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(guó)天文學(xué)家們使用無人機(jī)和紅外熱像儀跟蹤研究它們，天文學(xué)家在生態(tài)學(xué)家的陪同下進(jìn)行實(shí)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(xué)中收集到的機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合起來，將天文學(xué)與生態(tài)學(xué)結(jié)合起來，開創(chuàng)了一個(gè)新的協(xié)同領(lǐng)域:天體生態(tài)學(xué)。

天體生態(tài)學(xué)的初步形成

保護(hù)生態(tài)學(xué)的研究依賴于發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)動(dòng)物，以了解對(duì)保護(hù)它們至關(guān)重要的因素。多年來，保護(hù)生態(tài)學(xué)家已經(jīng)欣然接受了新技術(shù)，如相機(jī)捕捉和DNA測(cè)序。在過去的十年里，保護(hù)生態(tài)學(xué)家也開始使用裝有紅外熱像儀的無人機(jī)來調(diào)查公園和荒野地區(qū)。無人機(jī)可以快速探測(cè)大片區(qū)域，但破譯所有數(shù)據(jù)非常耗時(shí)，特別是探測(cè)小動(dòng)物，從遙遠(yuǎn)的空中很難看到。

紅外熱像儀可以捕捉到動(dòng)物的熱信號(hào)，這是一種更可靠的識(shí)別方法，通過將紅外熱像儀與無人機(jī)技術(shù)相結(jié)合，保護(hù)生態(tài)學(xué)家在大面積調(diào)查中獲得了巨大的優(yōu)勢(shì)。

早在2014年，利物浦約翰摩爾大學(xué)(LJMU)的環(huán)保生態(tài)學(xué)家Serge Wich在使用紅外熱像儀分析大量數(shù)據(jù)時(shí)遇到了困難，隨后求助天體物理學(xué)家 Steven Longmore。幾十年來，天文學(xué)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(dòng)識(shí)別源的系統(tǒng)。

LJMU的天體生態(tài)學(xué)家Claire Burke說：“動(dòng)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(xué)的技術(shù)來找到它們。”

Longmore和Wich開始了一項(xiàng)合作，后來擴(kuò)展到一個(gè)由天文學(xué)家、生態(tài)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工程師組成的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)。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(dòng)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(dòng)物時(shí)，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(dòng)物，雖然覆蓋范圍比較窄，但數(shù)據(jù)仍然是有價(jià)值的。2017年，他們?cè)谀戏菍ふ沂澜缟献顬l危的哺乳動(dòng)物之一的河兔時(shí)，飛行高度只有20米。因?yàn)樗鼈兊目倲?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(dòng)物熱圖像，天體生態(tài)學(xué)家通過選擇觀測(cè)的時(shí)間來增加熱信號(hào)。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(guó)家和許多自然保護(hù)區(qū)都有限制無人機(jī)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(shí)地面仍然相對(duì)涼爽。

Longmore想知道在溫暖潮濕的叢林環(huán)境中探測(cè)動(dòng)物熱信號(hào)的有效性。“我們有點(diǎn)擔(dān)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(cè)到。

FLIR紅外熱像儀可自動(dòng)校正

天文學(xué)家們習(xí)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(jì)的，比如在玻璃和塑料制造業(yè)，而不是為了追蹤瀕危動(dòng)物。LJMU小組使用的紅外熱像儀是專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量7.5到13.5微米的光譜波段，場(chǎng)景溫度范圍跨越近600℃。因此，需要手動(dòng)進(jìn)行某些校準(zhǔn)，以便在天體生態(tài)學(xué)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(dá)到我們保護(hù)環(huán)境的目的。”為了通過熱成像來識(shí)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(dòng)校正和校準(zhǔn)的預(yù)編程序，但還需要額外的調(diào)整來增強(qiáng)動(dòng)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(zhǔn)。天體生態(tài)學(xué)小組還調(diào)整了校準(zhǔn)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(gè)概念驗(yàn)證測(cè)試是在英國(guó)的一個(gè)牧場(chǎng)上進(jìn)行的。從那時(shí)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(dá)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(dòng)物有著獨(dú)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(shí)別程序中調(diào)整了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以更好地識(shí)別動(dòng)物，并將它們與其他錯(cuò)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(jì)劃、監(jiān)測(cè)野火以及識(shí)別地下泥炭火災(zāi)等。