自然保護(hù)區(qū)亞洲象活動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方法研究

李艷杰，召玉龍

(云南西雙版納國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)科學(xué)研究所，云南 景洪 666100)

1 引言

因自然環(huán)境保護(hù)的較為完整，云南省西雙版納地區(qū)也成為我國(guó)首批自然保護(hù)區(qū)中的一個(gè)。首批西雙版納自然保護(hù)區(qū)共有4處，分別為勐侖、小勐養(yǎng)、大勐龍和勐臘[1]。發(fā)展到目前為止，西雙版納地區(qū)的自然保護(hù)區(qū)的規(guī)劃面積達(dá)到3.5萬(wàn)hm2，生態(tài)環(huán)境適合30多種瀕危植物生長(zhǎng)，容納國(guó)家保護(hù)動(dòng)物高達(dá)100多種。野生的亞洲象就是其中的一種，亞洲象在西雙版納地區(qū)數(shù)量達(dá)到200多頭，但亞洲象作為大型動(dòng)物，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在人類活動(dòng)的范圍并對(duì)人類的財(cái)產(chǎn)進(jìn)行破壞[2，3]。

野生動(dòng)物一般不會(huì)主動(dòng)到人類的生存范圍內(nèi)活動(dòng)[5]。經(jīng)過(guò)相關(guān)學(xué)者的觀察和總結(jié)可知，造成野生亞洲象活動(dòng)范圍超出賴以生存的原因有很多，其中的一個(gè)主要原因在于其棲息范圍不斷地縮小。幾十年來(lái)，西雙版納人口翻了一倍，人口的增多勢(shì)必要占用更多的土地和資源，與野生動(dòng)物的需求發(fā)生了矛盾[6]。再加上偷獵行為屢禁不止，造成象群的恐慌和遷徙。遷徙后的土地沒(méi)有足夠的食物，象群只好冒險(xiǎn)來(lái)人類的地盤覓食[7，8]。

為有效保護(hù)亞洲象群，對(duì)亞洲象活動(dòng)行為展開監(jiān)測(cè)變得十分重要，這也是幫助象群恢復(fù)正常生活的重要一步。為此，本研究設(shè)計(jì)了自然保護(hù)區(qū)亞洲象活動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方法。

2 亞洲象活動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

2.1 利用聲音監(jiān)測(cè)技術(shù)提取活動(dòng)信號(hào)

動(dòng)物的不同行為會(huì)發(fā)出不同的聲音，根據(jù)亞洲象不同活動(dòng)發(fā)出的不同聲音來(lái)判斷它的活動(dòng)。聲音信息的處理分為采集聲音、處理聲音和聲音數(shù)字化三部分。主要是利用提前放置在自然保護(hù)區(qū)的傳感器，采集大象日常活動(dòng)的聲音。

以大象最常見(jiàn)的進(jìn)食行為舉例，可以采集到吞咽和咀嚼的聲音。由于自然保護(hù)區(qū)中的生物很多，為了避免采集大量的無(wú)用數(shù)據(jù)，在處理聲音數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)進(jìn)行干擾排除[9]。大象的活動(dòng)聲音主要是通過(guò)麥克風(fēng)進(jìn)行收集，而干擾排除的處理工作是依靠n50032芯片實(shí)現(xiàn)。將活動(dòng)聲音作為采集節(jié)點(diǎn)最終發(fā)送到信號(hào)接收器中，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C端口進(jìn)行聲音信息化處理。由于野生大象無(wú)法像家養(yǎng)動(dòng)物一樣佩戴監(jiān)測(cè)項(xiàng)圈，因此，發(fā)送信號(hào)的傳感器的覆蓋范圍一定要覆蓋整個(gè)大象日常的活動(dòng)范圍才能保證搜集的信息完整。

在聲音監(jiān)聽的時(shí)候如果大象出現(xiàn)了異常的行為，例如，長(zhǎng)鳴、奔跑等，可能是出現(xiàn)了偷獵現(xiàn)象，一定要及時(shí)聯(lián)系有關(guān)部門進(jìn)行救助和抓捕偷獵[10]。聲音傳感器和干擾排除算法的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大象行為的收集，進(jìn)食飲水活動(dòng)行為是否正常也可以間接判斷大象的身體健康，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控。但只通過(guò)聲音的判斷終究是片面的，還應(yīng)結(jié)合視覺(jué)上的判斷，設(shè)計(jì)視覺(jué)監(jiān)控的機(jī)器來(lái)監(jiān)測(cè)亞洲象的活動(dòng)行為。

2.2 使用視覺(jué)監(jiān)控機(jī)器

為了克服單一監(jiān)測(cè)方式的局限性，可以將視覺(jué)監(jiān)控機(jī)器與聲音信號(hào)傳感器相結(jié)合，利用視頻監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)地采集到亞洲象進(jìn)食活動(dòng)時(shí)下頜部位的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后將運(yùn)動(dòng)匯集通過(guò)信息轉(zhuǎn)換成質(zhì)心軌跡曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)大象進(jìn)食頻率的監(jiān)測(cè)。

在亞洲象休息的時(shí)候，可以利用視覺(jué)監(jiān)控機(jī)器來(lái)觀察大象呼吸的頻率和腹部的起伏情況，以此來(lái)收集大象正常活動(dòng)的心跳數(shù)據(jù)。與佩戴在動(dòng)物身上的隨身監(jiān)測(cè)機(jī)器相比，視頻監(jiān)控機(jī)器不會(huì)影響大象的正?；顒?dòng)，也不會(huì)因?yàn)榇笙蟮膭×疫\(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致機(jī)器脫落[11-12]。且視覺(jué)監(jiān)控機(jī)器無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)易固定，身量小巧在野外環(huán)境中方便隱藏，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境要求不高，適合監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的行為。將行為信息收集完整后，最后一步就是根據(jù)亞洲象的習(xí)性對(duì)行為進(jìn)行分類，判斷是正常行為還是異常行為。

2.3 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行行為分類和預(yù)測(cè)

目前，常用的識(shí)別算法包括K均值聚類、貝葉斯決策、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量算法等。經(jīng)過(guò)對(duì)比和篩選，本文最終選擇利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)亞洲象的行為實(shí)施分類處理。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠利用數(shù)學(xué)方法來(lái)完成對(duì)信息的高效處理，且具有自適應(yīng)較強(qiáng)的特點(diǎn)，適合用于進(jìn)行動(dòng)物行為識(shí)別。將聲音信息和視頻收集的信息作為參數(shù)可以將動(dòng)物的異常行為識(shí)別出來(lái)[13，14]，也可以通過(guò)參數(shù)的規(guī)律進(jìn)行行為預(yù)測(cè)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以通過(guò)象群的平均進(jìn)食量計(jì)算當(dāng)前的棲息環(huán)境的食物是否充足。如果象群出現(xiàn)異?；顒?dòng)，可以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計(jì)算結(jié)果判斷是否因?yàn)槭澄锵∪痹斐伞I(yè)人員就根據(jù)異常行為的原因給出解決方案[15]。一旦象群離開自然保護(hù)區(qū)的活動(dòng)范圍，通過(guò)聲音識(shí)別和視頻監(jiān)測(cè)對(duì)象群實(shí)時(shí)定位，通過(guò)人工網(wǎng)路技術(shù)計(jì)算人類活動(dòng)范圍的距離，并對(duì)象群實(shí)施路線引導(dǎo)，引導(dǎo)象群遠(yuǎn)離人類村莊，避免對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)造成威脅。

3 仿真監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述方法的有效性，以云南省某自然保護(hù)區(qū)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)。模擬兩頭成年大象的行動(dòng)軌跡進(jìn)行檢測(cè)研究。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，大象的活動(dòng)范圍自由，有充足的食物和水源供給，檢測(cè)時(shí)間為早9點(diǎn)到第二天早9點(diǎn)，為期24 h。對(duì)比本文設(shè)計(jì)的活動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方法和傳統(tǒng)的高清監(jiān)視器監(jiān)測(cè)方法、基于人工算法的監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

仿真定位實(shí)驗(yàn)為了達(dá)到逼真的實(shí)驗(yàn)效果，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置障礙和樹木，地形的構(gòu)建也是凹凸不平。將實(shí)驗(yàn)范圍中設(shè)置8個(gè)節(jié)點(diǎn)作為節(jié)點(diǎn)參考，以實(shí)驗(yàn)環(huán)境的左上方為坐標(biāo)遠(yuǎn)點(diǎn)，定位部署示意圖如圖1所示。

圖1 定位節(jié)點(diǎn)部署示意

對(duì)圖1的節(jié)點(diǎn)部署圖進(jìn)行分析，根據(jù)傳感器的通訊半徑計(jì)算和距離擬合結(jié)果，定位節(jié)點(diǎn)的通訊半徑最終定位200 m，8個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)信號(hào)全覆蓋，因此，節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中途移動(dòng)并不影響實(shí)驗(yàn)最終的定位效果。節(jié)點(diǎn)的覆蓋效率如表1所示。

基于表1的節(jié)點(diǎn)的覆蓋效率，布置參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)候高度設(shè)置為20m，8處節(jié)點(diǎn)處于同一高度。仿真平臺(tái)的定位節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址修改為協(xié)調(diào)器狀態(tài)。為保證定位測(cè)試結(jié)果不具備偶然性進(jìn)行3次測(cè)試，并定位模擬亞洲象的坐標(biāo)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3種方法的定位坐標(biāo)的結(jié)果如表2。

表1 節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋效率

表2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表2的坐標(biāo)信息可以計(jì)算出，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法3次測(cè)試的平均定位誤差為0.86 m，監(jiān)視器監(jiān)測(cè)方法的定位平均誤差為3.48 m，基于人工算法的監(jiān)測(cè)方法的定位平均誤差為2.73 m。誤差數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的活動(dòng)行為監(jiān)測(cè)方法的定位誤差更小，監(jiān)測(cè)的結(jié)果更準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

對(duì)西雙版納自然保護(hù)區(qū)亞洲象的活動(dòng)行為展開監(jiān)測(cè)，對(duì)于有效監(jiān)管象群具有重要意義。本文利用聲音監(jiān)測(cè)和視覺(jué)監(jiān)控的方式監(jiān)測(cè)亞洲象活動(dòng)行為，且所使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備縮小了視頻監(jiān)測(cè)器的大小，使其更適用于在野外環(huán)境中工作。此外，本研究結(jié)合了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)亞洲象的行為進(jìn)行了分類和預(yù)測(cè)，進(jìn)一步優(yōu)化了監(jiān)測(cè)效果。綜上所述，本文研究能夠?yàn)榇龠M(jìn)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。