一種研究光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉 剛，陳曉超，任卓菲，韓 臻，陳雨祺，劉芳博

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

城市照明的快速發(fā)展促使全球夜空亮度呈指數(shù)增長(zhǎng)，由此引起的光污染對(duì)鳥類個(gè)體行為和種群數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響?；邙B類夜間生境保護(hù)的需要，通過實(shí)驗(yàn)來量化人工光對(duì)鳥類影響的光參數(shù)閾值以指導(dǎo)生態(tài)照明工程實(shí)踐顯得尤為重要。但我國(guó)目前在人工光對(duì)鳥類行為影響的研究仍存在不足，室內(nèi)監(jiān)測(cè)光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)也未形成統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)和方法?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法往往占用較多實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，并且難以保證實(shí)驗(yàn)樣本所處環(huán)境的一致性以及免受其他因素的影響?；谀壳按嬖诘膯栴}，本文將介紹一種用于研究光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)箱外箱體設(shè)計(jì)

針對(duì)目前研究人工光對(duì)鳥類行為影響的實(shí)驗(yàn)存在占地多、浪費(fèi)人力成本、難以保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象獨(dú)立性等諸多問題，設(shè)計(jì)了一種節(jié)約場(chǎng)地、避免外界干擾、實(shí)驗(yàn)空間獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)箱。箱體由厚鐵皮制成，外部尺寸為0.9 m×0.45 m×0.45 m，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)箱外箱體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the outside box of the test box

a為箱體0.9 m×0.45 m一側(cè)設(shè)置的雙開門，便于放置實(shí)驗(yàn)樣本和燈具。國(guó)外一些研究人工光對(duì)鳥類行為影響的類似實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中多采用混合白光模擬白天的自然光環(huán)境[1-4]，但這并不能如實(shí)反應(yīng)一天中自然光的變化，針對(duì)這一情況，在箱體0.45 m×0.45 m一側(cè)設(shè)置的透明亞克力板，以便用于白天引入自然光和夜晚進(jìn)行圖像采集(如圖1中b所示)。

除設(shè)有亞克力窗的一面，箱體其余內(nèi)壁均貼有隔聲阻尼膠和聚酯纖維吸音棉(如圖1中c所示)，用于隔絕外來噪聲和吸收箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的聲音。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，設(shè)有隔聲阻尼膠和聚酯纖維吸音棉可以在高頻范圍內(nèi)將外界70 dB (Z計(jì)權(quán))的聲音降低至箱內(nèi)29.8 dB (Z計(jì)權(quán))，如圖2所示。多項(xiàng)鳥類研究表明環(huán)境噪聲≥45 dB(A)水平下，鳥類鳴聲特征、繁殖、應(yīng)激激素水平和物種豐富度發(fā)生了變化[5, 6]，而此實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)聲環(huán)境遠(yuǎn)小于對(duì)鳥類產(chǎn)生影響的環(huán)境噪聲閾值。

圖2 實(shí)驗(yàn)箱隔聲數(shù)據(jù)圖示Fig.2 The sound insulation data of test box

d為送風(fēng)管口，外接置于箱外的送風(fēng)風(fēng)扇，e為排風(fēng)管口，用于保證箱體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象通風(fēng)換氣的需要和帶走燈具和實(shí)驗(yàn)對(duì)象活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量。

人工光對(duì)鳥類行為影響的實(shí)驗(yàn)研究需引入天然光作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)箱分為用于監(jiān)測(cè)人工光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)箱和監(jiān)測(cè)天然光干擾下鳥類行為特征的對(duì)照組實(shí)驗(yàn)箱。

1.2 監(jiān)測(cè)人工光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)人工光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)組箱體，如圖3所示，用于監(jiān)測(cè)不同光譜類型下不同照度的人工光對(duì)鳥類行為特征的影響。

箱體內(nèi)的投光燈和用于調(diào)節(jié)光源參數(shù)并放置于箱外的控制器組成人工光刺激組件。Raap等[7]研究人工光對(duì)大山雀生物節(jié)律的影響中，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)箱入口的上方放置LED用作實(shí)驗(yàn)光源，但這樣可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)眩光，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此我們將投光燈面向箱內(nèi)頂部發(fā)光，并設(shè)計(jì)漫反射箱頂，將LED發(fā)出的光均勻反射到整個(gè)箱內(nèi)空間。箱體外設(shè)有攝像系統(tǒng)，用于記錄實(shí)驗(yàn)對(duì)象在人工光干擾下的行為特征。

1.3 監(jiān)測(cè)天然光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)天然光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)箱為對(duì)照組箱體，如圖4所示，用于監(jiān)測(cè)天然光背景下實(shí)驗(yàn)對(duì)象的自然睡眠節(jié)律。對(duì)照組實(shí)驗(yàn)箱用紅外攝像儀鏡頭作為數(shù)據(jù)收集工具，以便觀察箱內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的活動(dòng)情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)箱示意Fig.3 Schematic diagram of experimental box of experimental group

圖4 對(duì)照組實(shí)驗(yàn)箱示意Fig.4 Schematic diagram of control group test box

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

1)實(shí)驗(yàn)選址。實(shí)驗(yàn)應(yīng)選取一間光線通透、溫度適宜、面積足夠的室內(nèi)場(chǎng)地。為保證實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)樣本不受到外界環(huán)境的干擾，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地外不宜設(shè)置在噪聲污染嚴(yán)重的區(qū)域；因?qū)嶒?yàn)研究的主要變量為人工光，所以實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)盡量選擇夜間無其他人工光干擾的地區(qū)。

2)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地確定以后，將實(shí)驗(yàn)箱以一定間隔并排放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，并將設(shè)有亞克力窗的一端朝向?qū)嶒?yàn)室開窗位置放置。然后將燈具、風(fēng)扇、攝像裝置、紅外熱成像儀按圖3和圖4所示置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)外。最后進(jìn)行全系統(tǒng)調(diào)試。

3)實(shí)驗(yàn)物種適應(yīng)。將用于研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和備用樣本在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)區(qū)籠養(yǎng)一段時(shí)間以適應(yīng)周圍環(huán)境。

2.2 實(shí)驗(yàn)階段

1)在適應(yīng)期結(jié)束后，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象隨機(jī)放入各個(gè)實(shí)驗(yàn)箱中。設(shè)置實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)光源參數(shù)，并運(yùn)用定時(shí)開關(guān)設(shè)置光源的開關(guān)燈時(shí)間(避免手動(dòng)開關(guān)燈對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象影響)。

2)每天定時(shí)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象投喂食物和水，并且需要每天觀察實(shí)驗(yàn)對(duì)象的健康狀況，對(duì)出現(xiàn)異常的實(shí)驗(yàn)樣本應(yīng)及時(shí)更換并記錄下來。

3)定期讀取攝像設(shè)備與紅外熱成像儀記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取周期依據(jù)攝像設(shè)備內(nèi)存大小而定。

4)一個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，清掃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，可換其他種類的鳥類再次進(jìn)行光干擾實(shí)驗(yàn)。

5)整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行一段時(shí)間的適應(yīng)性訓(xùn)練，然后放飛。

2.3 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

該類實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是長(zhǎng)周期視頻數(shù)據(jù)，如果人工處理，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高且精度差。所以，本文采用圖像處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)了自動(dòng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。該平臺(tái)運(yùn)用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)收集到的圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建訓(xùn)練集，開發(fā)圖像識(shí)別軟件。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練是軟件研發(fā)的關(guān)鍵步驟，本軟件研發(fā)時(shí)所采用的目標(biāo)檢測(cè)模型為Fast R-CNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過大量訓(xùn)練集的訓(xùn)練，可得到網(wǎng)絡(luò)模型最佳參數(shù)(見圖5)。運(yùn)用這一軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本每個(gè)實(shí)驗(yàn)日的開始睡眠時(shí)刻、驚醒率、清醒時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 討論

本文用于監(jiān)測(cè)鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)箱，其制作工藝簡(jiǎn)單、占用場(chǎng)地少、易于復(fù)制，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象、人體和周圍環(huán)境無污染。箱體一側(cè)設(shè)置的透明亞克力板在白天引入自然光，減少了人工白光模擬自然光帶來的實(shí)驗(yàn)誤差；隔聲阻尼膠和聚酯纖維吸音棉的使用減少了外界和箱內(nèi)噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的干擾；通風(fēng)系統(tǒng)保證了鳥類正常生活所需的空氣環(huán)境，同時(shí)避免了光源熱輻射對(duì)其行為產(chǎn)生的影響；反射頂棚的設(shè)計(jì)將投光燈發(fā)出的光均勻反射到整個(gè)箱內(nèi)空間，避免了眩光對(duì)鳥類產(chǎn)生的影響。

本文提供的監(jiān)測(cè)光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)方法覆蓋了光生態(tài)實(shí)驗(yàn)的完整流程?；跇?biāo)準(zhǔn)化光生態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)天然光和人工光干擾下鳥類行為特征的實(shí)驗(yàn)方法，操作簡(jiǎn)單，過程科學(xué)，具有廣泛的普適性，可供國(guó)內(nèi)其他相關(guān)研究者借鑒參考，以量化人工光對(duì)不同種鳥類的影響，形成光干擾下鳥類行為特征變化數(shù)據(jù)庫，為綠色生態(tài)照明的建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

但本文提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)也有一定的局限性。首先，本實(shí)驗(yàn)只適應(yīng)于小型鳥行為特征的監(jiān)測(cè)，對(duì)于一些體型較大的鳥類，則需要對(duì)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行一定的改造；其次，本實(shí)驗(yàn)只能做各個(gè)獨(dú)立樣本實(shí)驗(yàn)，不能用于研究鳥類群體行為，比如光干擾下鳥類的群體鳴叫行為以及求偶行為。