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在馬來西亞的原始雨林中，生活著一群婆羅洲猩猩，如今，只有大約10萬頭生活在野外。去年春天，英國天文學家們使用無人機和紅外熱像儀跟蹤研究它們，天文學家在生態(tài)學家的陪同下進行實地考察，研究人員將現(xiàn)成的設(shè)備、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和從天體物理學中收集到的機器學習算法結(jié)合起來，將天文學與生態(tài)學結(jié)合起來，開創(chuàng)了一個新的協(xié)同領(lǐng)域:天體生態(tài)學。
天體生態(tài)學的初步形成
保護生態(tài)學的研究依賴于發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測動物，以了解對保護它們至關(guān)重要的因素。多年來，保護生態(tài)學家已經(jīng)欣然接受了新技術(shù)，如相機捕捉和DNA測序。在過去的十年里，保護生態(tài)學家也開始使用裝有紅外熱像儀的無人機來調(diào)查公園和荒野地區(qū)。無人機可以快速探測大片區(qū)域，但破譯所有數(shù)據(jù)非常耗時，特別是探測小動物，從遙遠的空中很難看到。
紅外熱像儀可以捕捉到動物的熱信號，這是一種更可靠的識別方法，通過將紅外熱像儀與無人機技術(shù)相結(jié)合，保護生態(tài)學家在大面積調(diào)查中獲得了巨大的優(yōu)勢。
早在2014年，利物浦約翰摩爾大學(LJMU)的環(huán)保生態(tài)學家Serge Wich在使用紅外熱像儀分析大量數(shù)據(jù)時遇到了困難，隨后求助天體物理學家 Steven Longmore。幾十年來，天文學家一直使用紅外熱像儀來研究恒星和行星系統(tǒng)的誕生。他們完善了去除背景噪聲和圖像偽影的技術(shù)，并開發(fā)了自動識別源的系統(tǒng)。
LJMU的天體生態(tài)學家Claire Burke說：“動物輝光與天文圖像中的恒星和星系的輝光完全相同。因此我們可以利用天文學的技術(shù)來找到它們。”
Longmore和Wich開始了一項合作，后來擴展到一個由天文學家、生態(tài)學家、計算機科學家和工程師組成的多學科團隊。從那以后，他們的一次偶然談話引發(fā)了大量新的研究。
使用熱像儀尋找動物
在非洲平原中，尋找大象的身影并不難，但是在森林環(huán)境中尋找較小的動物時，這就很有挑戰(zhàn)性了。因此需要較低的飛行高度來觀察較小的動物，雖然覆蓋范圍比較窄，但數(shù)據(jù)仍然是有價值的。2017年，他們在南非尋找世界上最瀕危的哺乳動物之一的河兔時，飛行高度只有20米。因為它們的總數(shù)大約只有1500只，能被觀察到5次，也是很了不起的了。
為了看到更清晰的動物熱圖像，天體生態(tài)學家通過選擇觀測的時間來增加熱信號。夜間，地面環(huán)境溫度較低，增加了物體與背景之間的溫差。一些國家和許多自然保護區(qū)都有限制無人機夜間使用的法律，所以該組織經(jīng)常選擇在黎明后的早晨觀察，那時地面仍然相對涼爽。
Longmore想知道在溫暖潮濕的叢林環(huán)境中探測動物熱信號的有效性。“我們有點擔心，”他說。“但我們很高興地看到，即使在這些非常炎熱、潮濕的環(huán)境中，紅毛猩猩仍然能被熱成像儀探測到。
FLIR紅外熱像儀可自動校正
天文學家們習慣于使用專門為他們量身定做的紅外熱像儀，但商用紅外熱像儀通常是為工業(yè)工作而設(shè)計的，比如在玻璃和塑料制造業(yè)，而不是為了追蹤瀕危動物。LJMU小組使用的紅外熱像儀是專門設(shè)計用于測量7.5到13.5微米的光譜波段，場景溫度范圍跨越近600℃。因此，需要手動進行某些校準，以便在天體生態(tài)學中使用。
Longmore說:“這些熱像儀經(jīng)過優(yōu)化，可以在非常大的(溫度)范圍內(nèi)工作，我們正在努力尋找優(yōu)化攝像頭的方法，以達到我們保護環(huán)境的目的。”為了通過熱成像來識別不同的物種，這些數(shù)據(jù)需要解決小至0.5℃的差異。此外，由于紅外熱像儀的廣角鏡頭，研究人員還必須考慮其邊緣的靈敏度下降，幸好FLIR紅外熱像儀有自動校正和校準的預(yù)編程序，但還需要額外的調(diào)整來增強動物跟蹤的數(shù)據(jù)。
FLIR T1040航拍的象群
到目前為止，已經(jīng)優(yōu)化了一種熱像儀，該小組正在研究是否可以開發(fā)一種適用于其他儀器的通用校準。天體生態(tài)學小組還調(diào)整了校準圖像的頻率，以優(yōu)化其空中應(yīng)用的數(shù)據(jù)。
研究結(jié)果的推廣
LJMU小組已經(jīng)把他們的設(shè)備帶到了世界各地。第一個概念驗證測試是在英國的一個牧場上進行的。從那時起，他們就飛到墨西哥尋找蜘蛛猴，南非尋找河兔，坦桑尼亞尋找偷獵者，馬達加斯加尋找竹狐猴，巴西尋找河豚，此外，他們還在馬來西亞與猩猩合作。
Burke說:“我們發(fā)現(xiàn)，不同種類的動物有著獨特的體溫特征，而且它們的形狀和大小也各不相同。”LJMU小組已經(jīng)從更復(fù)雜的天文識別程序中調(diào)整了機器學習算法，以更好地識別動物，并將它們與其他錯誤的來源區(qū)分開來，比如晴天里的熱石頭。
FLIR T1040
該組織還在探索與氣候變化和安全相關(guān)的問題。他們正在考慮將同樣的技術(shù)應(yīng)用于搜索和救援計劃、監(jiān)測野火以及識別地下泥炭火災(zāi)等。
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