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，天文學家在生態學家的陪同下進行實地考察，研究人員將現成的設備、數據處理技術和從天體物理學中收集到的機器學習算法結合起來，將天文學與生態學結合起來，開創了一個新的協同領域:天體生態學。
天體生態學的初步形成
保護生態學的研究依賴于發現和監測動物，以了解對保護它們至關重要的因素。多年來，保護生態學家已經欣然接受了新技術，如相機捕捉和DNA測序。在過去的十年里，保護生態學家也開始使用裝有紅外熱像儀的無人機來調查公園和荒野地區。無人機可以快速探測大片區域，但破譯所有數據非常耗時，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相結合，保護生態學家在大面積調查中獲得了巨大的優勢。
早在2014年，利物浦約翰摩爾大學(LJMU)的環保生態學家Serge Wich在使用紅外熱像儀分析大量數據時遇到了困難，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的誕生。他們完善了去除背景噪聲和圖像偽影的技術，并開發了自動識別源的系統。
LJMU的天體生態學家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，但是在森林環境中尋找較小的動物時，這就很有挑戰性了。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，但數據仍然是有價值的。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，天體生態學家通過選擇觀測的時間來增加熱信號。夜間，地面環境溫度較低，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都有限制無人機夜間使用的法律，所以該組織經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工作而設計的，比如在玻璃和塑料制造業，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，以便在天體生態學中使用。
Longmore說:“這些熱像儀經過優化，可以在非常大的(溫度)范圍內工作，我們正在努力尋找優化攝像頭的方法，以達到我們保護環境的目的。”為了通過熱成像來識別不同的物種，這些數據需要解決小至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編程序，但還需要額外的調整來增強動物跟蹤的數據。
FLIR T1040航拍的象群
到目前為止，已經優化了一種熱像儀，該小組正在研究是否可以開發一種適用于其他儀器的通用校準。天體生態學小組還調整了校準圖像的頻率，以優化其空中應用的數據。
研究結果的推廣
LJMU小組已經把他們的設備帶到了世界各地。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:“我們發現，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小組已經從更復雜的天文識別程序中調整了機器學習算法，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的問題。他們正在考慮將同樣的技術應用于搜索和救援計劃、監測野火以及識別地下泥炭火災等。
