紅外相機技術在石窟寺與古建筑動物活動監測中的應用

陳 章,李 隆,武發思,朱非清,汪萬福,趙雪芬,岳永強

[1． 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;2． 古代壁畫保護國家文物局重點科研基地(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;3． 甘肅省敦煌文物保護研究中心(敦煌研究院),甘肅酒泉 736200;4． 甘肅炳靈寺文物保護研究所(敦煌研究院),甘肅臨夏 731100;5． 麥積山石窟藝術研究所(敦煌研究院),甘肅天水 741000]

0 引 言

生態研究通常需要觀察動物活動及其行為,由于動物活動機敏、習性多樣,人類無法在充分觀察的情況下記錄動物活動[1]。20世紀90年代以來,隨著數碼影像技術(如自動相機技術或紅外相機技術(automated-camera monitoring technology或camera trapping)的發展,紅外相機技術作為一種“非損傷性”的物種調查和記錄技術,在近30年來得到了快速發展并廣泛應用于野生動物研究[2-3]。紅外相機技術是指通過自動相機系統(如被動式/主動式紅外觸發相機或定時拍攝像機等)來獲取野生動物圖像數據(照片/視頻),并通過這些圖像來分析野生動物的物種分布、種群數量、行為和生境利用等重要信息[4-6]。目前,絕大多數國家自然保護區均使用紅外相機進行野生動物資源的調查和評估[7-9]。文化遺產領域由于前期研究與歷史數據的缺乏,許多文物賦存環境中野生動物活動與多樣性狀況尚未明晰,動物損害監測與防治研究工作進度遲緩,紅外相機監測動物活動的應用更是鳳毛麟角,僅見于個別遺產地[10]。

石窟寺和古建筑作為人類文明的重要載體和歷史發展不可或缺的物證,保存有大量的古代壁畫、彩塑、彩繪等文化遺存,具有重要的歷史、藝術、科學、社會和文化價值。這些遺產地大多營造在遠離市區的偏僻地點或幽靜山林中,極易成為鳥類、鼠類和蝙蝠等動物的天然棲息地或避難所,它們在壁畫、彩塑等文物表面活動,造成文物本體的侵蝕破壞,長期以來成為威脅文物安全保存的重要因素。

近年來,國內、外文物保護工作者針對石窟寺與古建筑動物調查及損害方面已開展了大量的研究工作[11-14],但動物損害監測與防治還存在諸多困難,具體表現為:1)許多野生動物具有隱蔽性強、活動范圍廣、機動靈活和主動擴散能力強等特點,無法獲取其對文物本體損害的直接證據;2)部分動物有晝伏夜出的習性,夜間很難觀察到實體,甚至很難發現痕跡;3)傳統的利用肉眼、望遠鏡等監測手段面臨工作人員無法近距離捕捉動物圖像、工作強度大且效率低下的情況。因此,使用紅外相機技術取代人工拍攝已成為當下遺產地動物監測研究的新途徑。

本研究團隊自2018年1月至2021年6月,選取世界文化遺產地敦煌莫高窟、天水麥積山石窟、永靖炳靈寺石窟和全國文物重點保護單位蘇州紫金庵作為研究對象(圖1),將紅外相機技術應用于4處遺產地進行動物活動監測,旨在掌握遺產地動物種群特征、活動節律以及為動物防治提供技術支撐和科學依據。

圖1 紅外相機技術應用于四處文化遺產地Fig.1 Infrared camera technology applied to four cultural heritage

1 研究方法

1．1 紅外相機布設

由于遺產地監測區域文物賦存環境特殊且動物活動范圍較大,故采用隨機布設法。2018年1月起,開始在遺產地監測點布設紅外相機(表1),通過現場觀察到的動物痕跡(如足印、食痕、抓痕、落羽、糞便、巢穴等),選擇視野開闊前方且無障礙物遮擋的位置布設紅外相機。同時記錄每個位點的相機編號、布設時間、GPS位點等信息[15]。監測照片將記錄每臺相機的編號、位置坐標、海拔、相機周邊微生境類型等信息[4]。22臺紅外相機共布設50個位點(表1),每個位點監測4個月左右后,進行電池更換和內存卡數據讀取。根據遺產地所在區域的氣候特征,四季劃分為春季3～5月,夏季6～8月,秋季9～11月,冬季12月至翌年2月。

表1 各遺產地紅外相機布設情況Table 1 Arrangement of infrared cameras at each heritage site

1．2 相機參數設置

使用千里拍(Bestguarder?SG-999V)紅外相機,其拍照物理像素為1 200萬,視頻尺寸為1 080 P。相機參數設置為照片(3張連拍)或視頻(30 s)模式,熱紅外(PIR)感應觸發間隔為60 s,靈敏度設置為高。每次安裝16節南孚5號無汞堿性電池。

1．3 數據收集

定期將內存卡照片數據按相機位點編號保存,刪除相機視野中人為干擾(游客、工作人員)、光線變化、雜物等誤拍照片,物種鑒定參考《中國鳥類野外手冊》[16]、《中國哺乳動物圖鑒》[17];物種分類參照《中國鳥類分類與分布名錄》(第三版)[18]、《中國哺乳動物多樣性》(第2版)[19],如照片不清晰無法分辨物種時,則借助視頻輔助鑒定。鑒定之后統計照片數,并將照片按照物種名稱重新命名,便于日后查看和分析。

1．4 數據處理

從2018年1月至2021年6月,剔除相機視野中人為(游客、工作人員)擾動、光線變化干擾等的無效照片,將獲得22臺紅外相機的照片數據進行統計,包括拍攝日期和時間、動物種類、數量等。同一位點的紅外相機在野外連續工作24 h為1個相機工作日,同一部相機在30 min內連續拍攝的同種動物照片只定義為該物種的1張獨立有效照片(Independent effective photo)[20]。并將照片按獸類、鳥類進行歸類統計。采用相對多度指數(Relative abundanceindex,RAI)作為評估動物物種種群相對數量的指標,計算公式[20]如下:

RAI=Ai/T×100

(1)

式中,Ai為第i種動物出現的獨立有效照片數;T為總的相機工作日,即所有相機位點正常工作累計的捕獲日。

比較4處遺產地相對多度指數排名首位的物種(優勢物種)數據,以月相對多度指數(Monthly relative abundance index,MRAI)和季節相對多度指數(Seasonal relative abundance index,SRAI),分析4種優勢物種的月份和季度活動節律:

MRAI=Mi/Ti×100

(2)

SRAI=Nj/Tj×100

(3)

式中,Mi為第i月(i=1～12)4種優勢物種的獨立有效照片數;Nj為該季節(j=春、夏、秋、冬)4種優勢物種的總獨立有效照片數;Ti為第i月紅外相機工作日;Tj為第j季紅外相機工作日。為方便分析物種日活動規律,將某一動物大多數時間在夜間活動,定義為夜行性動物。將一天以每2 h為單位劃分為06∶00～08∶00、08∶00～10∶00、10∶00～12∶00等12個時間段[21],日活動節律采用日活動強度指數(Daily activity index,DAI)表示,定義如下[22]計算公式:

DAI=Nij/Ni×100

式中,Nij為第i種(i=1～4)動物出現在第j個時間段(j=1～12)內的獨立有效照片數;Ni為第i種動物的獨立有效照片總數[23]。

采用Excel 2016對監測數據進行統計處理,制圖采用Origin 2017軟件。

2 結果與分析

2．1 獸類和鳥類物種組成

2018年1月至2021年6月,4處遺產地22臺相機累積工作日9 463 d,其中,莫高窟相機累積工作日2 473 d,炳靈寺石窟相機累積工作日4 199 d,麥積山石窟累積工作日2 122 d,紫金庵相機累積工作日669 d。共獲得鳥類獨立有效照片7 596張(表2、圖2),隸屬于3目8科9種,包括6種雀形目鳥類,占鳥類總物種數的66.67%;鴿形目2種,占鳥類總物種數的22.22%;啄木鳥目1種。共獲得獸類獨立有效照片3 350張,隸屬于3目5科9種,包括7種嚙齒目動物,占獸類總物種數的62.45%,勞亞食蟲目、兔形目各1種。

表2 基于紅外相機監測下的各遺產地動物名錄Table 2 Animal list of each heritage site monitored with infrared cameras

(續表2)

2．2 物種多度指數

在紅外相機記錄的18種野生動物中,各遺產地RAI排名首位的鳥類分別是:[樹]麻雀(RAI=11.56,莫高窟)、巖鴿(RAI=75.99,炳靈寺石窟)、北紅尾鴝(RAI=10.27,麥積山石窟),3種鳥類的獨立有效照片數共計3 695張,占鳥類獨立有效照片總數的48.64%。相機位點出現率較高的鳥類是巖鴿(16個位點)、原鴿(12個位點)、北紅尾鴝(8個位點)。巖鴿、原鴿、[樹]麻雀存在集群活動情況,最大數量分別是34只、21只和10只,3只以上獨立照片分別為712張、565張、78張。

各遺產地RAI排名首位的獸類分別是:大沙鼠(RAI=35.75,莫高窟)、巖松鼠(RAI=43.17,麥積山石窟)、珀氏長吻松鼠(RAI=43.65,紫金庵),3種獸類的獨立有效照片數共計2 092張,占獸類獨立有效照片總數的62.44%。相機位點出現率的獸類是巖松鼠(7個位點)、大沙鼠(5個位點)、復齒鼯鼠(4個位點)。統計獸類照片時發現,珀氏長吻松鼠、褐家鼠均具有集群現象,最大數量分別是8只、6只,3只以上獨立照片分別為98張與135張。

2．3 優勢物種的活動節律

季節相對多度指數SRAI研究結果表明,每年隨著溫度變化和季節性交替,4種優勢物種活動頻率均表現為夏季達到最高,冬季最低(圖3)。月相對多度指數MRAI結果顯示,每年1月活動頻率最低,8月活動頻率最高,6～7月為活動頻率增長期,9～12月為活動頻率下降期,2～5月相對穩定(圖3)。

圖3 遺產地4種優勢物種的年活動格局Fig.3 Annual activity pattern of four dominant species at the heritage sites

對4種優勢物種日活動節律統計發現,巖鴿、大沙鼠、巖松鼠均表現出典型的晝行性特征,大沙鼠活動曲線呈雙峰型,日活動最高峰期為08∶00～10∶00,巖鴿與巖松鼠日活動高峰期均為10∶00～12∶00,巖松鼠在高峰期后12∶00～18∶00保持持續性活躍狀態。珀氏長吻松鼠大部分活動時間在晚上,為夜行性動物,日活動高峰期在02∶00～04∶00(圖4)。具有夜行性的動物還有:復齒鼯鼠、三趾跳鼠、五趾跳鼠、褐家鼠、大耳猬。蒙古兔為晝夜都能活動,但晨昏活動更為頻繁。

圖4 遺產地4種優勢物種的日活動節律Fig.4 Daily activity rhythms of four dominant species at the heritage sites

2．4 動物物種的危害現狀

紅外相機照片可記錄動物在遺產地的分布、種類、數量、活動軌跡等信息。結合現場現狀調查發現,動物活動已嚴重威脅到遺產地文物安全和賦存環境(圖5)。鳥類對文物的危害形式主要包括:1)文物表面造成抓痕;2)筑巢;3)糞便污染腐蝕文物畫面,其中的某些物質還可能與顏料發生化學反應。獸類對文物的危害形式主要有:1)鼠類打洞造成文物本體空鼓、破損;2)鼠類活動抓損文物表面;3)糞便污染。

調查中還發現動物類群存在對自然環境的破壞作用,如莫高窟周邊為地域開闊的荒漠生境,大沙鼠啃食梭梭(Haloxylonammodendron)、白刺(Nitrariatangutorum),破壞窟頂防沙麥草方格,大耳猬常取食沙生植物幼果、嫩芽等,造成防風固沙綜合體系的破壞,影響莫高窟整體的文物賦存環境。

3 討 論

本研究首次基于紅外相機技術監測遺產地動物活動,共拍攝到18種野生動物,隸屬于6目13科,相較于國內自然保護區紅外相機調查數據,物種數相對較低[24-25]。原因可能有:1)紅外相機連續工作時間短,這與本研究監測區域有關,遺產地作為文化游覽地,游客參觀給相機監測帶來了較大的人為干擾,人員流動中容易引起相機觸發,電量耗費快,縮短了紅外相機獨立工作日;2)紅外相機空間布局上未完全覆蓋許多物種的核心分布區;3)許多物種在遺產地內的種群數量可能較少,不易被相機捕捉到;4)紅外相機對小型獸類拍攝效果不佳,如本研究拍攝到的某些嚙齒類動物,無法辨識到種。此次共監測到雀科、鹟科、鴉科、鹡鸰科等4種鳥類,占鳥類物種總數的44.45%,這表明紅外相機可有效監測地棲性或半地棲性鳥類[26],但實際上非地棲性鳥類數量更多,而這些鳥類是否能被紅外相機拍攝到具有偶然性。此外,通過照片分辨還可積累同一物種不同個體的性別、成幼等種群參數,對進一步研究這些物種的行為習性、種群變化、與遺產地環境之間的相互關系具有重要的意義。

此次調查到巖松鼠物種多度指數(RAI=43.17),遠高于河北太行山東坡南段(RAI=10.10)[27]、天津盤山風景名勝區(RAI=3.17)[28],蒙古兔物種相對多度指數(RAI=1.58)介于河北太行山東坡南段(RAI=3.49)[27]和寧夏六盤山國家級自然保護區(RAI=1.519)[29]之間,說明同一物種在不同地區的種群數量、活動區域等都存在明顯差異,可能與調查區域內布設紅外相機的數量、網格的大小以及人為干擾等有關[4]。4個優勢物種年活動節律均表現為單峰型特征,夏季(7～9月)為活動高峰期,其次為秋季和春季,冬季最低,這與食物資源季節性分布不均[30]及氣溫變化有關[31]。日活動節律比較發現,本研究中巖松鼠日活動高峰期為10∶00～12∶00,稍晚于北京松山國家級自然保護區(08∶00～10∶00)和天津盤山風景名勝區(07∶00～08∶00),巖鴿的日活動高峰為10∶00～12∶00,早于內蒙古民航機場巖鴿活動(14∶00～16∶00),說明動物活動節律與所處環境息息相關,取決于該物種所在環境中的地形地貌、植被、食物和人為活動等因素[30-32]。

動物活動是影響遺產地文物及賦存環境的重要因素,長期以來,國內、外文物保護工作者開展了大量的文物有害動物調查工作[33-35],涉及石窟寺與古代壁畫、土遺址、館藏等多種文物類型。如柴長宏等對麥積山石窟及周邊環境有害生物進行了系統調查,危害動物為72種,隸屬于2界4門6綱12目39科59屬,鼯鼠、松鼠、蜂類的危害最為嚴重[36]。仝艷鋒等調查發現,濟南華陽宮壁畫的有害動物主要以鳥類、壁虎類和蛇類為主[37]。但這些調查均借助于傳統的肉眼觀察、數碼相機拍攝等方式,對于一些活動隱蔽、難以跟蹤的夜行性動物類群(如鼠類、兔類、蝙蝠等),無法完成全天候的實時監測,只有通過紅外相機技術實現動物實體影像資料及活動特征有效記錄,便于掌握動物實時活動節律與軌跡,為評估其對文物危害程度及制定相應的防治措施提供重要依據。

根據紅外相機監測發現,危害文物的主要動物類群為鳥類與鼠類,結合其活動特征的前期研究結果,基于石窟寺與古建筑文物安全、賦存環境、美觀度等因素,建議從主動預防和被動防治兩方面開展針對性的防治對策:

1) “聲光電”技術驅趕。超聲波會對特定范圍內的動物聽覺神經系統產生干擾和刺激,使其對超過100 db的聲壓感到不適,進而放棄食物、水和隱藏之處后不斷遷移[12,38]。智能語音燈光驅逐裝置可結合閃光、喇叭聲或天敵聲音恐嚇等方式,從視覺和聽覺上達到驅逐目的[39]。雖然這種技術短期內對于動物驅逐能達到一定作用[40-41],不過由于這種人造超聲較為“機械”,與動物自身發出的厭惡超聲相比過于簡單且在聲波特征上有所不同,對動物而言只是超聲噪音,長期效果如何?長期使用是否會產生適應性?這些都有待進一步考證。

2) 活動環境惡化。借助動物驅逐劑有效成分緩慢持久地釋放,能影響動物三叉神經系統、呼吸系統的特殊氣味,動物聞后產生躲避逃離反應,能有效減少動物棲息和筑巢現象[42-43]。由于凝膠的黏性作用,許多動物身體表面或羽毛、尾部粘附凝膠,存在帶到文物表面或對賦存環境構成風險[44],因此驅逐劑的使用需保證與文物間的距離。

3) 人工封堵。紅外相機監測發現,洞窟孔洞、古建筑窗格及木質橫梁等已成為動物進出的主要通道,因此通過排查石窟寺與古建筑存在的孔洞縫隙,架設不銹鋼網屏障,以減少動物的自由進出。阻止病害動物接近文物環境是比較常用且有效的方法。有研究表明,石窟門窗安裝紗網后,進入洞窟的昆蟲數量可比安裝前減少85%以上[45],架設不銹鋼網可以在不破壞文物價值和美觀度的情況下推廣使用。未來動物防治或將逐漸向特定區域內多種措施綜合使用發展,形成點面結合、空間互補的綜合防治體系,文物保護領域的動物防治才更具科學性。

4 結 論

本研究主要獲得以下結論:

1) 本研究共監測和鑒定到鳥類3目8科9種,哺乳類3目5科9種;根據相對多度指數(RAI)確定敦煌莫高窟、永靖炳靈寺石窟、天水麥積山石窟和蘇州紫金庵典型優勢物種分別為:大沙鼠(Rhombomysopimus)(RAI:35.75)、巖鴿(Columbarupestris)(RAI:75.99)、巖松鼠(Sciurotamiasdavidianus)(RAI:43.17)和珀氏長吻松鼠(Dremomyspernyi)(RAI:43.65);

2) 4種優勢物種均表現為夏季活動頻率最高,冬季最低;月活動節律為1月最低,8月最高,2～5月相對穩定;日活動節律顯示,巖鴿、大沙鼠、巖松鼠為晝行性動物,珀氏長吻松鼠為夜行性動物;大沙鼠呈雙峰型活動曲線,日活動最高峰期為8∶00～10∶00,巖鴿與巖松鼠均為10∶00～12∶00,珀氏長吻松鼠為2∶00～4∶00。

3) 紅外監測結合現場現狀調查發現,鳥類主要通過抓傷、筑巢、糞便污染等形式危害文物,獸類常通過打洞、抓損及糞便污染形式對文物造成威脅;建議基于監測數據,探索使用“聲光電”技術驅趕、活動環境惡化、人工封堵等措施并評估防治效果,科學防控以降低動物活動對文物的危害。