基于紅外相機技術的交通野生動物通道監(jiān)測與有效性評價

朱廣河， 李娜， 王云， 關磊， 孔亞平

(1.內蒙古自治區(qū)交通建設工程質量監(jiān)督局， 內蒙古 呼和浩特 010020； 2.交通運輸部科學研究院)

1 引言

交通建設及運營對野生動物產生了復雜而深刻的影響，已經引起了國際關注。為了緩解負面影響，很多國家設置了野生動物通道，主要分布在歐洲、北美、澳大利亞，亞洲的日本、韓國、新加坡等。中國近年來結合重大交通工程建設也設置了野生動物通道并開展監(jiān)測，代表性的有青藏鐵路藏羚羊動物通道，思小高速公路亞洲象通道，鶴大高速公路獸類和兩棲類動物通道，新疆民哈高速公路大中型動物通道等。這些動物通道的設置為緩解交通工程對野生動物的影響奠定了良好的基礎。但是，中國在交通野生動物通道監(jiān)測方面還沒有系統(tǒng)方法來指導。現(xiàn)有通道監(jiān)測主要是采用足跡觀察法和現(xiàn)場監(jiān)測法，足跡觀察法適用條件苛刻，如天氣條件良好、對調查人員業(yè)務水平要求高，且現(xiàn)場工作量很大(動物通道往往位置偏僻)?，F(xiàn)場監(jiān)測法適用范圍也很有限，一般適合于白晝活動的、容易觀察到的、有明顯活動規(guī)律的物種，如藏羚羊季節(jié)性遷徙穿越青藏公路和鐵路，因此現(xiàn)場監(jiān)測法應用范圍也很有限。同時，中國在動物通道有效性的評價方法方面也缺乏總結?，F(xiàn)有的評價方法主要是從實際穿越的頻率和數量來判斷，缺乏對動物通道入口嘗試穿越但實際失敗案例的考慮，因此不能全面合理評價動物通道的有效性。

紅外相機技術是20世紀90年代開始流行的一種監(jiān)測獸類和鳥類活動的常規(guī)技術，可實現(xiàn)全天候無人狀態(tài)下的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，動物通道的位置一般位于無人區(qū)和偏遠地區(qū)，調查人員現(xiàn)場調查十分不便，紅外相機技術恰好彌補了這一缺陷。該文提出一種基于紅外相機技術的交通動物通道監(jiān)測與有效性評價的方法，將紅外相機技術應用于公路和鐵路動物通道監(jiān)測的有益探索，將為中國交通動物通道監(jiān)測和評價提供新的思路。

2 動物通道圖片采集與數據處理

2.1 選擇擬監(jiān)測的野生動物通道

選擇交通線路穿越或毗鄰野生動物活動區(qū)的動物通道，開展監(jiān)測。野生動物活動區(qū)是指野生動物活動頻繁或潛在活動的區(qū)域，包括但不限于自然保護區(qū)、國家公園、濕地及森林公園等。

2.2 確定擬監(jiān)測的目標物種

根據交通野生動物通道兩側的自然保護區(qū)相關資料、環(huán)評報告、科研論文及調查報告，結合沿線走訪調查、通道附近痕跡調查綜合確定監(jiān)測的目標物種。

2.3 設置交通野生動物通道的監(jiān)測相機

在交通野生動物通道內布設紅外相機時，遵循以下步驟：

(1) 確定所需紅外相機的數量。根據所監(jiān)測的動物通道尺寸規(guī)模確定紅外相機的數量。依據紅外相機最佳感應距離X(m)計算，若通道出口或入口寬度不大于X(m)，則設置1臺相機；若寬度大于X(m)不大于2X(m)，則設置兩臺相機，以此類推。

(2) 選擇紅外相機設置的位置。對于整體式路基，在通道出入口分別設置紅外相機；對于分離式路基，在出入口和通道中部同時設置。

(3) 確定紅外相機設置高度。根據所監(jiān)測野生動物體型大小確定紅外相機設置高度。

(4) 確定紅外相機設置角度。根據通道出入口安裝條件，在垂直平面上，將紅外相機鏡頭設置為平視或俯視角度，將通道出入口全部覆蓋；在水平平面上，將紅外相機鏡頭設置為與野生動物移動方向呈45°交角，避免垂直拍攝造成的物種拍攝不全和辨識困難。

(5) 紅外相機參數設置。對通道兩側野生動物活動頻繁的區(qū)域，將拍攝間隔時間設為1～60 s；對通道兩側野生動物活動稀少的區(qū)域，將拍攝間隔時間設為1～60 min。

2.4 評價交通野生動物通道的有效性

在評價交通野生動物通道通行的有效性時，遵循以下步驟。

(1) 獨立照片選擇與分類。至少監(jiān)測1年，理想情況是持續(xù)4年，將紅外相機照片進行分類，刪除無效照片，選擇可識別的獨立照片，建立每個通道每臺相機每個物種的獨立照片文件夾。獨立照片是指不同種類的個體照片或者同一種類不同個體的照片或者同一種類同一個體但拍照時間超過0.5 h的照片。

(2) 定義“實際穿越”與“嘗試穿越”。將30 min之內既在通道入口處的相機內出現(xiàn)也在通道出口處的相機內出現(xiàn)的某物種的獨立照片，且獨立照片內該物種移動方向一致，記錄為該物種“實際穿越”，統(tǒng)計獨立照片的數量，記錄為S；將只在通道入口或出口處的相機內拍攝的某物種的獨立照片，記錄為物種的“嘗試穿越”，統(tǒng)計獨立照片的數量，記錄為C，注意嘗試穿越包括實際穿越。

(3) 交通野生動物通道有效性的評價。對于“實際穿越”和“嘗試穿越”的數量，先用K-S檢驗數據是否符合正態(tài)分布，若符合正態(tài)分布，采用t檢驗，若不符合正態(tài)分布，采用Mann-Whitney U檢驗等非參檢驗判別兩者是否有顯著性差異，如果在0.05顯著性上沒有顯著差異，則認為某物種對該類型野生動物通道的通行效率較好，監(jiān)測的目標物種能夠順利穿越該類型通道。

3 案例研究

3.1 選擇擬監(jiān)測的交通野生動物通道

青藏鐵路K2 900～K3 150(對應青藏公路樁號)穿越了可可西里國家級自然保護區(qū)和三江源國家級自然保護區(qū)的試驗區(qū)，保護區(qū)段設置了大量的涵洞通道，結合現(xiàn)場調研，初步選擇K2 991+500處涵洞開展監(jiān)測，因為在該涵洞兩側發(fā)現(xiàn)了大量野生動物足跡，包括藏野驢、藏羚羊、藏原羚、野牦牛、狼、狐貍等。

3.2 確定擬監(jiān)測的目標物種

已有研究都是集中于藏羚羊開展監(jiān)測，而對國家一級保護動物藏野驢還缺乏關注，此次選擇藏野驢開展其穿越涵洞通道的有效性評價研究。

3.3 設置監(jiān)測紅外相機

(1) 確定所需紅外相機的數量。選擇ltl6210紅外相機，該相機感應距離約為20 m，所選涵洞寬度為3 m，因此在出入口各設置1臺相機，共兩臺紅外相機，即可覆蓋通道出入口范圍。

(2) 選擇紅外相機設置的位置。青藏鐵路路基為整體式，因此在通道出入口分別設置紅外相機各1臺。

(3) 確定紅外相機設置高度。所監(jiān)測物種藏野驢平均肩高約為1.4 m，通道周邊為無人區(qū)，可將紅外相機高度設為1 m，捆綁于鐵路隔離柵上，相機拍攝范圍可完全覆蓋藏野驢全身。

(4) 確定紅外相機設置角度。所選涵洞通道屬于小型通道，出入口尺寸為3 m×3 m，長度為8 m，因此在垂直平面上，紅外相機鏡頭只需平視即可覆蓋出入口全部范圍；在水平平面上，將紅外相機鏡頭設置為與藏野驢移動方向呈45°交角，避免造成物種拍攝不全，辨識存在困難。

(5) 紅外相機參數設置。由于涵洞通道出入口發(fā)現(xiàn)大量藏野驢糞便和足跡，且通道兩側人為干擾極少，預計藏野驢活動強度大，將拍攝間隔時間設為30 s。

3.4 評價哺乳動物通道的有效性

監(jiān)測時間為2015年8月20日到2016年8月1日，歷時340 d。首先將涵洞通道出入口兩臺紅外相機中藏野驢照片進行篩選，剔除無效照片，選擇獨立照片分別建立兩臺相機的藏野驢獨立照片的文件夾。

對于該涵洞通道，將30 min之內既在通道入口相機內出現(xiàn)也在通道出口相機內出現(xiàn)的獨立照片，且獨立照片內藏野驢移動方向一致，記錄為實際穿越的數量，共18組33張；計算只在動物通道入口和出口處相機拍攝的獨立照片的數量，共28組43張，為嘗試穿越的照片數。

經K-S檢驗，數據非正態(tài)分布，故采用Mann-Whitney U檢驗，發(fā)現(xiàn)0.05顯著性上沒有顯著差異(Mann-WhitneyU=287.000,p=0.055)，故認為該涵洞動物通道的通行效率較好，藏野驢能夠順利穿越該通道。

4 結論

該文提出的基于紅外相機技術的交通野生動物通道監(jiān)測與有效性評價的方法，具有3個特點：① 將紅外相機這種新興的主流野生動物監(jiān)測技術引入交通野生動物通道監(jiān)測領域，且根據交通線路的特點加以改進，使得監(jiān)測更加科學合理；② 根據篩選的獨立照片出現(xiàn)的位置區(qū)分嘗試穿越和實際穿越，且通過兩者對比以綜合評價交通野生動物通道的有效性，較傳統(tǒng)的野生動物通道有效性評價方法更加科學合理；③ 紅外相機可實現(xiàn)24 h無人持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，較傳統(tǒng)的依靠人力大規(guī)模多頻次現(xiàn)場調查，省時省力，節(jié)約成本。

該文提出的方法仍然存在一些缺陷和未來值得改進之處：① 紅外相機監(jiān)測的有效區(qū)域約在鏡頭前20 m內，通過提高相機設置密度可提高覆蓋范圍，但是相機本身的安全性值得擔憂，在交通線路附近人為活動強度大，相機丟失率很高；② 紅外相機技術本身存在技術和管理缺陷，如受周圍環(huán)境影響無效拍照率高，有些地區(qū)遭到偷盜和破壞風險大，對體型小、移動速度快、體色與環(huán)境對比度低的物種效果不佳，應加強傳統(tǒng)調查技術與紅外相機技術的綜合應用研究；③ 野生動物通道有效性應結合通道兩側種群穩(wěn)定性來綜合評價，該文提出的方法還無法達到這一目標，有待于未來進一步深入探索完善。