基于红外相机技术对亚洲象个体识别和种群数量的评估

摘要:
以云南西双版纳国家级自然保护区尚勇子保护区内亚洲象种群为研究对象,通过自动红外照相技术,估算了该地区亚洲象的最小种群数量。本研究于2016 年1 月,在研究区域内共布设27 个红外相机位点,野外安放时间为 4 个月。调查期间,每台相机的有效捕获日为 9 -52 d 不等 (均值为 24 d),红外相机有效捕获日 621d,拍摄到亚洲象照片共 1 944 张。通过红外相机照片开展个体识别,最终估算出尚勇保护区内亚洲象的最小种群数量为69 头 (其中成年象38 头,亚成年象15 头,幼象16 头)。拍到7 头活动于中国—老挝边境区域的跨境象群。本文探讨利用红外相机拍摄的亚洲象照片进行个体识别的方法,指出与常规调查方法相比较的优势和不足,作为快速、实时有效的种群评估方法的价值。研究结果丰富了保护区内亚洲象种群数据库,为研究、制定和开展亚洲象保护行动提供重要支撑。

楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 14:07:00 +0800 CST  
1 研究方法
1. 1 研究地点西双版纳国家级自然保护区地处云南省西双版纳傣族自治州境内,地理坐标为北纬 21°10' -22°14',东经 100°16' - 101°15'。本研究主要在尚勇子保护区及周边象群活动范围共 646 km 2 区域内。研究区域如图 1 所示,调查面积为中国境内尚勇子保护区及周边 4 km 区域,此研究区域的选择是基于调查前期与保护区工作人员的交流探讨,其覆盖调查阶段全部亚洲象活动热点区域。尚勇子保护区位于西双版纳州勐腊县南部,在尚勇乡以西、勐满乡以东,中国—老挝国境线以北,南腊河以南。该保护区面积 311 km 2 ,以中山、低中山为主,为切割较深的中山峡谷型地貌。海拔最高为大包包山1 691 m,最低为南腊河谷610 m (西双版纳自然保护区综合考察团,1985)


图 1 尚勇子保护区研究区域和相机布设点

楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 14:37:00 +0800 CST  
1. 2 数据收集
1. 2. 1 红外相机布设于 2016 年初,在尚勇子保护区及其周边的646 km 2 区域内布设红外相机 27 台。相机安放高度在 1. 5 m 左右或 3 -4 m 两个梯度不等,以3 -4 m可以拍摄到经过的亚洲象头部或尾部信息的拍摄高度为主; 安放高度在1. 5 m 左右的相机,主要用于拍摄亚洲象的尾部信息,该高度共安放了 3 台,分别放置于 3 个不同的亚洲象活动热点区域,用于辅助识别。红外相机放置的海拔梯度在673 -1 169 m之间。4 次数据回收发现丢失的相机数分别为: 0台、1 台、1 台和 4 台。相机参数设为: 拍照模式、图像尺寸 12M、连拍 3 张、时间间隔为 0 秒、灵敏度低。
相机布设没有遵循常规的系统取样或均匀取样方法,我们旨在拍摄到尽可能多的亚洲象影像,结合林柳等 (2008) 调查到的尚勇子保护区亚洲象活动区域,包括保护区西部的上中良、曼粉、河图和南坪等村寨及周边区域。林柳等 (2011) 调查到保护区核心区的野牛河、冷山河、金宝河、小南满岔河、大榕树,以及保护区东部的大龙哈等地区,采用重点区域布设法,并聘请长期监测象群的护林员一起进入到象群活动热点区域放置,最大程度提高亚洲象的拍摄率。综合考虑资源投入和数据回收效率,每个位点选择单台相机布设模式; 同时考虑到亚洲象种群的季节迁移性,所有红外相机的野外放置时间为同一季节 (旱季) 的 1 -4 月; 考虑到数据回收率问题,红外相机数据卡每月更换一次。
相机安放位置的选择以最大可能拍摄到便于个体识别的身体特征 (面部和尾部等) 为原则,具体为:(1) 根据有经验的护林员所提供的信息,选择已知的亚洲象移动通道处; (2) 选择象群活动痕迹 (足迹、粪便、擦痕、食迹、卧痕等) 较多的区域; (3) 远离村寨及人为活动较频繁的区域; (4) 每台相机尽可能放置在地势平坦,周边有易于捆绑相机的高大乔木上,相机高度和拍摄角度以可拍摄到便于进行个体识别的亚洲象的头部及尾部为佳。
1. 2. 2 个体识别的形态学方法
基于袁志强和张立 (2006) 通过耳、门齿、背、尾、疤痕、面部骨骼等特征的识别方法,本研究在此基础上还细化了个体识别的形态学方法。亚洲象最明显的识别特征在头部,有无门齿、门齿长短、眼上方头骨的凹陷程度、头骨正上方凸起的程度、头部附近暗色斑块形状及大小、耳毛浓密程度、耳朵尖端缺失与否等特征; 而尾毛也是一个重要识别特征,包括尾的长短及尾毛分布特征。通过观察拍摄到的大量亚洲象红外照片后发现,亚洲象尾毛可以细分为左右两个部分,左右尾毛尖端是否连在一起、两侧尾毛长短情况、尾毛是否向上翻卷、左右尾毛构成的形状等,均被用于亚洲象个体的识别 (图 2)。

楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 14:46:00 +0800 CST  
1. 3 数据分析数据回收整理后,选出所有拍摄到的亚洲象个体照片,录入照片拍摄时间和地点信息,由专人(3 人) 遵循统一的个体特征识别原则进行个体识别。每个拍摄事件先由 2 个独立的观察者分别识别,主要根据亚洲象面部、耳部和尾部特征进行识别。每个观察者对每次拍摄事件进行比较,使用“拍摄矩阵”法,标注出拍摄的个体为 “相同”、“不相同”或者是无法比较 (并注明原因: 照片质量不佳或者拍摄角度不好等)。筛选出因照片质量差,清晰度不足以进行亚洲象个体识别的照片,如在夜间行进或者是快速移动的个体,或是距离相机过近,将相机作为玩耍对象甚至毁坏相机的个体。第三个观察者需要重新回看这些拍摄矩阵,尽可能找出差异,最终结合前两个观察者的识别情况,分析讨论,达成共识,获得最终个体识别结果。为了便于在个体识别上达成一致,每个亚洲象个体均被编号,同时在识别的过程中尽可能标注出识别特征。年龄组的划分,借鉴 Reilly (2002),Sukumar(2006) 和林柳 (2011) 研究中使用的方法,即将身高作为年龄划分的指标,划分标准如表 1 所示。
亚洲象年龄划分标准:


楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 14:52:00 +0800 CST  
2 结果
红外相机在野外工作一天,无论拍摄到任何物种,为一个捕获日 (trap-day)。通过 4 个月的监测,我们放置的红外相机总捕获日为 621d。这个时期内每台相机的有效捕获日为 9 -52 d (均值为24)。在所有捕获日中 (n =621) 共拍摄到亚洲象的红外照片总数为 1 944 张,相当于每 100 个捕获日平均能拍摄到 313 张亚洲象照片。2016 年 1 -4 月期间,每台红外相机拍摄到的亚洲象照片数差别很大,范围在 29 - 842 张之间。其中一台相机记录到最多亚洲象的照片数为 842张,拍摄率为 79. 3%,为此次最高 (亚洲象拍摄率 = 该相机拍摄到的亚洲象照片总数/该相机拍摄到所有照片的总数)。相机触发拍摄亚洲象的时间段主要在 18: 00 - 06: 00,占所有象出现总时段的 86. 2% (即亚洲象在 18: 00 -06: 00 时段被拍摄到的总时间/亚洲象被拍摄到的所有时间总和)。所有照片中,能做个体识 别 的 有 1 886 张(97.0%)。根据红外相机拍摄结果,我们共识别出69 头亚洲象个体 (表 2)。典型识别特征如图 2 所示,识别出成年象的数量最小为 38 头,亚成体亚洲象 15 头,幼象 16 头。即估算出尚勇子保护区及其周边亚洲象活动区域的最小种群数量为 69 头。


表 2 2016 年 1 -4 月尚勇保护区亚洲象个体编号 1 -69 的照片拍摄历史


续表 2


续表二:


楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 14:58:00 +0800 CST  
本研究共监测到 8 个象群及 5 头独象 (表 3)。它们均有明显的识别特征,部分群体及个体的识别特征如下。种群 1: 象群中有一头公象,象牙较细,尾毛缺少半边; 一头母象右耳边角呈电波状,头顶凸起明显; 种群 2: 一头母象尾毛少,缺半边,另外半边仅在靠近尖端处有两排; 另一头亚成体母象尾毛尖端浓密,呈椭圆形; 种群 3: 公象象牙较种群 1的公象长,其中一头母象乳房凸起,凸起程度较小,疑似哺乳期快结束; 种群 4: 一头母象脊椎两侧有凸起,另一头肋骨明显,肚子大; 种群 5: 其中一头母象,脊椎凸起明显,且凸起部分为两段,其中一头哺乳期快结束; 种群 6: 一头成年母象尾毛不等长; 另一头成年母象两侧尾毛尖端明显不连接,且其中一侧仅有尖端一小部分; 种群 7: 一头成年母象尾毛尖端较平; 一头亚成体母象头顶骨仅一侧明显凸起; 种群 8: 其中一头象前肢畸形。独象 1: 尾毛较浓,左侧背部靠近脊椎处有零星黑斑; 独象 2: 右耳顶部向下翻折,象牙露出的长度略短于眼睛到象牙露出基部的距离; 独象 3:尾毛呈椭圆形,尖端不连接; 独象 4: 头顶两块凸起明显,耳朵较大,两侧尾毛不连接且空缺明显;独象 5: 头顶凸起部分不明显,尾毛呈椭圆形且两侧尾毛几乎相连。


楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 15:03:00 +0800 CST  
3 讨论
本研究采用非损伤性红外相机监测技术,通过识别研究区域内红外相机拍到的亚洲象照片形态学特征,成功识别出 69 头亚洲象个体,记录到对应的种群结构特征,建立个体信息库,实现了对种群数量的快速评估。研究成果为制定快速准确的亚洲象巡护监测方案和有效的保护策略提供了科学支撑和经验参考。
3. 1 采用亚洲象红外影像做个体识别的原因
红外相机拍摄法作为目前较热门的调查方法,其优势在于: (1) 放置后基本不会干扰到野生动物的正常活动; (2) 降低与野生动物正面接触的风险; (3) 能够近距离记录野生动物的活动及昼夜活动节律等。在亚洲象个体识别方面,林柳等 (2011) 利用手持相机定点拍摄法,通过拍摄的图片及录像识别出尚勇子保护区内 53 头亚洲象个体; 袁志强和张立 (2006) 在三岔河野象谷利用直接观察、拍照、摄像等方法直接记录亚洲象的形态特征,通过耳、门齿、背、尾、疤痕、面部骨骼等特征对经过本地区的亚洲象进行个体识别,成功识别出 46 头亚洲象个体,该研究也为定点观察。相比通过直接拍摄法获取亚洲象照片开展个体识别,本研究通过红外相机拍摄获取照片则更省人力、物力; 此外,上述两项研究均是采用定点拍摄法,研究区域较局限,拍摄角度相对单一,本研究采用的亚洲象热点区域布设相机法调查面积更广,角度相对灵活,方法易于推广。与其他调查亚洲象种群数量的方法相比,通过红外相机照片个体识别法相比粪便 DNA 标志重捕法 (何长欢等,2015),具有更高的安全性。后者需要采集到足够新鲜 (2d 以内最佳) 的粪便样品才能进行有效分析,采集过程需要承担很大风险。其次,前者成果产出效率更高,因为不需要进行实验室部分的样品分析和处理。第三,后者需对样品进行有效的提取和实验室分析,实验成本较高。
3. 2 尚勇子保护区亚洲象面临的问题
本研究调查到活动于尚勇子保护区及其周边区域的 8 个亚洲象种群及 5 头独象,共计 69 头。从表 2 中的种群结构不难看出,雌性个体所占的比例远大于雄性个体。我们推测这与区域内历史盗猎有直接关系,没有象牙的雌性个体对于狩猎者来说价值不大。在正常条件下,亚洲象并没有天敌,如果食物充足,其内禀增长率较高。但目前适龄交配的雄性亚洲象个体减少,直接影响了成年雌性亚洲象个体的繁殖机会。倘若个体数持续下降,小种群问题必然会凸显。另外,通过调查我们还发现至少两个象群为跨境活动,其活动路线均是由中国向老挝方向,其中一个象群中有一头先天畸形的亚洲象个体。我们发现该象群的活动路线较为固定,且象群移动速度相对其他群体来说较缓慢,猜测是象群为了照顾和保护这头先天畸形的个体而采取的对策。在此之前,保护区工作人员在长期的亚洲象监测过程中并未发现先天畸形个体,所以我们推测这与小种群间的近交衰退有关。加强国际合作,建立国内、国际生物廊道,促进象群种间基因交流,尚勇子保护区的亚洲象小种群问题才能改善。
3. 3 数据波动及改进策略
四个时期拍到的亚洲象个体总数有差异,存在此差异的原因主要有: (1) 食物稀缺或食物资源分配不均,象群到远离相机放置的区域或保护区外部寻找食物; (2) 到第四取样期时,因红外相机出现故障和丢失情况严重,相机覆盖区域减少,工作效率降低; (3) 亚洲象路过的区域正好在布设相机的盲区; (4) 相机点分布不均,监测时间较短等。想要解决这些问题,可以在条件允许的情况下,全面覆盖亚洲象可能途经的区域,增加相机野外放置时间,同时增加换卡的频率,这也是今后此类研究需要考虑的问题。在相对较小的研究区域内,我们获得了大量亚洲象个体在 4 个样本期的影像数据。在 4 个月的拍摄过程中,总共识别出 69 头个体,为该区域亚洲象最小种群数量 (包括亚成体和幼体)。这与以往监测结果略有差异,相比林柳等 (2011) 采用定点拍摄识别出 53 头亚洲象的研究相隔 5 年,产生该种群数据波动可能是由统计学上的成体和幼体的存活变化引起,也可能是由于他们采用定点拍摄策略导致; 还可能是个体的集散活动或个体在研究区域的进出导致 (Goodrich et al. ,2008; Duangchan-trasiri et al. ,2015)。为了减少误差,获得更加准确的种群数量,应尽可能多地在亚洲象可能经过的地方布设红外相机,获得足够全面的象群信息数据。本研究的一个不足在于红外相机布设数量不够充足,但考虑到投入的资金、人力、物力以及参与人员的安全性等条件的限制,研究组无法在研究区域内把所有亚洲象可能经过的道路都布设红外相机。为全面掌握区域内亚洲象的种群数量、分布及活动规律,建议未来研究能成对布设红外相机,或采取一高一低的布设策略,从更广的视角获取便于个体识别的红外相机照片。在相机的布设点上,我们采用热点分布区布设法,没有遵循常规的系统取样来布设,因为个体识别需要尽可能多地拍摄到亚洲象清晰的面部或尾部特征的照片,此布设策略更具针对性。亚洲象的野外活动痕迹甚至个体均容易被观察到,研究组在布设相机期间,保护站有丰富野外经验的人员均参与其中,且布设的热点区域均有研究证实,这也成为使用此布设策略的重要条件。

楼主 飞天风神翼龙  发布于 2018-05-24 15:08:00 +0800 CST  

楼主:飞天风神翼龙

字数:5666

发表时间:2018-05-24 22:07:00 +0800 CST

更新时间:2020-03-28 13:47:05 +0800 CST

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