅外相機監(jiān)測研究,有利于領域的長遠發(fā)展。從發(fā)表時間上看,國內絕大多數文獻發(fā)表于2011年之后(圖4a),除了少數研究從開始監(jiān)測到結論發(fā)表的時間超過36個月以外,其余研究該周期都在30個月之內(圖4b)。某一地區(qū)的動物多樣性在時空上是動態(tài)變化的,在相機數量有限的情況下要想捕捉到這種異質性,需要足夠時間和面積的抽樣。僅估算一定面積樣方內某一季節(jié)的α多樣性,并用于解釋地區(qū)物種多樣性是不夠完善的。2使用中有哪些限制？紅外相機技術的優(yōu)勢已為大多數使用者所了解,但該項技術仍存在一些缺陷,具有一定的適用范圍。2.1影響點和抽樣率的因素紅外相機對野生動物的干擾小,但并非毫無影響。首先,相機的存在本身就會引起某些野生動物的注意、好奇或者恐懼(Lehneretal.,1976;Windberg,1996)。研究者在四川唐家河、新疆昆侖山及阿勒泰地區(qū)開展紅外相機監(jiān)測研究時發(fā)現,一些動物,如,大熊貓、棕熊(Ursusarctos)、馬鹿(Cervuselaphus),會由于好奇而“玩弄”相機,弄歪甚至摔壞或踩毀相機(盧學理等,2005;Xuetal.,2008;蔣志剛等,2014)。其次,嗅覺靈敏的物種可能察覺相機散發(fā)的塑料或金屬氣味,以及其上附著的人類氣味(Séquinetal.,2003;Larruceaetal.,2007),并導致個體行為的改變。此外,調查人員在相機周圍活動可能會導致動物避開相機,而多次使用食物誘餌或引誘劑則會使動物將“相機出現”與“食物”或氣味聯系起來,增加動物被紅外相機“捕獲”的幾率(Meeketal.,2014)。如果說上述情況中都只是包含著引起抽樣偏差的潛在因素。那么不容忽視的事實是:相機工作時產生的紅外光、聲波以及超聲波雖然超出了人類的感知范圍,但有些動物卻能感覺到。盡管紅外相機并不發(fā)出可見閃光,一些夜行性動物仍然可以看見其觸發(fā)時發(fā)出的紅外光(Hemmietal.,2000;Newbold&King,2009)。Newbold等(2009)發(fā)現紅外相機LED線路之外的電子元件在工作時會釋放超聲,而有些動物確實能夠聽見這個波段的超聲。Meek等(2014)的研究進一步證明,無論紅外相機處于觸發(fā)還是正常待機狀態(tài),動物都可能發(fā)現紅外相機發(fā)出的視聽信號。然而,研究者們對此卻關注甚少。當然,在野外實踐中,背景環(huán)境一般不可能是完全安靜的,相機的聲音很可能會被背景聲音掩蓋,亦會在傳播過程中衰減(Priceetal.,1988;Pater,2001)。研究者應根據調查目的和內容,決定如何處理上述情況。如果調查目的是獲取調查區(qū)域內某個或某些物種是否存在的信息,那么可以忽略上述因素的影響;如果需要獲取該區(qū)域物種的相對豐富度或數量,那么這些因素可能會通過影響不同個體、不同類群的捕獲率而導致抽樣偏差。而在動物行為學研究中,更應結合目標動物的體型大小、生活史(Huangetal.,2000,2002)、捕食行為、食性偏好(Isley&Gysel,1975)等與視聽能力有關的特征,考慮紅外相機本身釋放的視聽信號對目標的可能影響,謹慎設計研究計劃。2.2紅外攝像機參數設計紅外相機監(jiān)測過程中會產生大量無效或難以識別物種的照片。國外同行正在不斷改進方法,克服相機運用中的限制和困難(比如小型哺乳類監(jiān)測,Wearnetal.,2013)。Rovero等(2014)最近通過研究證明,將難識別照片包含的動物信息進行統計處理后納入分析過程,有助于提高哺乳動物群落多樣性評估的準確性。國內研究者亦應通過實踐,積極探討如何降低無效照片數量、提高圖像數據的可識別度以及挖掘難識別圖像中信息的方法。紅外相機成像質量與其性能、布設方法、參數設置等有關,獲取理想的照片記錄首先應設置合理的參數。重要的參數有:拍攝模式、圖像尺寸、錄像尺寸、連拍張數、錄像長度、最小監(jiān)測時長、靈敏度等。參數設置要依所拍動物習性、當地生境、調查強度和目的等而定,因而正式研究開始前應開展預試驗,對權衡電池電能、存儲卡容量,以及得到理想影像尤為重要。使用者還可以與制造廠商聯系,根據研究需求更改紅外相機的預設參數。如何合理安放相機涉及到拍攝位置、拍攝距離等很多野外工作的細節(jié),也可以在預實驗中積累經驗。我們在2013年和2014年夏、秋季節(jié)對新疆阿勒泰地區(qū)森林獸類的調查中,發(fā)現將相機布設于動物痕跡較多的地點拍攝到動物個體的幾率較高,但這種方法只適用于發(fā)現種類,而不能簡單地用于估計密度(資料整理中,尚未發(fā)表)。2.3不同生境類的物種監(jiān)測結果盡管紅外相機具有諸多優(yōu)點,但有些類群或物種并不適合用該技術進行研究。對不同植被類型的生境內利用紅外相機捕獲鳥類和哺乳類物種數的統計結果表明(圖5),鳥類監(jiān)測主要在暖溫帶落葉闊葉林和亞熱帶常綠闊葉林中開展,不同研究監(jiān)測結果的差異較大。一般來說,森林生境中鳥類無論從多樣性還是個體數量上都應明顯高于哺乳類。然而,許多種類由于體型小、飛行速度快、活動區(qū)域離地面較遠,難以被紅外相機捕獲到清晰影像,增加了調查結果的不確定性。因此,一些研究者提議布設于地面附近的紅外相機更適用于大、中型地棲鳥類的監(jiān)測,而非鳥類物種普查(Badruetal.,2013;Tremaineetal.,2014)。就哺乳類的監(jiān)測結果而言,在不同生境間的物種數沒有顯著差異(F=2.001,P=0.137>0.05)。這一結果也可能是由于相機在捕獲物種類群上的局限性所致,但該假設有待于通過更多的研究積累進行驗證。我們在研究中還發(fā)現,紅外相機對穴居爬行類的監(jiān)測效果并不理想,拍攝中產生的無效照片較多(結果整理中,尚未發(fā)表)。附表1總結了利用紅外相機獲得的不同動物類群的監(jiān)測結果?；谠摫?建議在運用紅外相機開展物種水平研究時,對于體型小、移動速度快、體色與環(huán)境對比度低、外表難以甄別的物種或有形態(tài)相似種同域分布的研究對象時應當謹慎。進行物種分布或種群監(jiān)測研究時,適用于活動范圍較大的動物;進行動物行為研究時,適用于選擇活動范圍狹小的動物。就照片能夠提供的信息量而言,拍攝雌雄異型、第二性征明顯、年齡特征明顯的動物種類可提取更多信息。建議研究者充分利用紅外相機的優(yōu)勢,對一些由于活動隱蔽、難以跟蹤觀察、基礎研究資料貧乏的動物類群(比如夜行性或中小型食肉獸類)開展研究。另外,到目前為止國內紅外相機“捕獲”的野生動物多是歷史考察中已經發(fā)現的種類,極少發(fā)現歷史記錄以外的新種類。在一些研究中雖提到了歷史調查中獲得的物種總數(地區(qū)物種庫容量的指標之一),但僅將其作為背景資料,極少有文獻探討相機捕獲的物種數量、物種組成和已知物種庫之間的關系。若就該方面展開進一步探討,有助于全面理解紅外相機是野生動物調查的補充手段,還是傳統調查的替代方法這一問題。2.4紅外多機儀觀測系統的研究對我國發(fā)表文獻中紅外相機的損毀記錄大致統計后發(fā)現,平均每項研究投入26臺相機的情況下,損失率約為13%。相機丟失或損毀不僅造成財產損失,也影響野外數據的采集。為了避免無關人員偷拿或破壞紅外相機,建議研究者選擇人類活動少的地區(qū)作為布設點,也可以避開人類活動頻繁的時間段,從時間和空間上降低紅外相機被發(fā)現的可能性。若擬開展的研究必須在人類活動較多的區(qū)域取樣(比如,研究實驗區(qū)和核心區(qū)內動物行為或物種組成的差異),可與當地林業(yè)、野生動物管理部門合作,與民眾交流溝通,獲得支持,保護相機安全。針對動物破壞相機的行為,我們曾嘗試將鮮嫩草葉揉碎涂抹在紅外相機表面,以掩蓋相機的氣味,該方法還需進一步開展對照試驗證明其效果?？傊?研究人員應在實踐中積累經驗,在保護相機和拍到動物之間進行權衡,在樣方內選擇最