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天体生态学:高新技术让跨界研究成为可能!

热点信息2020.04.08
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在马来西亚的原始雨林中,生活着一群婆罗洲猩猩,如今,只有大约10万头生活在野外。去年春天,英国天文学家们使用无人机和红外热像仪跟踪研究它们,天文学家在生态学家的陪同下进行实地考察,研究人员将现成的设备、数据处理技术和从天体物理学中收集到的机器学习算法结合起来,将天文学与生态学结合起来,开创了一个新的协同领域:天体生态学。



天体生态学的初步形成



保护生态学的研究依赖于发现和监测动物,以了解对保护它们至关重要的因素。多年来,保护生态学家已经欣然接受了新技术,如相机捕捉和DNA测序。在过去的十年里,保护生态学家也开始使用装有红外热像仪的无人机来调查公园和荒野地区。无人机可以快速探测大片区域,但破译所有数据非常耗时,特别是探测小动物,从遥远的空中很难看到。


红外热像仪可以捕捉到动物的热信号,这是一种更可靠的识别方法,通过将红外热像仪与无人机技术相结合,保护生态学家在大面积调查中获得了巨大的优势。

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图片来源:利物浦约翰摩尔大学


早在2014年,利物浦约翰摩尔大学(LJMU)的环保生态学家Serge Wich在使用红外热像仪分析大量数据时遇到了困难,随后求助天体物理学家 Steven Longmore。几十年来,天文学家一直使用红外热像仪来研究恒星和行星系统的诞生。他们完善了去除背景噪声和图像伪影的技术,并开发了自动识别源的系统。


LJMU的天体生态学家Claire Burke说:“动物辉光与天文图像中的恒星和星系的辉光完全相同。因此我们可以利用天文学的技术来找到它们。”


Longmore和Wich开始了一项合作,后来扩展到一个由天文学家、生态学家、计算机科学家和工程师组成的多学科团队。从那以后,他们的一次偶然谈话引发了大量新的研究。



使用热像仪寻找动物



在非洲平原中,寻找大象的身影并不难,但是在森林环境中寻找较小的动物时,这就很有挑战性了。因此需要较低的飞行高度来观察较小的动物,虽然覆盖范围比较窄,但数据仍然是有价值的。2017年,他们在南非寻找世界上最濒危的哺乳动物之一的河兔时,飞行高度只有20米。因为它们的总数大约只有1500只,能被观察到5次,也是很了不起的了。


为了看到更清晰的动物热图像,天体生态学家通过选择观测的时间来增加热信号。夜间,地面环境温度较低,增加了物体与背景之间的温差。一些国家和许多自然保护区都有限制无人机夜间使用的法律,所以该组织经常选择在黎明后的早晨观察,那时地面仍然相对凉爽。

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FLIR T1040航拍的豹子


Longmore想知道在温暖潮湿的丛林环境中探测动物热信号的有效性。“我们有点担心,”他说。“但我们很高兴地看到,即使在这些非常炎热、潮湿的环境中,红毛猩猩仍然能被热成像仪探测到。



FLIR红外热像仪可自动校正



天文学家们习惯于使用专门为他们量身定做的红外热像仪,但商用红外热像仪通常是为工业工作而设计的,比如在玻璃和塑料制造业,而不是为了追踪濒危动物。LJMU小组使用的红外热像仪是专门设计用于测量7.5到13.5微米的光谱波段,场景温度范围跨越近600℃。因此,需要手动进行某些校准,以便在天体生态学中使用。


Longmore说:“这些热像仪经过优化,可以在非常大的(温度)范围内工作,我们正在努力寻找优化摄像头的方法,以达到我们保护环境的目的。”为了通过热成像来识别不同的物种,这些数据需要解决小至0.5℃的差异。此外,由于红外热像仪的广角镜头,研究人员还必须考虑其边缘的灵敏度下降,幸好FLIR红外热像仪有自动校正和校准的预编程序,但还需要额外的调整来增强动物跟踪的数据。

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FLIR T1040航拍的象群


到目前为止,已经优化了一种热像仪,该小组正在研究是否可以开发一种适用于其他仪器的通用校准。天体生态学小组还调整了校准图像的频率,以优化其空中应用的数据。



研究结果的推广



LJMU小组已经把他们的设备带到了世界各地。第一个概念验证测试是在英国的一个牧场上进行的。从那时起,他们就飞到墨西哥寻找蜘蛛猴,南非寻找河兔,坦桑尼亚寻找偷猎者,马达加斯加寻找竹狐猴,巴西寻找河豚,此外,他们还在马来西亚与猩猩合作。


Burke说:“我们发现,不同种类的动物有着独特的体温特征,而且它们的形状和大小也各不相同。”LJMU小组已经从更复杂的天文识别程序中调整了机器学习算法,以更好地识别动物,并将它们与其他错误的来源区分开来,比如晴天里的热石头。

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FLIR T1040


该组织还在探索与气候变化和安全相关的问题。他们正在考虑将同样的技术应用于搜索和救援计划、监测野火以及识别地下泥炭火灾等。

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