自然保護區(qū)亞洲象活動行為監(jiān)測方法研究

李艷杰，召玉龍

(云南西雙版納國家級自然保護區(qū)科學研究所，云南 景洪 666100)

1 引言

因自然環(huán)境保護的較為完整，云南省西雙版納地區(qū)也成為我國首批自然保護區(qū)中的一個。首批西雙版納自然保護區(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)的自然保護區(qū)的規(guī)劃面積達到3.5萬hm2，生態(tài)環(huán)境適合30多種瀕危植物生長，容納國家保護動物高達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)量達到200多頭，但亞洲象作為大型動物，經(jīng)常會出現(xiàn)在人類活動的范圍并對人類的財產(chǎn)進行破壞[2，3]。

野生動物一般不會主動到人類的生存范圍內(nèi)活動[5]。經(jīng)過相關(guān)學者的觀察和總結(jié)可知，造成野生亞洲象活動范圍超出賴以生存的原因有很多，其中的一個主要原因在于其棲息范圍不斷地縮小。幾十年來，西雙版納人口翻了一倍，人口的增多勢必要占用更多的土地和資源，與野生動物的需求發(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。遷徙后的土地沒有足夠的食物，象群只好冒險來人類的地盤覓食[7，8]。

為有效保護亞洲象群，對亞洲象活動行為展開監(jiān)測變得十分重要，這也是幫助象群恢復正常生活的重要一步。為此，本研究設計了自然保護區(qū)亞洲象活動行為監(jiān)測方法。

2 亞洲象活動行為監(jiān)測方法設計

2.1 利用聲音監(jiān)測技術(shù)提取活動信號

動物的不同行為會發(fā)出不同的聲音，根據(jù)亞洲象不同活動發(fā)出的不同聲音來判斷它的活動。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區(qū)的傳感器，采集大象日常活動的聲音。

以大象最常見的進食行為舉例，可以采集到吞咽和咀嚼的聲音。由于自然保護區(qū)中的生物很多，為了避免采集大量的無用數(shù)據(jù)，在處理聲音數(shù)據(jù)的時候會進行干擾排除[9]。大象的活動聲音主要是通過麥克風進行收集，而干擾排除的處理工作是依靠n50032芯片實現(xiàn)。將活動聲音作為采集節(jié)點最終發(fā)送到信號接收器中，再由網(wǎng)絡傳輸?shù)絇C端口進行聲音信息化處理。由于野生大象無法像家養(yǎng)動物一樣佩戴監(jiān)測項圈，因此，發(fā)送信號的傳感器的覆蓋范圍一定要覆蓋整個大象日常的活動范圍才能保證搜集的信息完整。

在聲音監(jiān)聽的時候如果大象出現(xiàn)了異常的行為，例如，長鳴、奔跑等，可能是出現(xiàn)了偷獵現(xiàn)象，一定要及時聯(lián)系有關(guān)部門進行救助和抓捕偷獵[10]。聲音傳感器和干擾排除算法的結(jié)合可以實現(xiàn)對大象行為的收集，進食飲水活動行為是否正常也可以間接判斷大象的身體健康，實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控。但只通過聲音的判斷終究是片面的，還應結(jié)合視覺上的判斷，設計視覺監(jiān)控的機器來監(jiān)測亞洲象的活動行為。

2.2 使用視覺監(jiān)控機器

為了克服單一監(jiān)測方式的局限性，可以將視覺監(jiān)控機器與聲音信號傳感器相結(jié)合，利用視頻監(jiān)測精準地采集到亞洲象進食活動時下頜部位的運動軌跡，然后將運動匯集通過信息轉(zhuǎn)換成質(zhì)心軌跡曲線實現(xiàn)對大象進食頻率的監(jiān)測。

在亞洲象休息的時候，可以利用視覺監(jiān)控機器來觀察大象呼吸的頻率和腹部的起伏情況，以此來收集大象正常活動的心跳數(shù)據(jù)。與佩戴在動物身上的隨身監(jiān)測機器相比，視頻監(jiān)控機器不會影響大象的正常活動，也不會因為大象的劇烈運動而導致機器脫落[11-12]。且視覺監(jiān)控機器無線傳感節(jié)點易固定，身量小巧在野外環(huán)境中方便隱藏，對監(jiān)測環(huán)境要求不高，適合監(jiān)測野生動物的行為。將行為信息收集完整后，最后一步就是根據(jù)亞洲象的習性對行為進行分類，判斷是正常行為還是異常行為。

2.3 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)進行行為分類和預測

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

人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)能夠利用數(shù)學方法來完成對信息的高效處理，且具有自適應較強的特點，適合用于進行動物行為識別。將聲音信息和視頻收集的信息作為參數(shù)可以將動物的異常行為識別出來[13，14]，也可以通過參數(shù)的規(guī)律進行行為預測。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)還可以通過象群的平均進食量計算當前的棲息環(huán)境的食物是否充足。如果象群出現(xiàn)異常活動，可以人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的計算結(jié)果判斷是否因為食物稀缺造成。專業(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區(qū)的活動范圍，通過聲音識別和視頻監(jiān)測對象群實時定位，通過人工網(wǎng)路技術(shù)計算人類活動范圍的距離，并對象群實施路線引導，引導象群遠離人類村莊，避免對人類的生命財產(chǎn)造成威脅。

3 仿真監(jiān)測實驗

為驗證上述方法的有效性，以云南省某自然保護區(qū)為實驗環(huán)境設計如下仿真實驗。模擬兩頭成年大象的行動軌跡進行檢測研究。實驗環(huán)境中，大象的活動范圍自由，有充足的食物和水源供給，檢測時間為早9點到第二天早9點，為期24 h。對比本文設計的活動行為監(jiān)測方法和傳統(tǒng)的高清監(jiān)視器監(jiān)測方法、基于人工算法的監(jiān)測方法的監(jiān)測效果。

3.1 實驗準備

仿真定位實驗為了達到逼真的實驗效果，在實驗環(huán)境中設置障礙和樹木，地形的構(gòu)建也是凹凸不平。將實驗范圍中設置8個節(jié)點作為節(jié)點參考，以實驗環(huán)境的左上方為坐標遠點，定位部署示意圖如圖1所示。

圖1 定位節(jié)點部署示意

對圖1的節(jié)點部署圖進行分析，根據(jù)傳感器的通訊半徑計算和距離擬合結(jié)果，定位節(jié)點的通訊半徑最終定位200 m，8個節(jié)點對于實驗場地實現(xiàn)信號全覆蓋，因此，節(jié)點在實驗中途移動并不影響實驗最終的定位效果。節(jié)點的覆蓋效率如表1所示。

基于表1的節(jié)點的覆蓋效率，布置參考節(jié)點的時候高度設置為20m，8處節(jié)點處于同一高度。仿真平臺的定位節(jié)點的網(wǎng)絡地址修改為協(xié)調(diào)器狀態(tài)。為保證定位測試結(jié)果不具備偶然性進行3次測試，并定位模擬亞洲象的坐標。

3.2 實驗結(jié)果與分析

3種方法的定位坐標的結(jié)果如表2。

表1 節(jié)點的信號覆蓋效率

表2 測試結(jié)果

通過表2的坐標信息可以計算出，本文設計的檢測方法3次測試的平均定位誤差為0.86 m，監(jiān)視器監(jiān)測方法的定位平均誤差為3.48 m，基于人工算法的監(jiān)測方法的定位平均誤差為2.73 m。誤差數(shù)據(jù)的對比結(jié)果顯示，本文設計的活動行為監(jiān)測方法的定位誤差更小，監(jiān)測的結(jié)果更準確。

4 結(jié)論

對西雙版納自然保護區(qū)亞洲象的活動行為展開監(jiān)測，對于有效監(jiān)管象群具有重要意義。本文利用聲音監(jiān)測和視覺監(jiān)控的方式監(jiān)測亞洲象活動行為，且所使用的監(jiān)測設備縮小了視頻監(jiān)測器的大小，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)絡技術(shù)對亞洲象的行為進行了分類和預測，進一步優(yōu)化了監(jiān)測效果。綜上所述，本文研究能夠為促進野生動物監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。