一種研究光干擾下鳥類行為特征的實驗平臺設計

劉 剛，陳曉超，任卓菲，韓 臻，陳雨祺，劉芳博

(天津大學建筑學院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，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，由此引起的光污染對鳥類個體行為和種群數(shù)量產(chǎn)生了顯著的影響。基于鳥類夜間生境保護的需要，通過實驗來量化人工光對鳥類影響的光參數(shù)閾值以指導生態(tài)照明工程實踐顯得尤為重要。但我國目前在人工光對鳥類行為影響的研究仍存在不足，室內(nèi)監(jiān)測光干擾下鳥類行為特征的實驗也未形成統(tǒng)一的經(jīng)驗和方法。現(xiàn)有實驗方法往往占用較多實驗場地，并且難以保證實驗樣本所處環(huán)境的一致性以及免受其他因素的影響。基于目前存在的問題，本文將介紹一種用于研究光干擾下鳥類行為特征的實驗平臺的設計。

1 實驗箱設計

1.1 實驗箱外箱體設計

針對目前研究人工光對鳥類行為影響的實驗存在占地多、浪費人力成本、難以保證實驗對象獨立性等諸多問題，設計了一種節(jié)約場地、避免外界干擾、實驗空間獨立的實驗箱。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 實驗箱外箱體示意圖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)設置的雙開門，便于放置實驗樣本和燈具。國外一些研究人工光對鳥類行為影響的類似實驗，在實驗中多采用混合白光模擬白天的自然光環(huán)境[1-4]，但這并不能如實反應一天中自然光的變化，針對這一情況，在箱體0.45 m×0.45 m一側(cè)設置的透明亞克力板，以便用于白天引入自然光和夜晚進行圖像采集(如圖1中b所示)。

除設有亞克力窗的一面，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)實驗對象的聲音。實驗測得，設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計權)的聲音降低至箱內(nèi)29.8 dB (Z計權)，如圖2所示。多項鳥類研究表明環(huán)境噪聲≥45 dB(A)水平下，鳥類鳴聲特征、繁殖、應激激素水平和物種豐富度發(fā)生了變化[5, 6]，而此實驗箱內(nèi)聲環(huán)境遠小于對鳥類產(chǎn)生影響的環(huán)境噪聲閾值。

圖2 實驗箱隔聲數(shù)據(jù)圖示Fig.2 The sound insulation data of test box

d為送風管口，外接置于箱外的送風風扇，e為排風管口，用于保證箱體內(nèi)實驗對象通風換氣的需要和帶走燈具和實驗對象活動所產(chǎn)生的熱量。

人工光對鳥類行為影響的實驗研究需引入天然光作對比實驗，因此實驗箱分為用于監(jiān)測人工光干擾下鳥類行為特征的實驗組實驗箱和監(jiān)測天然光干擾下鳥類行為特征的對照組實驗箱。

1.2 監(jiān)測人工光干擾下鳥類行為特征的實驗箱設計

監(jiān)測人工光干擾下鳥類行為特征的實驗箱為實驗組箱體，如圖3所示，用于監(jiān)測不同光譜類型下不同照度的人工光對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]研究人工光對大山雀生物節(jié)律的影響中，在每個實驗箱入口的上方放置LED用作實驗光源，但這樣可能會導致出現(xiàn)眩光，使得實驗結(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，并設計漫反射箱頂，將LED發(fā)出的光均勻反射到整個箱內(nèi)空間。箱體外設有攝像系統(tǒng)，用于記錄實驗對象在人工光干擾下的行為特征。

1.3 監(jiān)測天然光干擾下鳥類行為特征的實驗箱設計

監(jiān)測天然光干擾下鳥類行為特征的實驗箱為對照組箱體，如圖4所示，用于監(jiān)測天然光背景下實驗對象的自然睡眠節(jié)律。對照組實驗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)實驗對象的活動情況。

圖3 實驗組實驗箱示意Fig.3 Schematic diagram of experimental box of experimental group

圖4 對照組實驗箱示意Fig.4 Schematic diagram of control group test box

2 實驗平臺的搭建與實驗流程

2.1 實驗準備階段

1)實驗選址。實驗應選取一間光線通透、溫度適宜、面積足夠的室內(nèi)場地。為保證實驗過程中實驗樣本不受到外界環(huán)境的干擾，實驗場地外不宜設置在噪聲污染嚴重的區(qū)域；因?qū)嶒炑芯康闹饕兞繛槿斯す猓詫嶒瀳龅貞M量選擇夜間無其他人工光干擾的地區(qū)。

2)搭建實驗平臺。實驗場地確定以后，將實驗箱以一定間隔并排放置在實驗室內(nèi)，并將設有亞克力窗的一端朝向?qū)嶒炇议_窗位置放置。然后將燈具、風扇、攝像裝置、紅外熱成像儀按圖3和圖4所示置于實驗箱內(nèi)外。最后進行全系統(tǒng)調(diào)試。

3)實驗物種適應。將用于研究的實驗對象和備用樣本在實驗室飼養(yǎng)區(qū)籠養(yǎng)一段時間以適應周圍環(huán)境。

2.2 實驗階段

1)在適應期結(jié)束后，將實驗對象隨機放入各個實驗箱中。設置實驗組實驗箱內(nèi)光源參數(shù)，并運用定時開關設置光源的開關燈時間(避免手動開關燈對實驗對象影響)。

2)每天定時為實驗對象投喂食物和水，并且需要每天觀察實驗對象的健康狀況，對出現(xiàn)異常的實驗樣本應及時更換并記錄下來。

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

4)一個周期的實驗結(jié)束之后，清掃實驗場地，可換其他種類的鳥類再次進行光干擾實驗。

5)整個實驗周期結(jié)束之后，對實驗對象進行一段時間的適應性訓練，然后放飛。

2.3 數(shù)據(jù)處理平臺設計

該類實驗的實驗數(shù)據(jù)是長周期視頻數(shù)據(jù)，如果人工處理，耗時長、成本高且精度差。所以，本文采用圖像處理技術和機器學習技術開發(fā)了自動數(shù)據(jù)處理平臺。該平臺運用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的機器學習技術，對收集到的圖像數(shù)據(jù)構建訓練集，開發(fā)圖像識別軟件。深度神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練是軟件研發(fā)的關鍵步驟，本軟件研發(fā)時所采用的目標檢測模型為Fast R-CNN神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過大量訓練集的訓練，可得到網(wǎng)絡模型最佳參數(shù)(見圖5)。運用這一軟件對實驗樣本每個實驗日的開始睡眠時刻、驚醒率、清醒時刻進行統(tǒng)計。

3 討論

本文用于監(jiān)測鳥類行為特征的實驗箱，其制作工藝簡單、占用場地少、易于復制，并且對實驗對象、人體和周圍環(huán)境無污染。箱體一側(cè)設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驗誤差；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)噪聲對實驗對象的干擾；通風系統(tǒng)保證了鳥類正常生活所需的空氣環(huán)境，同時避免了光源熱輻射對其行為產(chǎn)生的影響；反射頂棚的設計將投光燈發(fā)出的光均勻反射到整個箱內(nèi)空間，避免了眩光對鳥類產(chǎn)生的影響。

本文提供的監(jiān)測光干擾下鳥類行為特征的實驗方法覆蓋了光生態(tài)實驗的完整流程。基于標準化光生態(tài)實驗平臺監(jiān)測天然光和人工光干擾下鳥類行為特征的實驗方法，操作簡單，過程科學，具有廣泛的普適性，可供國內(nèi)其他相關研究者借鑒參考，以量化人工光對不同種鳥類的影響，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)照明的建設提供基礎支撐。

但本文提供的實驗平臺的設計也有一定的局限性。首先，本實驗只適應于小型鳥行為特征的監(jiān)測，對于一些體型較大的鳥類，則需要對實驗箱進行一定的改造；其次，本實驗只能做各個獨立樣本實驗，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。