Εφαρμογές θερμικής απεικόνισης στην μελέτη της ορνιθοπανίδας
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφέας:
Dominic J. McCafferty (2013)
Η τεχνολογία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην διαλεύκανση οικολογικών και συμπεριφορικών ερωτημάτων στη μελέτη της ορνιθοπανίδας. Μια τεχνολογία που χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην έρευνα των πτηνών είναι η θερμική απεικόνιση, γνωστή και ως υπέρυθρη θερμογραφία. Αν και η τεχνική αυτή χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη των πουλιών από τη δεκαετία του 1960 για τον εντοπισμό θέσεων απώλειας θερμότητας σε είδη της Αρκτικής, είναι χρησιμοποιείται πλέον ευρέως για τη μελέτη της θερμορύθμισης, των ενεργειακών δαπανών και σε μικρή κλίμακα για τη μελέτη της οικολογίας και συμπεριφοράς των πουλιών. Το κόστος αυτής της τεχνολογίας, είναι πιθανά ο λόγος που δεν έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην έρευνα πεδίου. Ωστόσο, οι κάμερες θερμικής απεικόνισης καθίστανται πιο προσιτές, με τις τιμές τους να κυμαίνονται από κάμερες ανίχνευσης χειρός (<£1000) έως προηγμένης τεχνολογίας συστήματα έρευνας και ανάπτυξης (>£30.000).
ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ: ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ
Η θερμική απεικόνιση περιλαμβάνει την ανίχνευση υπερύθρων κυμάτων ακτινοβολίας (θερμότητα) η οποία εκπέμπεται από ένα αντικείμενο. Οποιοδήποτε αντικείμενο έχει θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν (~273,15 °C) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία και η θερμοκρασία του αντικείμενο θα καθορίσει το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Σε βιολογικά σχετικές θερμοκρασίες (-40 έως 100 °C) η ακτινοβολία φτάνει στις μέγιστες τιμές της στο υπέρυθρο φάσμα σε μήκη κύματος 8 - 12 nm. Η υπέρυθρη ακτινοβολία απορροφάται εύκολα από το νερό και επομένως η θερμογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο στον αέρα και όχι για βυθισμένα αντικείμενα. Οι θερμικές κάμερες λειτουργούν μετρώντας την υπέρυθρη ακτινοβολία R (W/m2) και υπολογίζοντας τη θερμοκρασία Τ (°Κ). Η εκπομπή μεταφράζεται ως η ικανότητα μίας επιφάνειας να εκπέμπει και απορροφά ακτινοβολία. Η εκπομπή βιολογικών ιστών πλησιάζει ένα μέλαν σώμα (τέλειος πομπός) και το πτέρωμα των πουλιών έχει καταγραφεί ότι εκπέμπει μήκη κύματος 0.96-0.98 nm. Το χρώμα του πτερώματος δεν επηρεάζει την εκπομπή, αλλά μπορεί να επηρεάσει την ηλιακή απορρόφηση με αποτέλεσμα τα σκουρόχρωμα φτερά να έχουν μεγαλύτερη επιφανειακή θερμοκρασία σε σχέση με τα ωχρού χρώματος φτερά σε έντονη ηλιοφάνεια.
Μια φωτογραφική μηχανή θερμικής απεικόνισης παράγει γκρι ή πολύχρωμες εικόνες, οι οποίες αποτελούνται από εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν μεμονωμένες θερμοκρασίες (Figure 1). Στα περισσότερα συστήματα υπάρχει η επιλογή της διαθέσιμης χρωματικής παλέτας. Η θερμική απεικόνιση καταγράφει μόνο επιφανειακές θερμοκρασίες και για περιοχές χωρίς φτερά αυτό είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας του δέρματος ή του ιστού. Ωστόσο, το πτέρωμα δεν είναι μια λεία συμπαγής επιφάνεια και η ακτινοβολία θα εκπέμπεται από διαφορετικά στρώματα μέσα από το πλέγμα των φτερών. Με βάση την απόσταση μεταξύ των εξωτερικών φτερών, η θερμοκρασία που καταγράφεται είναι η θερμοκρασία του πτερώματος λίγα χιλιοστά κάτω από τη φυσική επιφάνεια του πτερώματος.
Η επιλογή της θερμικής κάμερας θα εξαρτηθεί από απαιτήσεις μέτρησης της εκάστοτε μελέτης. Οι κύριες επιλογές εξαρτώνται από το αν ο ερευνητής επιθυμεί να κάνει μετρήσεις θερμοκρασίας ή απλά να εντοπίσει τη διαφορά μεταξύ ζεστών και κρύων επιφανειών, τι θερμοκρασία και χωρική ανάλυση απαιτείται, ποια είναι η απόσταση μέτρησης και αν ο ερευνητής επιθυμεί να καταγράψει ακόμα ή κινούμενες εικόνες.
Τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί της θερμικής απεικόνισης για τη μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας ή τον εντοπισμό ζώων έχουν διερευνηθεί εκτενώς. Η θερμική απεικόνιση είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για μελέτες με πτηνά σε αιχμαλωσία όταν η απόσταση της κάμερας από το στόχο είναι λίγα μέτρα. Είναι δυνατή η λήψη εικόνων διαμέσου μεταλλικών κλουβιών, όταν η απόσταση μεταξύ του πουλιού-στόχου και του κλουβιού είναι μικρή σε σχέση με την απόσταση μεταξύ του κλουβιού και της φωτογραφικής μηχανής. Οι περισσότερες κάμερες έχουν σχεδιαστεί για βιομηχανικά περιβάλλοντα, γεγονός που τις κάνει κατάλληλες για εργασίες πεδίου με υψηλή υγρασία και ακραίες θερμοκρασίες. Επιπλέον, θερμικές κάμερες μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανίχνευση πτηνών σε μεγάλες αποστάσεις.
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
Κύριο αντικείμενο των πρώτων θερμογραφικών μελετών των πτηνών ήταν ο προσδιορισμός των διακυμάνσεων απώλειας θερμότητας και η μονωτική ικανότητα των διαφόρων περιοχών του πτερώματος. Παραδοσιακά, συμπαγείς αισθητήρες όπως θερμοστοιχεία (thermocouples) και θερμοστάτες (thermistors) χρησιμοποιούνταν για να μετρήσουν τη θερμοκρασία του πρερώματος ή του δέρματος. Τα συστήματα αυτά είναι φθηνά αλλά απαιτείται μεγάλος αριθμός αισθητήρων για να δώσει καλή χωρική κάλυψη και οι συμπαγείς αισθητήρες μπορεί να διαταράξουν και να επηρεάζουν τις μονωτικές ιδιότητες του πτερώματος, καθώς και επηρεάσουν την κίνηση του πουλιού. Υπέρυθρα θερμόμετρα που μετράνε την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα αντικείμενο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη μεμονωμένων μετρήσεων θερμοκρασίας. Το προφανές πλεονέκτημα της θερμικής απεικόνισης είναι ότι παρέχει μετρήσεις της θερμοκρασίας για το σύνολο του σώματος ενός ζώντος πουλιού χωρίς την ανάγκη σύλληψης του πουλιού.
Η θερμική απεικόνιση έχει δείξει ότι οι περιοχές γύρω από το κεφάλι και ειδικότερα η περιοχή του οφθαλμού και του ωτός έχουν την υψηλότερη θερμοκρασία, ενώ οι περιοχές με πυκνό πτέρωμα είναι πιο κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η συσχέτιση μεταξύ της επιφανειακής θερμοκρασίας και της θερμοκρασίας αέρα για τα διάφορα μέρη του σώματος έχουν χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της αγωγιμότητας του πτερώματος και της μεταβολικής απώλειας θερμότητας. Για είδη με μεγάλες επιφάνειες χωρίς φτερά, όπως τα στρουθιόμορφα, οι περιοχές του λαιμού και των ποδιών εκτιμάται ότι από εκεί διαχέεται το 40% της θερμότητας που παράγεται από το μεταβολισμό, παρότι οι δομές αυτές αντιπροσωπεύουν <20% της επιφάνειας του σώματος.
Η θερμική απεικόνιση μπορεί να προσφέρει νέα δεδομένα για τις λειτουργίες των διαφόρων τμημάτων του σώματος, τον υπολογισμό του ενεργειακού κόστους συμπεριφορών που δεν μπορεί να υπολογιστεί σε ορισμένα πουλιά. Για παράδειγμα, το σχέση μεταξύ δραστηριότητας και μεταβολικής παραγωγής θερμότητας έχει διερευνηθεί με μελέτες θερμικές απεικόνισης. Η θερμική απεικόνιση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την έμμεση εκτίμηση της θερμοκρασίας σώματος των πτηνών. Η θερμογραφία και η μοντελοποίηση της μεταφοράς θερμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό του κόστους ενέργειας των διαφόρων συμπεριφορών.
Σχετικά λίγες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει θερμική απεικόνιση για επιτόπιες έρευνες. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι είναι διαθέσιμες πιο αποτελεσματικές μέθοδοι καταμέτρησης και εντοπισμού πουλιών. Θερμικές έρευνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό φωλιών, ατόμων και κοπαδιών πτηνών σε ποικιλία ενδιαιτημάτων (Figure 2). Οι επιτόπιες έρευνες μπορούν να πραγματοποιηθούν με τα πόδια, από σκάφος ή, όπου απαιτείται μεγαλύτερη χωρική κάλυψη, ακόμη και από τα αεροσκάφη. Οι πρώτες μελέτες δεν ήταν ενθαρρυντικές γι 'αυτή την τεχνική λόγω της βλάστησης που εμποδίζει το θερμικό σήμα και λόγω πρακτικών προβλημάτων όπως το μεγάλο μέγεθος και το κόστος των καμερών. Από τότε, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές επιτυχημένες θερμικές μελέτες για μερικά μεγάλα είδη (γαλοπούλες και γερανούς). Πιο πρόσφατα, φορητές κάμερες χειρός έχουν χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό φωλιών και νεαρών ατόμων. Οι θερμικές έρευνες είναι περισσότερο κατάλληλες για τα είδη που φωλιάζουν στο έδαφος και των οποίων τα εκκολαπτόμενα νεαρά μπορούν να εντοπιστούν σε σχετικά ανοικτούς οικότοπους.
Η θερμική απεικόνιση από σκάφος έχει αυξήσει τα ποσοστά εντοπισμού ορισμένων ειδών τη νύχτα. Μικρές συσκευές χειρός που χρησιμοποιούνται σε κυνηγετικές δραστηριότητες παρουσιάζουν σημαντικά αποτελέσματα για μελέτες στις οποίες τα πουλιά πρέπει να παγιδεύονται τη νύχτα. Υπάρχει ενδιαφέρον για την εκπόνηση ερευνών με μεθόδους θερμικής απεικόνισης σε μελέτες εκτίμησης περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Αυτοματοποιημένα συστήματα τοποθετημένα σε ανεμογεννήτριες έχουν χρησιμοποιηθεί για παρακολούθηση φαινομένων σύγκρουσης πτηνών σε αιολικά πάρκα και με θερμικές υπογραφές ήταν σε θέση να διαφοροποιήσουν είδη που κυμαίνονται σε μέγεθος από στρουθιόμορφα μέχρι πάπιες. Ωστόσο, λόγω της έκτασης της έρευνας και του κόστους ανάπτυξης των συστημάτων, η εφαρμογή τους είναι περιορισμένη. Συνδυασμός συστημάτων θερμικής απεικόνισης και ραντάρ έχουν επίσης αναπτυχθεί για την καταμέτρηση μεγάλου αριθμού πουλιών κατά τη διάρκεια της νυχτερινής μετανάστευσης. Επιπλέον έχουν διερευνυθεί ορισμένες αναλυτικές μέθοδοι ανίχνευσης εικόνων με βάση τη συχνότητα κτύπημα των πτερυγίων, αλλά υπάρχει ανάγκη περαιτέρω ανάπτυξης αυτοματοποιημένων συστημάτων παρακολούθησης πτηνών.
