房祥玲，周興策，鐘恩主，胡坤融，房以好，郭盤江*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué) 生物多樣性保護與利用學(xué)院，云南 昆明 650224)

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息感應(yīng)設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行通訊和信息交換，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1].物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的對象可以是各種無生命的物體和環(huán)境參數(shù)[2]，也可以是某些活動的動物物種[3].

物聯(lián)網(wǎng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境遠程監(jiān)測[4]、環(huán)保行業(yè)[5]、大氣與水質(zhì)監(jiān)測[6]、人工智能[7-8]和野生動物監(jiān)測[9-10]等領(lǐng)域.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在野生保護動物的生態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用不僅降低了生態(tài)監(jiān)測的部署成本，還能實時監(jiān)控野生保護動物的生活.目前，多種形式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已實際應(yīng)用于動物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究中.Ayele等[11]提出一種用于野生動物監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，運用動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)完成超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署，實現(xiàn)可持續(xù)的野生動物移動監(jiān)測應(yīng)用.RWTH Aachen University的“Ratpack”項目利用無線傳感器節(jié)點對嚙齒動物的行為和運動進行聲音分析、位置計算和地形繪制[12]，為研究自然環(huán)境中嚙齒動物的活動特點提供一種新方法.安的列斯和圭亞那大學(xué)(UAG)的研究員使用由一系列無線麥克風(fēng)組成的聲學(xué)傳感器陣列來持續(xù)記錄鳥類個體的活動和鳴叫，從而識別它們的合作行為[13].

基于物聯(lián)網(wǎng)的野生動物生態(tài)監(jiān)測研究總體來說處于探索階段，相關(guān)研究還相對較少，筆者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于野生大紫胸鸚鵡和西黑冠長臂猿的行為生態(tài)學(xué)研究，既能實時獲取野外大紫胸鸚鵡和西黑冠長臂猿的某些行為表現(xiàn)，又具有通過獲取的視頻、音頻、溫濕度等同步數(shù)據(jù)分析野生動物行為的生態(tài)學(xué)意義，節(jié)省了大量的人力、物力和財力，可為今后野生動物行為學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)和研究實例.

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的動物行為生態(tài)學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的大紫胸鸚鵡的行為生態(tài)學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)

1.1.1 研究地區(qū)

研究地位于云南省普洱市思茅區(qū)思茅港鎮(zhèn)茨竹林村芒壩，海拔1 354 m，地處糯扎渡自然保護區(qū)東北部(100°27′E，22°43′N)，是云南熱帶和南亞熱帶的過渡地帶，鳥類種類以熱帶種類居多[14].村子?xùn)|北邊山谷谷底為芒壩河.植被類型以思茅松純林和針闊混交林以及灌叢為主，溝谷地帶為次生闊葉林，有豐富的珍稀動植物資源，寨子總面積1 130 hm2.研究地每年的11月至次年的4月，氣溫較5—10月低，干燥少雨，為干季，該季降水量不足全年的15%；5—10月為雨季，雨熱同季，降水量占全年總量的85%以上.年均溫22 ℃，最熱月(6月)平均氣溫25.6 ℃，最冷月(1月)平均氣溫14.9 ℃[15].

1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及其系統(tǒng)架構(gòu)

為研究野生大紫胸鸚鵡行為節(jié)律，搭建一個組裝簡便且性能完善的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng).如圖1所示，其系統(tǒng)架構(gòu)基本由3個部分組成：

(1) 感知層是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最前端，負責(zé)物體、環(huán)境等對象的識別和信息獲取.筆者于2019年2月17日—2月21日在芒壩村高山榕樹上安裝了3個人工鳥巢(利用中空的樹干制作，巢高62～75 cm，外徑22～30 cm，內(nèi)徑10～14 cm)，每個人工鳥巢中安裝2個紅外攝像頭(品牌：安捷睿安防，型號：1080P)，1個溫濕度傳感器探頭(品牌：建大仁科)；為避免鸚鵡棄卵而走，在天然巢中只安裝了1個紅外攝像頭，并未安裝溫濕度傳感器探頭.巢外(一個位于天然巢洞外，另一個位于人工巢上方)安裝2個紅外攝像機(品牌：大華，型號：樂橙TF1P).

(2) 網(wǎng)絡(luò)層通過特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議(TCP/IP、Zigbee、串口通信等)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將感知層采集的信息可靠穩(wěn)定地傳輸.物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)另納入了云計算技術(shù)，保證采集數(shù)據(jù)的實時遠程傳輸、高效同步處理和海量存儲備份.

(3) 應(yīng)用層通過軟件技術(shù)、算法設(shè)計和計算工具對云端數(shù)據(jù)做進一步的智能統(tǒng)計與自動化分析.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的西黑冠長臂猿行為生態(tài)學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)

1.2.1 研究地區(qū)

研究區(qū)域位于云南省哀牢山國家級自然保護區(qū)楚雄片區(qū)，海拔為1 800～2 600 m(101°3′E，24°34′N)，是以保護亞熱帶中山濕性常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)和西黑冠長臂猿、綠孔雀等眾多珍稀野生動物及國際重要候鳥遷徙通道為重點的保護區(qū)，屬自然生態(tài)系統(tǒng)類別森林生態(tài)系統(tǒng)類型，具有重要的保護和科研價值，非常適合作為生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護的主要研究地.此地年平均氣溫11.3 ℃，最熱月(7月)平均氣溫15.6 ℃，最冷月(1月)平均氣溫5.2 ℃.一年中干雨季分明，雨季(5—10月)降雨量可達1 600 mm，干季(11月—次年4月)降雨量在200～300 mm.山地以黃棕壤和棕壤為主，土壤呈酸性，有機質(zhì)含量較高.表土透水性良好，涵養(yǎng)水能力強.

1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及其系統(tǒng)架構(gòu)

該物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)無須人工定時定點回收數(shù)據(jù)，是在野外生態(tài)區(qū)長期獨立工作的監(jiān)測站點.該物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，其主要具備以下特點和功能：

(1) 系統(tǒng)使用多個戶外指向性拾音器(采樣頻率為32 kHz，位深度為16 bit，信噪比為85 dB)組成的自研拾音器陣列以實現(xiàn)大范圍的音頻監(jiān)測和聲源定向功能.

(2) 運用通視性分析[16]規(guī)劃無線網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸路徑，保證實時高效的數(shù)據(jù)回傳.

(3) 布置無線傳感網(wǎng)采集保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境因子.

(4) 依據(jù)實際環(huán)境條件和設(shè)備功耗設(shè)計具備遠程控制功能的太陽能供電系統(tǒng)[17]，保障監(jiān)測系統(tǒng)在野外環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信.

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的西黑冠長臂猿生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

2 研究方法

2.1 大紫胸鸚鵡行為生態(tài)學(xué)研究方法

2019年2月17—28日在芒壩村預(yù)觀察野生大紫胸鸚鵡行為，了解其基本行為節(jié)律，后期數(shù)據(jù)主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲得.通過巢內(nèi)攝像頭觀測大紫胸鸚鵡在洞內(nèi)的行為，通過巢外攝像頭觀測鸚鵡在巢穴附近的行為及集群行為，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)獲取的視頻、音頻、溫度、濕度記錄予以分析.

觀察期間每天00:00—24:00對親鳥進行不間斷觀察，分析野生大紫胸鸚鵡繁殖期的日行為節(jié)律.集群行為據(jù)實地觀察經(jīng)驗，經(jīng)巢外攝像頭獲取的音視頻記錄時間，集群時間的記錄參照郝亞南等[18]的記錄方法，記錄天氣狀況，分為晴天、陰天和雨天.集群行為統(tǒng)計8個月(2—9月)數(shù)據(jù)，共209 d.

利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)匯總，分析野生大紫胸鸚鵡在觀察期各類行為發(fā)生的比例(行為發(fā)生的比例=日行為發(fā)生時長/日總分鐘)，以時為單位對數(shù)據(jù)進行分析；利用SPSS 22.0軟件使用雙變量相關(guān)分析檢驗溫度、濕度對集群行為的影響.所有檢驗p<0.05認為具有統(tǒng)計學(xué)意義.溫度濕度每隔30 min記錄1次，結(jié)果以日計.

2.2 西黑冠長臂猿行為生態(tài)學(xué)研究方法

據(jù)研究表明，西黑冠長臂猿營一夫一妻或一夫二妻的家庭群生活[19].一個群體內(nèi)只會有一個成年雄性個體，一片區(qū)域內(nèi)成年雄性西黑冠長臂猿的個體數(shù)量通常就代表種群數(shù).為宣示領(lǐng)地和區(qū)分相鄰群體，成年雄性西黑冠長臂猿會積極調(diào)整自己的鳴聲，不同群體成年雄性個體的鳴聲會存在差異[20].據(jù)此，通過Adobe audition CC工具對監(jiān)測系統(tǒng)采集的音頻數(shù)據(jù)進行分割、降噪等預(yù)處理，選擇適于分析的鳴聲樣本提取聲學(xué)特征——梅爾頻率倒譜系數(shù)(Mel frequency cepstrum coefficient，簡稱MFCC)，利用Meanshift聚類算法對成年雄性西黑冠長臂猿鳴聲的聲學(xué)特征進行分析.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 野生大紫胸鸚鵡

3.1.1 鸚鵡孵卵期活動節(jié)律

2019年2月21日—3月8日，孵卵期雌鳥各種行為及占比分別為：孵卵(91.28%)，離巢(4.95%)，理羽(2.26%)，啄洞(1.15%).孵卵期野生雌性大紫胸鸚鵡活動時間主要集中在07:00—09:00和16:00—19:00這兩個時間段(詳見圖3).離巢有3個高峰期，分別在09:00，15:00，18:00，這說明鸚鵡活動時間集中在早上和下午，避開了溫度高、濕度低的中午.啄洞和理羽高峰期在13:00和19:00，說明鸚鵡在不活動的時候才會啄洞和理羽，警戒全天都有發(fā)生.

圖3 雌性大紫胸鸚鵡孵卵期行為節(jié)律(n=18)

3.1.2 育雛期活動節(jié)律

2019年3月9日—4月17日，育雛期雌性大紫胸鸚鵡活動時間分配如表1所示.育雛期隨雛鳥成長，喂食行為占比逐漸減少；離巢行為占比逐漸增大；理羽行為并無較大變化；在育雛前期無啄洞行為，在中后期才逐漸出現(xiàn)；警戒行為在育雛前中期占比較高，后期占比為0%.育雛期雄性鸚鵡給雌鳥喂食的行為減少，雌鳥離巢時間變長.

育雛期，雛鳥行為及占比如下：理羽(1.43%)，啄洞(2.64%)，取食(3.66%)，休息(92.27%).雛鳥孵出次日兩眼緊閉，眼球大且向外突出；雛鳥在第10日齡開始有振翅動作；13日齡眼微睜；15日齡眼睛完全睜開，在29日齡第一次爬到洞口.每日取食(23.43±11.86)次，累計日取食時間(52.77±30.95)min，每次取食時間平均(3.65±3.04) min，最長取食時間20.5 min，最短取食時間0.08 min.

表1 育雛期雌性大紫胸鸚鵡活動的時間分配 %

3.1.3 集群行為

觀察和調(diào)查發(fā)現(xiàn)3月份出雛率最高，集群行為以3月份為界，3月份以前為繁殖期，3月份以后為非繁殖期.集群行為統(tǒng)計8個月數(shù)據(jù)，共209 d，詳見表2所列.觀察時期的溫度、濕度數(shù)據(jù)列于表3.

表2 野生大紫胸鸚鵡集群時長及集群率

表3 各月份大紫胸鸚鵡集群時的溫度、濕度數(shù)據(jù)

由表2可見，繁殖期集群率較高(100%)，非繁殖期集群率逐漸降低，但繁殖期比非繁殖期集群時間短，野生大紫胸鸚鵡在2月份集群時間最短，9月份集群時間最長.野生大紫胸鸚鵡的集群時間主要集中于早上06:30—08:00.

觀察時期的雨天共22 d，其中5 d因早上下雨未集群，2 d集群時間較短；下雨時間在8:00以后的天氣，鸚鵡集群行為不受影響；在8:00以前，鸚鵡的集群時間會推遲10～20 min；正在下雨時不會發(fā)生集群行為.陰天共13 d，其中有6 d集群時長超過50 min，鸚鵡的集群時間會推遲5～10 min，集群時長會延長10 min左右.這說明陰雨天氣對鸚鵡的集群行為有一定影響.溫、濕度和集群時長的相關(guān)性分析列于表4.

表4 溫濕度和集群時長的相關(guān)性分析

注：**在 0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)；*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

由表4可知，溫度與集群時長呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.152(p<0.05)；濕度與集群時長呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.193(p<0.01).

3.2 西黑冠長臂猿

3.2.1 西黑冠長臂猿聚類分析

2018年9月15日至2019年6月30日，對西黑冠長臂猿進行基于鳴聲的持續(xù)性監(jiān)測.經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲取成年雄性西黑冠長臂猿調(diào)節(jié)音節(jié)語料樣本67條，樣本時長為6.5～10 s不等.聚類分析實驗結(jié)果顯示，聚類數(shù)最優(yōu)解均為2，由此判定聲音樣本集來源于2個成年雄性個體，故該片區(qū)應(yīng)有2個西黑冠長臂猿群體.表5為樣本聚類統(tǒng)計結(jié)果.

表5 鳴聲樣本聚類分析結(jié)果統(tǒng)計 條

長臂猿研究領(lǐng)域的專家基于西黑冠長臂猿的鳴叫行為特性提出一種種群調(diào)查的基本方法[21-22]：西黑冠長臂猿具有領(lǐng)域性，家域在100～200 hm2之間，一般而言相距500 m以上的鳴叫可認為來自不同群體.因此，筆者求得2個群體的鳴聲樣本在各拾音器的音頻分貝均值，通過比較聲強大小，兩個群體的聲源方向主要來源于西部和南偏東30°(圖4)，由此進一步驗證聚類分析結(jié)果.這與實地調(diào)查的種群數(shù)及方位分布基本一致.

圖4 拾音器陣列聲強示意圖

3.2.2 西黑冠長臂猿鳴叫與溫濕度相關(guān)性

據(jù)鳴聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(表6)顯示，西黑冠長臂猿具有顯著的晨鳴規(guī)律行為習(xí)慣，日出時間后半小時至10點是其鳴叫的高峰時段，且有季節(jié)性、氣候性變化.溫度與鳴叫時長呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.062(p>0.05)；濕度與鳴叫時長呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.134(p>0.05)(表7).

表6 西黑冠長臂猿鳴叫統(tǒng)計表

注：2018年11月，由于監(jiān)測系統(tǒng)處于測試階段，運行尚未穩(wěn)定，該期間進行了調(diào)試維護，以致部分數(shù)據(jù)缺失.

表7 溫濕度和鳴叫時長的相關(guān)性分析

注：表示**在 0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān).

4 結(jié)束語

4.1 試驗優(yōu)點

人工進行環(huán)境監(jiān)測需要消耗大量人力、物力、財力和時間，并且監(jiān)測過程和結(jié)果受天氣等諸多因素的影響[23]，數(shù)據(jù)記錄亦易受人工影響出現(xiàn)偏差[24].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有強大的實時、遠程、長期監(jiān)控等優(yōu)點，不僅可以彌補人工監(jiān)測帶來的缺陷，還適用于各種復(fù)雜多變環(huán)境的監(jiān)控，能夠滿足環(huán)境監(jiān)控對環(huán)境因子的快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測并捕獲、采集相關(guān)信息，有利于監(jiān)測穴居小型動物.

野生大紫胸鸚鵡試驗的案例是利用集中電源供電的紅外攝像頭及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時將獲取到的數(shù)據(jù)進行傳輸，不必擔(dān)心更換電池及存儲卡的問題，將紅外攝像頭安裝在巢洞內(nèi)更清楚地觀測到研究對象，解決了焦距對不準(zhǔn)和觀測距離過長的問題；其次無線傳感網(wǎng)獲得的溫度、濕度等數(shù)據(jù)可以反映環(huán)境與動物行為的相關(guān)性.西黑冠長臂猿的案例是利用太陽能供電系統(tǒng)解決了監(jiān)測系統(tǒng)在野外環(huán)境下穩(wěn)定持續(xù)的數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信的問題，使野外長距離傳輸數(shù)據(jù)成為可能，該試驗還利用無線傳感網(wǎng)記錄該片區(qū)溫濕度、光照強度、土壤溫濕度及EC值、氧氣和二氧化碳濃度等生態(tài)環(huán)境因子，以期發(fā)現(xiàn)環(huán)境與動物行為的關(guān)聯(lián).

4.2 改進及展望

因無前人經(jīng)驗，大紫胸鸚鵡試驗所用紅外攝像頭在防水、體積等方面還需改進，溫濕度傳感器的安裝缺乏一定的隱蔽性；若想獲取完整的野外生態(tài)調(diào)查，還需結(jié)合鸚鵡巢外的生物學(xué)參數(shù)；野外數(shù)據(jù)的傳輸對網(wǎng)速有一定要求，后期設(shè)備維護還需加強.目前，筆者已實現(xiàn)哀牢山國家級自然保護區(qū)局部區(qū)域西黑冠長臂猿的非人工持續(xù)監(jiān)測，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)西黑冠長臂猿種群動態(tài)以及方位分布開展了追蹤調(diào)查.由于監(jiān)測時間長，跨度大，監(jiān)測系統(tǒng)采集的音頻數(shù)據(jù)體量十分龐大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)預(yù)處理工作頗為繁重.之后將繼續(xù)致力于西黑冠長臂猿鳴聲的自動化提取、自適應(yīng)降噪及根據(jù)鳴聲的特征對聚類分析方法優(yōu)化等相關(guān)研究，以進一步完善和提高西黑冠長臂猿生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作性能.筆者利用物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)還采集到多種生態(tài)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，在現(xiàn)階段研究中尚未對這些數(shù)據(jù)進行分析與應(yīng)用，此后計劃結(jié)合遙感、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，進行野生動物生境的宏微觀生態(tài)監(jiān)測，以期更全面地調(diào)查環(huán)境與動物物種分布及行為活動等的關(guān)聯(lián)性.

對野生動物行為生態(tài)學(xué)進行長期監(jiān)測是野生動物研究、保護、管理和資源可持續(xù)利用的核心環(huán)節(jié)[25]，偏遠地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)更需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)對珍稀動物的監(jiān)測與保護[26]，并且物聯(lián)網(wǎng)還可以通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)和目標(biāo)動物的數(shù)據(jù)使野生動物的研究更便捷.物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是生態(tài)研究的新方向，還需探索不同傳感器類型及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總框架的設(shè)計.