利用音視頻信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)綿羊在牧場(chǎng)上覓食行為

沈洋

（中山市悅辰電子實(shí)業(yè)有限公司 廣東省中山市 528447）

在我國(guó)，草覆蓋了60%的農(nóng)業(yè)用地，高原占總用地的60%。尤其是高原牧場(chǎng)，以及它們所維持的棲息地，具有生物多樣性的植物物種的特點(diǎn)，這些物種主要由放牧綿羊維持。為了理解綿羊維持高原的過(guò)程，需要開(kāi)發(fā)方法來(lái)量化綿羊?qū)嶋H選擇吃什么。此外，在生物多樣性牧場(chǎng)上放牧的動(dòng)物提供更優(yōu)質(zhì)的肉類在經(jīng)濟(jì)上也存在爭(zhēng)議，因此飲食中植物類型的量化具有進(jìn)一步的相關(guān)性。我國(guó)動(dòng)物科學(xué)學(xué)會(huì)目前的推動(dòng)因素正在鼓勵(lì)我國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)專業(yè)人士加強(qiáng)和優(yōu)化低投入的草場(chǎng)養(yǎng)殖系統(tǒng)。

為了優(yōu)化飼料對(duì)飼料的貢獻(xiàn)，必須使用不會(huì)干擾自由放養(yǎng)動(dòng)物在混合植物群落上的放牧行為的技術(shù)來(lái)理解行為對(duì)飼料選擇的影響。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)不是飼料的攝入，這通常是值得關(guān)注的，而是聲學(xué)分析是否可以用來(lái)確定自由放養(yǎng)動(dòng)物的覓食選擇。專注于利用聲學(xué)分析來(lái)確定實(shí)際放牧?xí)r間跨度（幾個(gè)小時(shí)）內(nèi)的覓食行為。該項(xiàng)目與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)同步進(jìn)行，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)傳感器集成，用于定位綿羊和描述放牧事件，該系統(tǒng)最初由作者在2013年進(jìn)行了描述，此后已向商業(yè)應(yīng)用發(fā)展。因此，飼料攝入?yún)?shù)將成為未來(lái)論文的主題，預(yù)計(jì)本文的研究結(jié)果將有助于長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)周、數(shù)月甚至數(shù)年）的動(dòng)物音頻監(jiān)測(cè)的整合。

在這一領(lǐng)域工作的其他作者考慮了咬合事件頻率、咬合持續(xù)時(shí)間和咬合力導(dǎo)數(shù)，所有這些都與草皮高度相關(guān)。結(jié)果表明，這可能與干物質(zhì)的攝入量有關(guān)，但從這些數(shù)據(jù)中不能得到不同類型的取食植物。另一項(xiàng)工作則著眼于聲音信號(hào)（包括咬和嚼）的自動(dòng)事件識(shí)別的聲學(xué)建模。這是專門(mén)為同一飼料類型提出了限制綿羊。根據(jù)果園草或紫花苜蓿（Medicago sativa）和草地高度的頻率和相對(duì)振幅，分別描述了攝食事件波形的分割和隨后的自動(dòng)分類。這項(xiàng)工作描述了67%準(zhǔn)確率的飼料類型和82%準(zhǔn)確率的覓食事件[1]-[3]。

因此，本文超越了目前的技術(shù)水平，證明了利用音頻和視頻分析，可以確定給定生物多樣性牧場(chǎng)的自由放養(yǎng)綿羊的放牧行為。此外，這項(xiàng)工作表明，通過(guò)進(jìn)一步的校準(zhǔn)，僅通過(guò)聲音分析就有可能提供有關(guān)自由放養(yǎng)動(dòng)物放牧習(xí)慣的實(shí)時(shí)信息。這將是當(dāng)前分析中的一個(gè)重大變化，它通常依賴于耗時(shí)的人類觀察。顯然，這種方法不能在放牧季節(jié)連續(xù)進(jìn)行，從而限制了有關(guān)自由放養(yǎng)動(dòng)物飲食習(xí)慣的可用信息[4]-[5]。

1 方法論

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

提供了四只成年母羊：一只特克塞爾羊（約70 公斤）、兩只希伯萊羊和一只威爾士巴爾文羊（均約30 公斤）。每只羊都配有鉻鞣皮革吊，吊帶上附有一個(gè)帶有120°廣角鏡頭的小型攝像機(jī)。這些實(shí)驗(yàn)在我國(guó)柴郡肖特威克333781371970 號(hào)操作系統(tǒng)進(jìn)行。兩塊地（用黃色標(biāo)出，每塊20×60 米）至少有20年沒(méi)有使用過(guò)人工肥料，在過(guò)去11年里，綿羊（n=3 或4）輕度放牧。場(chǎng)地2（第4-6 節(jié)）有5 棵果樹(shù)。2020年6月，在這種生物多樣性成熟牧場(chǎng)上對(duì)圍場(chǎng)的植物多樣性（發(fā)生率%）進(jìn)行了檢測(cè)，當(dāng)時(shí)禾本科植物的種子頭使植物鑒定更容易。將田地等分為三個(gè)部分，并在每個(gè)田地部分測(cè)量20×1 m2樣方。植物多樣性較好，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)含有三葉草-黑麥草，以及額外的紅羊茅、苧麻、毛茛和草甸草混合物。具體數(shù)量如表1所示。

2020年7月期間在試驗(yàn)場(chǎng)生長(zhǎng)的植物物種的數(shù)量，在監(jiān)測(cè)動(dòng)物放牧之前立即測(cè)量。分類在“其他”的植物種類包括：千里光（千里光）、巴氏囊、甜春花（花冠）、雛菊（百年菊）、杜克（鈍枝）、蕁麻（蕁麻）、繁縷（繁縷）和雞冠花（鴨茅）。

1.2 聲音和視頻分析

SoundAnalysis Pro 2011 用于分析動(dòng)物發(fā)出的聲音；該軟件專門(mén)為此目的而設(shè)計(jì)，并提供廣泛的音頻分析功能。這與記錄的視頻數(shù)據(jù)相結(jié)合，以確定每種聲音出現(xiàn)時(shí)動(dòng)物在吃什么，從而允許適當(dāng)?shù)姆诸惡碗S后的校準(zhǔn)。

表1：樣本地塊多樣性統(tǒng)計(jì)

SoundAnalysis Pro 2011 手冊(cè)回顧了全球公認(rèn)的基于音調(diào)、音調(diào)優(yōu)度、振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和維納熵的動(dòng)物聲音描述符。維納熵與聲音中能量的動(dòng)態(tài)變化程度相對(duì)應(yīng)[6]-[10]。

SoundAnalysis Pro 2011 與其他免費(fèi)軟件在分離動(dòng)物聲音特征的寬帶聲音方面進(jìn)行了審查，發(fā)現(xiàn)它對(duì)背景干擾具有相對(duì)免疫性。

所有動(dòng)物在2020年8月1日至21日期間都被拍攝到三到四次覓食，每次長(zhǎng)達(dá)8 小時(shí)。音頻文件按以下方式處理：

（1）轉(zhuǎn)換為WAV 格式，便于處理使用FormatFactory1 免費(fèi)軟件應(yīng)用程序；

（2）使用Audacity 2 分割成10 秒的片段免費(fèi)軟件應(yīng)用；

（3）導(dǎo)入SoundAnalysis Pro 2011，用于全球公認(rèn)的聲音描述符的數(shù)據(jù)采集；

（4）導(dǎo)出到SPSS 21 進(jìn)行判別函數(shù)分析和單因素方差分析。

全球公認(rèn)的聲音描述符特別考慮：頻率調(diào)制；幅度調(diào)制；基音；基音優(yōu)度；和維納熵。隨機(jī)選擇12 種覓食活動(dòng)或種類，以便對(duì)報(bào)告的結(jié)果給予適當(dāng)?shù)男判摹?/p>

2 結(jié)果與討論

圍場(chǎng)在禾草和草甸植物中都具有很強(qiáng)的生物多樣性，因此非常適合本研究。聲音描述符變量是高度不對(duì)稱的，因此它們是基于音高和音高數(shù)據(jù)優(yōu)度的log10 變換標(biāo)準(zhǔn)化的。所有變量通過(guò)計(jì)算中位數(shù)的變異進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)5 個(gè)語(yǔ)音描述符進(jìn)行判別函數(shù)分析，按覓食分類。第一個(gè)導(dǎo)出的分量描述了數(shù)據(jù)中94%的變化，由維納熵控制。

休息或背景噪聲和發(fā)聲與覓食類別的區(qū)分準(zhǔn)確率分別為100%和94%，而覓食類別之間的區(qū)分準(zhǔn)確率僅為47%。判別函數(shù)分析不能區(qū)分瀏覽和放牧覓食的種類。用單因素方差分析方法研究了覓食種類對(duì)聲音描述符頻率調(diào)制、幅度調(diào)制、基音、基音優(yōu)度和維納熵均值的影響。事后檢驗(yàn)采用最小顯著性差異檢驗(yàn)（p<0.05）。

四個(gè)聲音描述符有效地區(qū)分了覓食類別和頻率樣本數(shù)據(jù)；給出了兩只綿羊的例子。平均振幅調(diào)制顯示出對(duì)覓食種類的辨別能力。全球公認(rèn)的聲音描述符音高，音高，頻率調(diào)制和維納熵都證明了有用的區(qū)別在所有綿羊覓食類別。不同覓食類型間的平均數(shù)據(jù)差異顯著（p<0.001）。覓食種類的變化模式也很相似。背景咀嚼的音高和頻率值低于其他覓食種類。干飼料（放牧與放牧飼料）產(chǎn)生更高的頻率和瀝青的咬和咀嚼。放牧在郁郁蔥蔥的三葉草或黑麥草為主的草地上，一般產(chǎn)生較低的頻率和瀝青值[11]-[12]。

飼料的干物質(zhì)含量是根據(jù)所提供的均質(zhì)飼料材料推斷出來(lái)的。這與先前的研究一致，即干物質(zhì)含量越高的材料每咬一口就咀嚼的次數(shù)越多。較小的綿羊（赫布里迪亞羊和威爾士巴爾文羊）的標(biāo)準(zhǔn)化頻率數(shù)據(jù)（范圍40-50）和標(biāo)準(zhǔn)化音調(diào)數(shù)據(jù)（范圍2.26-3.10）的值比特克斯羊高（范圍0-10；-0.13 到-0.03）。這可能與較小或較大的頭骨在咬合和咀嚼時(shí)的共振特性有關(guān)。這表明，在群體大小不等的情況下，必須對(duì)較大或較小動(dòng)物的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，情況并非如此，繁殖的羊群往往大小一致。可能只需要將設(shè)備放置在羊群中數(shù)量有限的動(dòng)物身上，就可以了解牧草的使用情況以及放牧對(duì)棲息地的影響。維納熵描述了聲能的動(dòng)態(tài)變化，也被認(rèn)為主要受飼料中干物質(zhì)含量的影響。平均值在覓食類別中產(chǎn)生了特別強(qiáng)烈的差異。它與振幅本身無(wú)關(guān)，這可能是由維納熵對(duì)數(shù)據(jù)的強(qiáng)烈影響所證實(shí)的，而不是振幅。

3 結(jié)論

在混合草地上放牧的所有綿羊中，根據(jù)通過(guò)口腔傳播的聲音以及與咬合和咀嚼相關(guān)的植物群落來(lái)區(qū)分覓食種類是可能的。干物質(zhì)含量較高的牧草產(chǎn)生較高的基音和頻率數(shù)據(jù)。根據(jù)頭骨大小的共振特性，動(dòng)物個(gè)體的“校準(zhǔn)”似乎是有序的。這些數(shù)據(jù)將補(bǔ)充即將進(jìn)行的更廣泛研究中使用的技術(shù)，在那里自由放養(yǎng)的綿羊?qū)⒈欢ㄎ唬鼈兊囊捠尺\(yùn)動(dòng)將通過(guò)加速計(jì)實(shí)時(shí)和季節(jié)性時(shí)間尺度跟蹤。這些技術(shù)將為監(jiān)測(cè)自由放養(yǎng)動(dòng)物對(duì)混合草地的影響提供有用的管理工具。這些數(shù)據(jù)將對(duì)生物多樣性棲息地的土地管理者感興趣，這些棲息地的敏感區(qū)域需要仔細(xì)放牧。