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野生动物监测保护有高招:分析脚印儿

在野生东北虎保护过程中,国家林业局猫科动物研究中心尝试了粪便追踪、野外摄像甚至是DNA分析等多种方法,但是在摸底我国野生东北虎总数、性别比例、年龄等关键问题上仍困难重重
发布时间:2014-03-10 16:52        来源:        作者:霍娜
【赛迪网讯】在野生东北虎保护过程中,国家林业局猫科动物研究中心尝试了粪便追踪、野外摄像甚至是DNA分析等多种方法,但是在摸底我国野生东北虎总数、性别比例、年龄等关键问题上仍困难重重。于是,他们求助于国外擅长足迹分析方法进行濒危动物监测追踪的动物学家,使用其方法和工具进行分析,立刻得出了样本数据所代表的特定区域的喜人结果:有七只野生东北虎,其中四雄三雌。他们是怎么做到的呢?

  2月27日,记者在京采访了这两位动物学家――WildTrack动物保护组织联合创始人Zoe Jewell和Sky Alibhai,听他们娓娓道来借助统计分析软件来监测保护野生濒危动物的故事。

  猎人的嘲笑带来启发

  Jewell拥有剑桥大学兽医硕士学位,是WildTrack动物保护组织现任的主席、国际保护生物学协会成员。Alibhai拥有牛津大学动物学哲学博士学位,也是伦敦动物学会研究员和国际保护生物学协会会员。同时,他们夫妇俩都是杜克大学和北卡罗莱纳州SAS公司JMP事业部的访问学者,发表了大量使用非侵入式方法进行野生动物监测的论文。

  什么是非侵入式方法?他们怎样进行野生动物监测?故事还得从十几年前中非的津巴布韦讲起。

  “十多年前,我们在津巴布韦附近的一个公园里做濒危动物――犀牛的保护工作,当时我们用给犀牛带无线电项圈的方法来监控它们的生存状态。那时,无线电技术对濒危物种的监测保护而言是非常先进的技术。但这种方法成本太高,对动物本身,以及给动物套上无线电项圈的人都很危险,而且这只能在草原上使用,因为在丛林里如果有树挡着是很难追踪到信号的。最重要的是,十多年的经验表明,无线电技术的引用导致了雌性动物的受孕率下降。”Jewell介绍,“所以,我们需要一些低成本、对动物伤害少,而且最好能在任何地方都可以实施的技术来做动物的监测追踪。”

  “那时我们会跟非洲猎人一起工作。他们很善于追踪,可以通过动物的足迹和粪便来判断追踪。当我们在猎人面前使用无线电的时候,他嘲笑我们说‘你们为什么用这么愚蠢的技术,看脚印多简单、直接、清晰’。”于是,Jewell和Alibhai博士开始研究和发明FIT(Footprint Identification Technique,足迹识别技术),通过分析脚印儿来监测追踪濒危动物。

  数量、性别和年龄都能分析出

  这种方法的基本原理就是获取动物足迹影像,进行图像处理,辨识动物足迹,进行聚类比对分析。怎样辨识不同动物的脚印呢?简单地讲,就是要建立模型来区分正常人眼中貌似一样的脚印,通过统计学中的显著差异进行还原,进行分析。这需要把图形、图像技术引入到数据分析的世界,找到图形之间显著的和规律性的差别。“那时候,我们和SAS公司联合创始人,也是JMP软件的创始人――John Sall先生进行了沟通,他同意把对于图形、图像的分析能力引入到JMP软件当中去,进行一些新的开发,以帮助生态保护学家使用JMP分析所需要的图形和元素。”Jewell介绍。

  “作为一款统计分析软件,JMP的独特之处就是简单、好用,有自己的脚本语言――JSL(JMP Script Language)。我们可以在应用层面做很多事情,不用涉及到很多统计和编程原理。” Alibhai介绍,“作为动物学家,我们很怕需要被迫地去学习统计学原理和技术,那对于我们来说太难了。JMP软件可以帮助我们。”

  通过分析可以得出一定区域里出现的野生动物的种群、数量、性别等信息。事实上,一切野生动物的保护策略都必须基于它的种群数量和范围来合理制定。“我们通过分析脚印来辨识动物的身份,可以辨识动物种群、数量、性别,甚至是年龄。根据脚印,我们能知道那是五岁的老虎还是十岁的老虎。这非常难,但是FIT作为基于JMP软件开发的工具,已经能做到了,是非常了不起的突破。”Jewell自豪地说。

  20个样本建立精确模型

  在用FIT做野生动物的监测追踪过程中,有一点是非常关键的,那就是动物脚印儿的建模。“FIT生成新模型的方法是用已知的动物信息(如人工喂养的老虎、熊猫)数据进行模型训练来得到正确的模型,然后再拿另外的数据进行校验,来确保模型是正确无误的,反复校验成熟以后才用于预测功能。”Jewell介绍。

  需要多少样本数据才能建立精确的模型呢?“我们需要至少20只东北虎个体的脚印数据才能保障模型的精确性。” Alibhai博士打开他们的模型训练和测试数据结果分析图,解释道,“通过实验研究我们发现,当实际用于模型训练的数量低于12时,模型和实际就开始有偏离了。本来在理论上我们需要至少20只老虎的脚印数据,但是JMP所提供的能力让我们大大减少了所需要训练模型的样本数量。而且还让整个过程用一张图就可以很简单地表达出来,哪怕不同领域的人,给你讲一两分钟,你也可以了解得很清楚。”

  Alibhai博士介绍,每个物种都有很独特的脚印模式和特征,有些物种有高度的相似性,比如猫科动物里面的老虎、狮子、豹、山猫等,只要软件中调整一些关键参数即可。而对于像大熊猫、大象等截然不同的物种,他们就需要开发新的模型功能包。借助JMP突出的结构和算法设计,当数据量很大的时候,通过测试,JMP的处理速度与像R语言这样的算法或者市场其他软件相比,是后者的几百甚至几千倍。这也使得Alibhai博士用一台配置并不是很高的笔记本电脑就可以现场运行、展示比对分析。

  “你不需要懂得太多的统计学原理和技术,只要把一个图片的信息拉到FIT菜单里,它就能够自动计算这些图形的特征。我们可以对图像进行旋转等处理,以确保它和所设置的标准化样本能够保持一致,这样就不用对野外取证的人员有太苛刻的要求。而我们也在开发三维等更多功能,让FIT更自动化、更易用,甚至我们在研究能否结合虚拟和图像分析技术,来通过脚印分析呈现反面的脚掌信息。” Alibhai博士神采奕奕地说。

  JMP数据分析软件大中华区总经理严雪林介绍说,JMP免费为野生动物保护组织提供JMP软件,而WildTrack的动物学家使用JMP的编程语言,自行开发了FIT工具供自己研究使用,甚至免费提供给其他的野生动物保护专家和机构。而JMP作为SAS旗下的统计应用分析的高端数据分析平台,不只应用于公益组织,在金融、电信、保险、政府、制造业等几乎所有需要数据分析的行业都被应用,苹果、Intel、特斯拉、中国银联、招商银行等都是JMP的客户。

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