Ποσοτικοποίηση της νυχτερινής μετανάστευσης τσίχλας
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Ποσοτικοποίηση της νυχτερινής μετανάστευσης τσίχλας χρησιμοποιώντας τη σύντηξη δεδομένων αισθητήρων μεταξύ ακουστικής και κάθετης εμφάνισης ραντάρ
Πρωτότυπος Τίτλος: 'Quantifying nocturnal thrush migration using sensor data fusion between acoustics and vertical-looking radar.'
Συγγραφείς: Silvia Giuntini, Juha Saari, Adriano Martinoli, Damiano G. Preatoni, Birgen Haest, Baptiste Schmid, Nadja Weisshaupt
Πηγή: Remote Sensing in Ecology and Conservation, ZSL (1)
Εισαγωγή: Κάθε χρόνο, δισεκατομμύρια αποδημητικά πτηνά διανύουν τεράστιες αποστάσεις επιδιώκοντας βελτιωμένες ευκαιρίες διατροφής, ασφάλεια και υψηλότερη αναπαραγωγική απόδοση. Η παρακολούθηση με ραντάρ είναι μακράν η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική για τη μελέτη της νυχτερινής μετανάστευσης πτηνών. Ορισμένα αποκλειστικά ραντάρ πτηνών επιτρέπουν τον χαρακτηρισμό μεμονωμένων πτηνών από το μέγεθος και το σχέδιο πτήσης τους, αν και με ποικίλη ακρίβεια. Η κατεύθυνση και η ταχύτητα καθενός από τα πτηνά που πετούν προσδιορίζονται επίσης. Αυτά τα ραντάρ καταγράφουν την υπογραφή των επιστρεφόμενων ηχών από τους μεταδιδόμενους παλμούς ραντάρ. Για τα πουλιά, οι υπογραφές ήχου αντικατοπτρίζουν το μοτίβο κτύπου φτερού του ατόμου κατά την πτήση. Ομοίως, η διατομή ραντάρ (RCS), η οποία αναφέρεται στο μέγεθος του πτηνού όπως γίνεται αντιληπτό από το ραντάρ, εξαρτάται όχι μόνο από ορισμένα χαρακτηριστικά του ίδιου του παλμού του ραντάρ αλλά και από χαρακτηριστικά του ιπτάμενου ζώου/πουλιού, όπως σχήμα και ανακλαστικές ιδιότητες. Αυτά και άλλα χαρακτηριστικά των ηχών ραντάρ, που συνήθως αναφέρονται ως «χαρακτηριστικά ηχούς», χρησιμοποιούνται για την αυτόματη ταξινόμηση των ηχών σε ευρείες κατηγορίες ή τάξεις. Για να επιτευχθεί καλύτερη ταξινομική διάκριση, οι πληροφορίες ραντάρ μέχρι στιγμής είναι ανεπαρκείς και πρέπει να συμπληρωθούν με δεδομένα από άλλες πηγές, όπως οπτικές ή ακουστικές παρατηρήσεις, μια προσέγγιση που χρησιμοποιείται με αυξανόμενη συχνότητα και σε μελέτες πτηνών, γνωστή ως «σύντηξη δεδομένων». Σε αντίθεση με το ραντάρ, η βιοακουστική παρακολούθηση, αν και μερικές φορές όχι χωρίς πρόκληση, επιτρέπει την αναγνώριση ειδών πτηνών. Ωστόσο, το ύψος και ο όγκος ανίχνευσης που επιτυγχάνονται με τα περισσότερα όργανα που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι άγνωστα και μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένων των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επιπλέον, η βιοακουστική παρακολούθηση είναι χρήσιμη μόνο για την παρακολούθηση μεταναστευτικών ειδών που εκπέμπουν κλήσεις πτήσης. Και ακόμη και σε είδη που είναι γνωστό ότι εκπέμπουν κλήσεις πτήσης, η συχνότητα αυτών των κλήσεων είναι πολύ μεταβλητή κατά τη διάρκεια της νύχτας, μεταξύ εποχών και ετών και κυμαίνεται ανάλογα με διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η συνδυασμένη χρήση ραντάρ και ακουστικών τεχνικών για την παρακολούθηση της μετανάστευσης των πτηνών είναι ακόμα σχετικά νέα. Εδώ, συνδυάσαμε δεδομένα ραντάρ ακουστικής και κάθετης εμφάνισης, που συλλέχθηκαν μεταξύ Αυγούστου και Οκτωβρίου 2021 και 2022 στο Ελσίνκι της Φινλανδίας, για να ελέγξουμε εάν η ταξινομική λεπτομέρεια της ταξινόμησης ηχούς σε ένα αποκλειστικό ραντάρ πουλιών μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας ακουστικές πληροφορίες. Εστιάσαμε την ανάλυσή μας στον ποσοτικό προσδιορισμό της μετανάστευσης της τσίχλας, μιας ιδιαίτερα φωνητικής και κυρίως νυχτερινής οικογένειας μεταναστών. Υποθέσαμε ότι οι εκτιμήσεις μας από το συνδυασμό ραντάρ και ακουστικών δεδομένων θα περιέγραφαν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη μετανάστευση τσίχλας σε σύγκριση με τις εκτιμήσεις που βασίζονται μόνο σε ραντάρ. Πιο συγκεκριμένα, περιμέναμε ότι οι εκτιμήσεις μας θα συσχετίζονται πιο έντονα με τη συχνότητα κλήσης τσίχλας από ό,τι η φαινολογία «τύπου περαστικού» που εκτιμάται χρησιμοποιώντας μόνο δεδομένα ραντάρ.
Μεθοδολογία: Οι νυχτερινές κλήσεις πουλιών καταγράφηκαν από τη δύση έως την ανατολή του ηλίου, από τον Αύγουστο έως τον Οκτώβριο του 2021 και του 2022 στην πόλη του Ελσίνκι χρησιμοποιώντας ένα σύστημα παραβολικού μικροφώνου Telinga PRO-X, σε συνδυασμό με Μικρόφωνο Røde NTG8 που δείχνει προς διαφορετική κατεύθυνση. Τα είδη ταυτοποιήθηκαν με ακουστική και οπτική ερμηνεία των υπερηχογράφων χρησιμοποιώντας το λογισμικό Audacity v. 2.2. Από τις 4679 συνολικές κλήσεις που προσδιορίστηκαν και στις δύο φθινοπωρινές περιόδους μέτρησης (1996 το 2021 και 2683 το 2022), οι 2653 αναγνωρίστηκαν ως Redwing και 278 ως Ευρασιατικό Κοτσύφι. Οι κλήσεις που προσδιορίστηκαν ως Fieldfare παραλήφθηκαν από το σύνολο δεδομένων λόγω της χαμηλής αφθονίας τους. Για σύγκριση με τα δεδομένα ραντάρ, οι κλήσεις των τριών ειδών τσίχλας που εξετάστηκαν αθροίστηκαν σε ωριαία βάση για να ληφθεί ο εκτιμώμενος αριθμός μεταναστευτικών τσίχλων ανά ώρα. Ένα ειδικό ραντάρ πουλιών με κατακόρυφη εμφάνιση, ταυτόχρονα με τις ακουστικές μετρήσεις, λειτουργούσε συνεχώς καθ' όλη τη διάρκεια της περιόδου μέτρησης το 2021 και το 2022. Το ραντάρ τοποθετήθηκε στην οροφή του Φινλανδικού Μετεωρολογικού Ινστιτούτου στο Ελσίνκι, περίπου 4,5 km ΝΔ της θέσης των ακουστικών μετρήσεων. Το BirdScan MR1 AVLR είναι ένα θαλάσσιο παλμικό ραντάρ. Το εύρος ανίχνευσης εξαρτάται από τη διάρκεια του παλμού και το μέγεθος του πουλιού. Λειτουργήσαμε το ραντάρ σε λειτουργία σύντομου παλμού, με αποτέλεσμα ένα κατά προσέγγιση εύρος ανίχνευσης από 50 m έως περίπου 1000 m για τσίχλες. Ένα ζώο που πετά μέσα από τη δέσμη του ραντάρ παράγει μια υπογραφή ηχούς, δηλαδή μια αλλαγή στην ένταση της ηχούς με την πάροδο του χρόνου . Από αυτές τις υπογραφές ηχούς, προκύπτει ένα σύνολο χαρακτηριστικών (περίπου 200). Αυτά τα χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την πρόβλεψη των μοτίβων χτυπήματος φτερών καθώς και για την αυτόματη αντιστοίχιση του αντικειμένου που ανιχνεύεται στην κατάλληλη κλάση. Για το τελευταίο, ένας ταξινομητής Random Forest έχει εκπαιδευτεί σε ένα σύνολο δεδομένων σχολιασμένων δειγμάτων ηχούς ραντάρ για να ταξινομεί αυτόματα κάθε αντικείμενο σε μία από τις ακόλουθες κατηγορίες: «έντομα» «μη βιολογική ακαταστασία», και αρκετές υποομάδες πουλιών. Για αυτήν τη μελέτη, διατηρήσαμε μόνο πτηνά που ταξινομούνται ως «περαστικοί», τα οποία χαρακτηρίζονται από ένα τυπικό διακοπτόμενο μοτίβο κτυπήματος φτερών. Αυτές οι ηχώ θα πρέπει να περιλαμβάνουν τσίχλες και φιλτράραμε το σύνολο δεδομένων σε νυχτερινές ώρες χρησιμοποιώντας την ώρα του αστικού λυκόφωτος, που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το πακέτο suntools R για να συμπεριλάβουμε μόνο νυχτερινούς μετανάστες. Στη συνέχεια υπολογίσαμε τα ποσοστά κίνησης νυχτερινής μετανάστευσης.
Αποτελέσματα:
Η συχνότητα της κλήσης τσίχλας διέφερε πολύ μεταξύ των διαδοχικών νυχτών (Εικ. 1 ). Η μέση συχνότητα κλήσης ήταν ισχυρότερη τον Σεπτέμβριο και τον Οκτώβριο κατά τις περιόδους μετανάστευσης αυτών των ειδών. Και τα δύο έτη, η ισχυρότερη δραστηριότητα κλήσεων καταγράφηκε μεταξύ τέλους Σεπτεμβρίου και αρχών Οκτωβρίου (Πίνακας 1 ).
Το περιεχόμενο από ραντάρ passerine-MTR επίσης διέφερε πολύ μεταξύ διαδοχικών ημερών (Εικ. 1 ). Ο μέσος μηνιαίος MTR ήταν ελαφρώς υψηλότερος τον Σεπτέμβριο και τον Αύγουστο από ό,τι τον Οκτώβριο. Και τα δύο έτη, το μέγιστο ημερήσιο MTR μετρήθηκε τον Αύγουστο (Πίνακας 1 ).
Το Passerine-MTR και ο αριθμός των καλούντων τσίχλων συσχετίστηκαν σημαντικά και θετικά με το Pearson's r 0,40 ( P < 0,01) για ολόκληρη την περίοδο και με r = 0,59 ( P < 0,01) για την περίοδο που είναι γνωστή ως η εποχή της μετανάστευσης της τσίχλας (10 Σεπτεμβρίου έως 30 Οκτωβρίου) (Πίνακας 2 ).
Ο διαχωρισμός των ηχών του ραντάρ «τύπου passerine» σε κατηγορίες «thrush» και «non-thrush» είχε συνολική ακρίβεια 82%. Η ακρίβεια του παραγωγού ήταν 83% για την κατηγορία «τσίχλα» και 80% για την κατηγορία «μη τσίχλα». Οι ακρίβειες των χρηστών ήταν 84% και 79% για τις κατηγορίες 'thrush' και 'non-thrush', αντίστοιχα.
Αν και λίγα μπορούν να ειπωθούν τελικά για τις διαφορές στο σχήμα, η σημασία που αποδίδεται στο σφάλμα παλινδρόμησης του χαρακτηριστικού πόλωσης υποδηλώνει μια διαφορά στο σχήμα που γίνεται αντιληπτή από το ραντάρ μεταξύ των δύο ομάδων ηχούς, καθώς το σφάλμα με το οποίο υπολογίζεται το σχήμα στόχου τείνει να είναι υψηλότερο σε «τσίχλες». Τέλος, το χαρακτηριστικό που περιγράφει τη λοξότητα του σήματος διέλευσης ζώνης τείνει να εμφανίζει υψηλότερες τιμές στα «thrush», υποδηλώνοντας μεγαλύτερη τάση των σημάτων «thrush» προς υψηλότερες από τις μέσες τιμές.
Σε ολόκληρη την περίοδο μέτρησης, 35 925 ηχών ραντάρ ταξινομήθηκαν τελικά ως «τσίχλα» και 32767 ως «μη τσίχλα». Αυτές οι εκτιμήσεις που βασίζονται σε ραντάρ της φαινολογίας της μετανάστευσης της τσίχλας κατά τη διάρκεια της περιόδου μέτρησης της μετανάστευσης του φθινοπώρου συσχετίστηκαν ισχυρά με τις ακουστικές μετρήσεις. Αυτή η συσχέτιση παρέμεινε επίσης κατά την ανάλυση των 2 ετών ξεχωριστά. Αν και η συχνότητα κλήσης τσίχλας συσχετίστηκε επίσης θετικά με το περαστικό MTR, αυτή η συσχέτιση ήταν σημαντικά χαμηλότερη. Η συσχέτιση Pearson μεταξύ του αριθμού των καλούντων τσίχλων και του μη τσίχλας MTR ήταν επίσης χαμηλή και, στην περίπτωση του 2021, μη σημαντική (Πίνακας 2 ). Το 2021, η υψηλότερη τσίχλα-MTR καταγράφηκε για τις 12 Οκτωβρίου, κατά την οποία καταγράφηκαν 106 τσίχλες. Το 2022, η υψηλότερη τσίχλα-MTR καταγράφηκε στις 21 Σεπτεμβρίου, όταν καταγράφηκαν 184 τσίχλες. Στο πρώτο μισό της χρονοσειράς (πριν από τα μέσα Σεπτεμβρίου), ένα χρονικό διάστημα κατά το οποίο αναμένεται να μεταναστεύσουν λίγες τσίχλες, το MTR χωρίς τσίχλα ήταν σαφώς υψηλότερο από το MTR της τσίχλας.
