“無(wú)人機(jī)+紅外熱成像”助力蜘蛛猿等猿類物種研究

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。

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。

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。由于與周圍環(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)慣人類的存在。

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，圓圈表示一位人類觀察者在地上數(shù)猿類的數(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)算猿類數(shù)目，并利用全球定位系統(tǒng)（GPS）標(biāo)記猿類亞群的位置。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。