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红外相机技术在我国野生动物监测中的应用:问题与限制
发表时间:2016/6/29  点击:1732

红外相机(camera traps, camera trapping)作为一种“非损伤性”的物种调查和记录技术,20世纪90年代开始应用于野生动物研究。与传统手段相比,该技术具有对动物干扰小、能捕获难以发现的物种、影像资料便于存档检索等优点,已成为调查物种多样性、估算动物种群密度、研究栖息地选择以及记录动物行为模式的常用手段。红外相机技术发展之初,我国的研究者们就已结合珍稀野生动物的科研和保护工作开展了一些早期实践,如东北虎、大熊猫、雪豹等。但由于当时相机成本高昂,该技术并没有得到迅速推广。近5年来,随着数码技术的迅速发展,红外相机在造价下降的同时性能亦获得大幅提高, 促进了其应用在全国范围内的普及。目前,除了科研人员,我国大多数自然保护区也都在运用红外相机开展各类型的物种监测工作。下文将针对国内红外相机研究现存的问题, 以及该技术在实际应用中的一些限制进行说明并展开讨论。
1红外相机使用中存在哪些共性的问题?
经过近20年的研究积累,红外相机技术在我国野生动物监测研究中取得了许多进展。同时,一些限制其发展的问题也逐渐显露出来。我们对中国知网(CNKI)中文期刊数据库、中国期刊网全文数据库以及WebofScienceTM期刊论文数据库中收录的国内相关学术论文进行了检索,检索条件为:主题,或论文题目,或摘要,或关键词中含有“红外相机”、“camera trap”、“cameratraps”或“camera-trapping”以及“China”的生物学期刊论文。本文选择了其中以红外相机监测为主要研究内容或手段的中、英文献49篇,探索了该项研究在内容、方案设计和发展形势上存在的问题。
1.1研究内容畸重畸轻
目前国内已发表的与红外相机技术相关的学术论文,其内容基本包括以下方面:(1)野生动物本底资源及动物多样性调查,这部分内容约占39%,基本模式为“在某地开展红外相机监测,获得了哪些物种的影像资料”。其中,一些研究运用物种累积曲线探讨了红外相机的抽样效果,对该地区的后续工作进行了铺垫;另外一些将监测结果与当地的自然环境特征、人类活动强度等结合讨论,探索了影响动物多样性的潜在因素;还有一些研究仅是对研究区域的生物多样性指数进行简单的比较和讨论,仍停留在“监测报告”的阶段。(2)动物行为学研究,约占23%。比如,对某一动物类群活动节律的监测,以及关于动物特定行为的探索。研究者可从照片或视频片段中提取行为的类型、发生的时间等信息,计算研究对象的活动强度指数(relativeactivityindex,RAI)并评估其活动水平(activity level,Rowcliffe et al.,2014)。与多样性调查相比,行为学研究中投入的相机数量较少,但对照片信息的提取和处理要求更高,该类内容在发表数量上明显少于多样性监测研究。(3)估算种群数量和分布。该类内容的文献并不多,约占21%。尽管目前有多种软件(Efford et al.,2010)可以分析相机所得的数据,大大简化了种群参数估计的过程,该类研究仍需较长时间的数据积累以提高估计的准确性,特别是对于一些迁移性、种群密度低或生活史周期长的物种。(4)方法类。文献也比较少,约占17%。目前,国内研究在实验设计上大都参考’Brien等(2003,2010)、Rovero等(2014)和Connell等(2011)学者的方案,对于相机布设、信息提取和数据集成)等关键问题,仍基于前人结论开展,缺乏独立探索。
1.2缺乏关于抽样方案的探讨
红外相机监测的抽样方案基于研究目标而生,根据实际情况而定。蒋志刚(2004)曾经指出,在设计行为学实验时,应当考虑3个关键问题: 随机化、重复性和对照实验。前两个要素关系到样本的代表性及是否能进行统计学分析,对于红外相机监测的实验设计同样重要。虽然红外相机监测难以实现真正的随机化抽样,但应尽量通过“穿插分散”的方式提高样本代表性,并在上述过程中保证每个相机位点数据的统计独立性,防止“伪重复抽样”。若开展梯度比较类型的研究,如对比不同强度的干扰对动物的影响、不同程度的资源投入对某种或某类动物的保护效果等,一定要设置对照样地。若监测物种多样性,还应注意每个相机位点的数据在时间和空间上的自相关问题,并尽量保证数据的连续性以及抽样强度的可比性。建议研究者制定抽样方案时,结合研究目标、研究区域本底以及其他相关资料,基于预实验的结果设置抽样方式和强度,切勿直接照搬他人的实验设计。

红外相机监测时的抽样强度指标主要有监测时长(捕获日)和抽样面积2个参数。在物种多样性调查中,一般将物种积累曲线(species accumulation curve,SAC)趋于平缓作为达到足够抽样强度的指示。就捕获日而言:尽管所在的生境类型及研究区域面积各不相同,国内大部分物种多样性监测的投入都在1,000-3,000个捕获日之间,只有4项研究投入了10,000捕获日以上。在我国大部分监测样地,投入2,000个捕获日左右的监测时长,是否已经足够进行可信的统计推断?不同生境中,延长或缩短监测时长会对推断的准确性产生何种影响?以上都是需要进一步探索的问题。从结论中提到抽样面积的多样性监测类文献来看,53%的研究样方覆盖面积小于10km2,约40%的文献并没有明确提到抽样面积的具体数值。Mokany等(2013)曾通过群落物种模拟演示α和β多样性随抽样面积变化的情况并用真实物种进行了验证,指出抽样面积不足可能会丢失物种组成随环境梯度变化的信息,降低对总体多样性估计的准确性,同时指出抽样面积至少是整个研究区域的10%才能对α和β多样性均做出可信度较高的统计推断。我们在实践中亦应考虑面积与物种数的关系,确保抽样面积能够说明感兴趣的生物学现象或问题。此外,需注意SAC的形状与采用的拟合函数有关,研究者应避免不恰当拟合导致过早中止抽样。不仅是物种多样性监测,开展种群生态学研究,也需要在收集详尽基础资料并做好充分预调查的基础上,结合目标物种在研究区域内的大致数量和活动范围,“量体裁衣”式地设置抽样方式和强度。否则,很可能无法获得符合要求的数据。

1.3研究发展不均衡
国内红外相机监测在研究时间和地域上,也呈现出一些较为明显的趋势。首先,已发表的数据主要来自于对亚热带常绿阔叶林、暖温带落叶阔叶林及温带荒漠物种的监测,在此三类生境类型中开展工作的文献占发表论文总数的70%。虽然其余生境中也开展了类似的监测工作,但目前公开发表的数据并不多。当然,从积累研究资料到公开发表需要时间,相关文献的数据和信息尚可进一步补充。
红外感应相机
我们对第一作者单位所在省份和研究区域所在省份进行统计后发现,约47%的论文由北京的科研机构所贡献,12%由浙江的机构所贡献。近40%的研究在贵州、湖北、河南、四川等省份开展,但本地学者并不是主要的研究力量。若能充分调动上述地区的本地科研力量,不仅能在整体上节约人力和物资成本,而且能促进当地的红外相机监测研究,有利于领域的长远发展。从发表时间上看,国内绝大多数文献发表于2011年之后,除了少数研究从开始监测到结论发表的时间超过36个月以外,其余研究该周期都在30个月之内。某一地区的动物多样性在时空上是动态变化的,在相机数量有限的情况下要想捕捉到这种异质性,需要足够时间和面积的抽样。仅估算一定面积样方内某一季节的α多样性,并用于解释地区物种多样性是不够完善的。
野外动物触发相机
野外远红外动物触发相机
2红外相机技术在应用中有哪些限制?
红外相机技术的优势已为大多数使用者所了解,但该项技术仍存在一些缺陷,具有一定的适用范围。
2.1动物能够发现红外相机
红外相机对野生动物的干扰小,但并非毫无影响。首先,相机的存在本身就会引起某些野生动物的注意、好奇或者恐惧。研究者在四川唐家河、新疆昆仑山及阿勒泰地区开展红外相机监测研究时发现,一些动物,如大熊猫、棕熊(Ursus arctos)、马鹿(Cervus elaphus),会由于好奇而“玩弄”相机,弄歪甚至摔坏或踩毁相机。其次,嗅觉灵敏的物种可能察觉相机散发的塑料或金属气味,以及其上附着的人类气味,并导致个体行为的改变。此外,调查人员在相机周围活动可能会导致动物避开相机,而多次使用食物诱饵或引诱剂则会使动物将“相机出现”与“食物” 或气味联系起来,增加动物被红外相机“捕获 的几率。
如果说上述情况中都只是包含着引起抽样偏差的潜在因素。那么不容忽视的事实是:相机工作时产生的红外光、声波以及超声波虽然超出了人类的感知范围,但有些动物却能感觉到。尽管红外相机并不发出可见闪光,一些夜行性动物仍然可以看见其触发时发出的红外光。Newbold等(2009)发现红外相机LED线路之外的电子元件在工作时会释放超声,而有些动物确实能够听见这个波段的超声。Meek等(2014)的研究进一步证明,无论红外相机处于触发还是正常待机状态,动物都可能发现红外相机发出的视听信号。然而,研究者们对此却关注甚少。当然,在野外实践中,背景环境一般不可能是完全安静的,相机的声音很可能会被背景声音掩盖,亦会在传播过程中衰减。
研究者应根据调查目的和内容,决定如何处理上述情况。如果调查目的是获取调查区域内某个或某些物种是否存在的信息,那么可以忽略上述因素的影响;如果需要获取该区域物种的相对丰富度或数量,那么这些因素可能会通过影响不同个体、不同类群的捕获率而导致抽样偏差。而在动物行为学研究中,更应结合目标动物的体型大小、生活史、捕食行为、食性偏好等与视听能力有关的特征,考虑红外相机本身释放的视听信号对目标的可能影响,谨慎设计研究计划。
2.2影像识别的限制
红外相机监测过程中会产生大量无效或难以识别物种的照片。国外同行正在不断改进方法,克服相机运用中的限制和困难。Rovero等(2014)最近通过研究证明,将难识别照片包含的动物信息进行统计处理后纳入分析过程, 有助于提高哺乳动物群落多样性评估的准确性。国内研究者亦应通过实践,积极探讨如何降低无效照片数量、提高图像数据的可识别度以及挖掘难识别图像中信息的方法。红外相机成像质量与其性能、布设方法、参数设置等有关,获取理想的照片记录首先应设置合理的参数。重要的参数有:拍摄模式、图像尺寸、录像尺寸、连拍张数、录像长度、最小监测时长、灵敏度等。参数设置要依所拍动物习性、当地生境、调查强度和目的等而定, 因而正式研究开始前应开展预试验,对权衡电池电能、存储卡容量,以及得到理想影像尤为重要。使用者还可以与制造厂商联系,根据研究需求更改红外相机的预设参数。如何合理安放相机涉及到拍摄位置、拍摄距离等很多野外工作的细节,也可以在预实验中积累经验。我们在2013年和2014年夏、秋季节对新疆阿勒泰地区森林兽类的调查中,发现将相机布设于动物痕迹较多的地点拍摄到动物个体的几率较高,但这种方法只适用于发现种类,而不能简单地用于估计密度(资料整理中,尚未发表)。
2.3研究对象的限制
尽管红外相机具有诸多优点,但有些类群或物种并不适合用该技术进行研究。对不同植被类型的生境内利用红外相机捕获鸟类和哺乳类物种数的统计结果表明,鸟类监测主要在暖温带落叶阔叶林和亚热带常绿阔叶林中开展,不同研究监测结果的差异较大。一般来说,森林生境中鸟类无论从多样性还是个体数量上都应明显高于哺乳类。然而,许多种类由于体型小、飞行速度快、活动区域离地面较远,难以被红外相机捕获到清晰影像,增加了调查结果的不确定性。因此,一些研究者提议布设于地面附近的红外相机更适用于大、中型地栖鸟类的监测,而非鸟类物种普查。就哺乳类的监测结果而言,在不同生境间的物种数没有显著差异(F=2.001,P=0.137> 0.05)。这一结果也可能是由于相机在捕获物种类群上的局限性所致,但该假设有待于通过更多的研究积累进行验证。我们在研究中还发现,红外相机对穴居爬行类的监测效果并不理想,拍摄中产生的无效照片较多(结果整理中,尚未发表)。总结了利用红外相机获得的不同动物类群的监测结果。基于该表, 建议在运用红外相机开展物种水平研究时,对于体型小、移动速度快、体色与环境对比度低、外表难以甄别的物种或有形态相似种同域分布的研究对象时应当谨慎。进行物种分布或种群监测研究时,适用于活动范围较大的动物;进行动物行为研究时,适用于选择活动范围狭小的动物。
动物触发相机
就照片能够提供的信息量而言,拍摄雌雄异型、第二性征明显、年龄特征明显的动物种类可提取更多信息。建议研究者充分利用红外相机的优势,对一些由于活动隐蔽、难以跟踪观察、基础研究资料贫乏的动物类群(比如夜行性或中小型食肉兽类)开展研究。另外,到目前为止国内红外相机“捕获”的野生动物多是历史考察中已经发现的种类,极少发现历史记录以外的新种类。在一些研究中虽提到了历史调查中获得的物种总数(地区物种库容量的指标之一),但仅将其作为背景资料,极少有文献探讨相机捕获的物种数量、物种组成和已知物种库之间的关系。若就该方面展开进一步探讨,有助于全面理解红外相机是野生动物调查的补充手段,还是传统调查的替代方法这一问题。
2.4红外相机在野外的安全保障问题
对我国发表文献中红外相机的损毁记录大致统计后发现,平均每项研究投入26台相机的情况下,损失率约为13%。相机丢失或损毁不仅造成财产损失,也影响野外数据的采集。为了避免无关人员偷拿或破坏红外相机,建议研究者选择人类活动少的地区作为布设点,也可以避开人类活动频繁的时间段,从时间和空间上降低红外相机被发现的可能性。若拟开展的研究必须在人类活动较多的区域取样(比如研究实验区和核心区内动物行为或物种组成的差异),可与当地林业、野生动物管理部门合作,与民众交流沟通,获得支持,保护相机安全。针对动物破坏相机的行为,我们曾尝试将鲜嫩草叶揉碎涂抹在红外相机表面,以掩盖相机的气味,该方法还需进一步开展对照试验证明其效果。总之,研究人员应在实践中积累经验,在保护相机和拍到动物之间进行权衡,在样方内选择最有利的地点和方式布设红外相机。将相机安放于地面上容易因倒伏导致采样失败,一般应将其绑在树木、立柱等固定物上。我们在江西桃红岭自然保护区曾采用类似方法研究不同性别的野生梅花鹿利用舔盐点行为的差异,以及不同群体的大小与相互间的干扰竞争,发现这种布设方法可将相机牢牢固定,适于对某一地区的长期监测,在一定程度上也可以保障相机安全(Ping et al., 2011a,b)。绑缚时应注意固定物的粗细和牢固程度,避免利用较细或生长在石坡上的树木及未倒枯木。
未来,红外相机监测将成为自然保护区的常规监测手段,会积累大量数据。研究者们应对目前工作中存在的一些共性的问题给予关注,总结经验,稳步渐行,并能在前述问题的基础上,继续探索如下问题:(1)怎样有效利用红外相机的录像功能?对于不同物种或动物类群,如何提高种群数量估计的准确性?(2)在可到达条件受限制时,如何调整预定的实验设计?调整抽样方案将对统计建模带来何种影响?(3)如何在保证研究者的版权和优先发表权的前提下,收集全国的红外相机照片,建立红外相机照片宏数据库?(4)红外相机将成为一个公众科学手段,如何充分利用这一特点,动员公众参与,提高红外相机监测效率?
以上问题仅为引玉之砖,希望研究者们不要为固有的研究模式所束缚,客观评价红外相机在我国野生动物监测中的效果,开阔思路,大胆尝试,合理有效地利用这一调查工具,红外相机技术才能有更为广阔的应用前景。