اكتشاف الفهود: الأفراد تحديد من آثارهم
Summary
The cheetah (Acinonyx jubatus) is an iconic, endangered species, but conservation efforts are challenged by habitat shrinkage and conflict with commercial farmers. The footprint identification technique, a robust, accurate and cost-effective image classification system, is a new approach to monitoring cheetahs.
Abstract
The cheetah (Acinonyx jubatus) is Africa’s most endangered large felid and listed as Vulnerable with a declining population trend by the IUCN1. It ranges widely over sub-Saharan Africa and in parts of the Middle East. Cheetah conservationists face two major challenges, conflict with landowners over the killing of domestic livestock, and concern over range contraction. Understanding of the latter remains particularly poor2. Namibia is believed to support the largest number of cheetahs of any range country, around 30%, but estimates range from 2,9053 to 13,5204. The disparity is likely a result of the different techniques used in monitoring.
Current techniques, including invasive tagging with VHF or satellite/GPS collars, can be costly and unreliable. The footprint identification technique5 is a new tool accessible to both field scientists and also citizens with smartphones, who could potentially augment data collection. The footprint identification technique analyzes digital images of footprints captured according to a standardized protocol. Images are optimized and measured in data visualization software. Measurements of distances, angles, and areas of the footprint images are analyzed using a robust cross-validated pairwise discriminant analysis based on a customized model. The final output is in the form of a Ward’s cluster dendrogram. A user-friendly graphic user interface (GUI) allows the user immediate access and clear interpretation of classification results.
The footprint identification technique algorithms are species specific because each species has a unique anatomy. The technique runs in a data visualization software, using its own scripting language (jsl) that can be customized for the footprint anatomy of any species. An initial classification algorithm is built from a training database of footprints from that species, collected from individuals of known identity. An algorithm derived from a cheetah of known identity is then able to classify free-ranging cheetahs of unknown identity. The footprint identification technique predicts individual cheetah identity with an accuracy of >90%.
Introduction
الفهد (ثابتة المخالب jubatus) هو felid المهددة بالانقراض في أفريقيا، وعلى النحو الوارد الضعيفة مع اتجاه السكان تراجع من قبل القائمة الحمراء للأنواع المهددة بالانقراض 1. ويقدر عدد سكان الفهد العالمي ما بين 7-10،000 الأفراد (1) ويتم الاعتراف ناميبيا كأكبر معقل الفهد تتراوح خالية، وربما أكثر من ثلث سكان العالم 4،6،7. تقديرات السكان لجنوب أفريقيا في عام 2007 وضعت السكان الفهد ناميبيا في 2000 مع المقبل أقرب دولة نطاق بوتسوانا مع 1800، تليها جنوب أفريقيا (550)، زيمبابوي (400)، وزامبيا (100)، موزمبيق (<5). وكانت العديد من الدول غير المقسمة 7.
وعلى ذكر السلطات الناميبية بوضوح رؤية "الآمنة والسكان الفهد قوية عبر مجموعة من النظم الإيكولوجية التي تتعايش بنجاح مع، ويتم تقييم من قبل، شعب ناميبيا." ومع ذلك، وتربية الماشيةوالزراعة اللعبة هي استخدامات الأراضي الرئيسية في ناميبيا 8،9 وملاك الأراضي بانتظام فخ وتقتل الفهد على ممتلكاتهم في محاولة للحد الافتراس من الماشية أو الحيوانات البرية قيمة. تم إزالة أكثر من 1200 الفهود 1991-2006، لكن تم تسجيل يست كل هذه "offtakes" 10. وعلاوة على ذلك، هناك نقاش حول ما إذا كان هذا هو الحل الفعال للصراع المزارعين الفهد. إزالة الحيوانات ينظر إليها على أنها تسبب الصراع، عن طريق قتل أو النبات قد تكون أقل فعالية من التخفيف من الصراع بوسائل أخرى، مثل أفضل حماية الثروة الحيوانية 11. وتراوحت الأسعار المعلنة من البقاء على قيد الحياة لمدة 12 شهرا بعد النبات من 18٪ 11-40٪ 12.
جمع بيانات موثوقة عن أعداد والهوية وتوزيع الفهد في ناميبيا هو المفتاح لمعالجة حالات الصراع بين الإنسان والفهد. الفهد الحالي تتراوح تقنيات الرصد من الاستبيانات المستهدفة من ناميوزارة بيان البيئة والسياحة لأصحاب المصلحة 4 إلى الملاحظات الانتهازية من قبل السياح والحكومة تقارير 4، لاستخدام الكاميرا الفخاخ 13، نظام تحديد المواقع أو الياقات VHF 10،14، والدراسات الاستقصائية مقابلة مزارع 8، وحتى نمط بقعة 15. ومع ذلك، مقارنة بين فعالية هذه التقنيات من دون معيارا مشتركا أو الكمي من الجهد مسح صعبة. كل له حدود. الأقمار الصناعية GPS وVHF الياقات غالية الثمن وغالبا ما لا يمكن الاعتماد عليها، والاستبيانات المستهدفة محدودة النطاق، ووكاميرا الفخاخ نطاق محدود.
وتتفاوت التقديرات التي تنتجها هذه أساليب مختلفة على نطاق واسع. علامة وآخرون. 10 سلط الضوء على الحاجة إلى نهج أكثر تنسيقا. وقد استخدمت مجموعة متنوعة من الأساليب على مزارع لتقدير الكثافة السكانية الفهد، وهذه قد أنتجت مجموعة من التقديرات. على سبيل المثال، دراسة راديو القياس يقدر بنحو 2.5 (± 0.73) الفهود / 1000 كم <suص> 2 في حين أن دراسة كاميرا فخ تقدر 4.1 (± 0.4) الفهود / 1000 كم 2 (علامة وآخرون 2007). هذا الاختلاف يسلط الضوء على مشكلة استخدام أساليب مختلفة لتقدير كثافة، ولكن حتى الآن لم يتم تحديد أي واحدة وفعالة وتقنية متكررة والتي يمكن استخدامها عبر مجموعة واسعة من الموائل التي تحتل الفهود في ناميبيا. هذا لا يزال يمثل مشكلة لرصد الفهد فعال والمحافظة على البيئة.
وأثار هذا التحدي تطوير فعالة من حيث التكلفة ومرنة أداة قوية، لرصد الفهد. وتم تطوير تقنية تحديد البصمة الأولى لوحيد القرن الاسود 16 وتكييفها لاحقا لمجموعة واسعة من الأنواع بما في ذلك وحيد القرن الأبيض 17، امور نمر 18، أسد الجبل 19، وغيرها.
وقد أشارت العديد من الدراسات أنه من الممكن استخدام البصمات للتعرف على الحيوانات آكلة اللحوم كبيرة من الأنواع، والأفراد، والجنس. عمليةتطورت من وصف شكل بسيط من آثار أقدام 20 إلى مقارنة قياسات 21، إلى التحليل الإحصائي واحد أو عدة قياسات 16،17،22-30 وشكل تحليل كان 31 جهود .هذه نجاح متفاوتة، تبعا إلى حد كبير على صرامة جمع البيانات والعمليات التحليلية، وعدد الحيوانات الاختبار المستخدمة لتطوير قواعد البيانات التدريب. وهناك العديد من المزايا العملية لاستخدام البصمات. الأول هو أن الصور يمكن جمعها جنبا إلى جنب مع النهج غير الغازية الأخرى (على سبيل المثال، وكاميرا للاحتباس، وجمع الحمض النووي من الشعر / البراز، الخ) مع القليل جدا من الجهد الإضافي أو التكلفة. ثانيا، آثار أقدام هي، حيث تصاريح الركيزة، العلامة الأكثر في كل مكان من النشاط الحيواني.
تقنية تحديد البصمة هي أول قوة تقنية تحديد البصمة وصفها لالفهد وقابلة للتطبيق في أي موقع حيث تم العثور على آثار أقدام. يجب أن تكون آثار أقدام sufficieتعريف ntly أن أصابع القدم والكعب للطباعة يمكن رؤيتها بوضوح بالعين المجردة. يجب أن العاملين الميدانيين يطلعوا على التشريح الأساسي للقدم الفهد وتكون قادرة على تحديد بصمات في مجال الاهتمام، وتمييزها عن يطبع من أي آكلة اللحوم الكبيرة sympatric أو متواطن أخرى. إما أن هذه التقنية يمكن استخدامها كأسلوب للتعداد (على سبيل المثال، كم الفهود يتم تمثيل آثار أقدام جمعت؟) أو كأداة لمراقبة أفراد معينين. ويمكن أيضا أن آثار الأقدام أن تستخدم ك 'علامات' في التحليلات علامة إعادة فحص العينات، وذلك باستخدام تقنية لتحديد هوية الأفراد، ومن ثم حساب كثافة المحلية من الأنواع. يتطلب جمع البيانات فقط كاميرا رقمية الأساسية والحجم.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه الورقة التطبيق النظري للتقنية تحديد البصمة وإمكاناتها كما نهج الصديقة للالمجتمعية الفعالة من حيث التكلفة الجديدة للرصد، وبالتالي تساعد الحفاظ الفهد. سوف الخطوات التالية في تطبيقها على نطاق أوسع من الأداة يكون اكثر شدة الاختبار الميداني مع السكان الفهد في المناطق النطاق.
تقنية تحديد البصمة تختلف عن المحاولات السابقة للتعرف على الأفراد من آثار أقدام في العديد من النواحي الرئيسية؛ بروتوكول موحد وصارم جمع البصمة، وتبسيط الرسم البرمجيات واجهة المستخدم، والتوجيه وتعظيم الاستفادة من الصور قبل التحليل، ونموذج إحصائي جديد للتصنيف.
هناك العديد من الخطوات الحاسمة اللازمة لنجاح البروتوكول. أولا، يجب أن يكون مستعدا مسارات الرمل بشكل صحيح وأدى هذا الحيوان فوق الرمال في سرعة المشي استرخاء العادية. عند التصوير آثار أقدام، وتصويريجب أن يكون apher مباشرة فوق مركز للطباعة. في كثير من الأحيان من المفيد أن يكون مراقب للتحقق من ذلك. وأخيرا، من المهم جدا أن المصور (أو مساعد، الذي قد يكون تعقب الخبراء) أن يكون قادرا على تحديد بصمة الفهد على الأرض، ولها مهارة لتتبع أثر من آثار الأقدام إلى الأمام أو إلى الخلف على طول خط السفر .
مهارات تتبع ضرورية لمواصلة التنفيذ الفعال لهذه التقنية لرصد الفهود غير معروفة أو الطليقة. وعدم وجود مهارة يمكن أن يؤدي إلى مجموعة من آثار أقدام كاف واضحة المعالم أو الخلط بين مسارات من الحيوانات المختلفة التي قد يسافر معا. هذه النقطة الأخيرة أهمية خاصة بالنسبة لالفهود، حيث يشكل الشباب الذكور في بعض الأحيان تحالفات من 3 أو أكثر الحيوانات التي تتحرك معا. ومع ذلك، فقد تم تناول هذا القلق بالنسبة للأنواع اجتماعي آخر، وحيد القرن الأبيض، حيث كانت مجموعات تصل إلى 13 شخصا تتحرك معا تحديد الهوية بشكل صحيحfied بواسطة تقنية تحديد البصمة باستخدام تتبع مسارات إلى الأمام أو الخلف (علي باي وآخرون 2008) 17.
في حين أن هناك الآن القليلة المتبقية بتتبع خبراء السكان الأصليين، وتبذل جهودا منسقة للتعامل معهم ونقل مهاراتهم إلى الأعضاء الشباب في مجتمعهم. وسوف تستضيف واحدة من هذه المبادرة، أكاديمية المهارات القديمة، من قبل N / a'an مؤسسة كو سي في ناميبيا. وبالمثل، فإن النمو السريع للبرامج إصدار الشهادات التدريبية تعقب وتمكين العلماء والطبيعة الهواة لتعلم هذه التقنيات المجال الأساسية.
تحديد المواقع اليدوي الدقيق لنقاط بارزة على الصور البصمة أمر أساسي لدقة هذه التقنية. مرة أخرى، يجب أن تكون المشغلين على دراية وعلم التشريح الأساسي القدم وما ينتج عنها انبعاثات. الكتاب تحاول حاليا على تطوير الأتمتة للحد من العمل اليدوي المعنية، والمساعدة في حل أية مخاوف حول ستانdardization عبر مختلف العاملين. في غضون ذلك، فمن المستحسن ببساطة أن المواقع التاريخية من مسؤولية مشغل واحد في كل موقع المجال. حاليا لإشراك العلماء المواطن في جمع البيانات وتحليلها، والتي سوف تضخيم بشكل كبير، التطبيق الميداني الجهود. على الرغم من هذه القيود الحالية، وقد تم نشر هذا البروتوكول البرنامج بنجاح في هذا المجال لمجموعة من الأنواع بما في ذلك الأسود ووحيد القرن الأبيض، الأراضي المنخفضة التابير والنمر آمور.
العمل مع آثار أقدام واحدة الحد واضح – الركيزة يجب أن تسمح انطباعهم واضح. طباعة جزئية أو مطبوعات ذات نوعية رديئة توفر التفاصيل غير كافية 32. ومع ذلك، مساحات واسعة من مجموعة الفهد مثالية لجمع البصمة، وبالنسبة للمناطق غير ملائمة بوجه صغيرة قد يكون من الممكن حتى للتحايل على هذا القيد عن طريق وضع مسارات الرمل الاصطناعي لجمع البصمات. هذه منصات البصمة الانطباع يمكن استخدامها بشكل فعال في تركيبة مع كاليفورنياميرا الفخاخ، على سبيل المثال في المعروفة الفهد بمناسبة الردود / الأشجار. يمكن تتبع المهارات والمعارف المحلية تساعد إلى حد كبير في تحديد مكان وتحديد مجالات ركيزة مناسبة.
لأن تقنية تحديد البصمة هي غير الغازية، فإنه لا يسبب أي إزعاج للبيئة أو سلوك الحيوان. وقد أظهرت العديد من الدراسات أن المخاطر المحتملة والحقيقية للأسر، الشلل، ومعالجة، وتركيب الأجهزة، والتكاليف التي تكبدتها في مثل هذه الممارسات، وخطر جمع البيانات لا يمكن الاعتماد عليها 33. تحديد البصمة كأسلوب لديها ميزة أخرى في إدارة المحافظة. وبناء على تتبع المهارات التقليدية، وفعالية التكاليف، فإنه يمكن إشراك المجتمعات المحلية المهمشة سابقا في عمليات الرصد الحفظ. الواقف 34 وLiebenberg 35 معالجتها بشكل مستقل ويشهد على مهارات الرصد الحفظ وقيمة بما في ذلك تلك الجماعات.
التطورات المستقبلية في قدرة تقنية تحديد البصمة لرصد الفهد جارية، وتشتمل على تجارب ميدانية للتحقق من صحة مع الفهود الطليقة، بناء خوارزميات الفئة العمرية (بما في ذلك التغييرات في مورفولوجية القدم من الأفراد على مر الزمن) والضوابط الركيزة. الكتاب أيضا التحقيق في تقنيات الكمبيوتر الرؤية التي تسمح صورة تقسيم لتحسين الدقة والاتساق في الاحتفال نقاط بارزة.
منذ آثار أقدام هي واحدة من علامات الحيوان الأكثر انتشارا، وغالبا ما تكون أسهل بكثير من العثور على الحيوانات نفسها، والتوسع في اعتماد تحديد البصمة يمكن أن يكون لعبة تغيير في رصد الحفظ. الرئيسية المناطق البرية المحمية في العالم تحصل على ما يقدر بنحو ثمانية مليارات مرة الترفيهية سنويا 36. غالبية زوار تحمل الآن الهواتف الذكية. استخدام أحد التطبيقات التي يجري تطويرها لWildTrack جمع بيانات البصمة سوف تكون بسيطة وسريعة ويمكن يحتمل هffect مجموعة من البيانات من حجم العينة لم يسبق له مثيل والنطاق المكاني. مع بروتوكول جمع البيانات فعالة من حيث التكلفة، وتقنية تحديد البصمة تتكيف بسهولة إلى شبكة إلى أي أدوات الحفظ. كنظام تصنيف الصور، انها نموذج قوي قد يكون لها أيضا تطبيق في الطب، الطب الشرعي، ومجالات إنفاذ القانون (على سبيل المثال، ومكافحة الصيد غير المشروع).
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the support of the N/a’an ku sê Foundation, Namibia; the JMP division (jmp.com) of SAS (sas.com) USA; Chester Zoo, U.K., Cheetah Conservation Botswana, Botswana; and Foundation SPOTS, Netherlands.
Materials
| ITEM | |||
| Garden shovel | |||
| Garden rake | |||
| Substrate tamper | |||
| River or builders sand | |||
| Buckets | |||
| Watering can or sprayer | |||
| Digital camera | |||
| Paper for Photo ID slips | http://wildtrack.org/citizen-science/photographing-footprints/ | ||
| Carpenters' cm folding rule | |||
| Laptop or desktop computer | |||
| JMP software | |||
| The footprint identification technique add-in to JMP software |
References
- Zanin, M., Palomares, F., Brito, D. What we (don’t) know about the effects of habitat loss and fragmentation on felids. Oryx. 49 (1), 96-106 (2015).
- Nowell, K. . Namibia cheetah conservation strategy. , 78 (1996).
- Stein, A. B., Aschenborn, O., Kastern, M., Andreas, A., Thompson, S. . Namibia Large Carnivore Atlas. , 12 (2012).
- Jewell, Z. C., Alibhai, S. K. . Identifying Endangered Species from Footprints. , (2013).
- Johnson, S., et al. Modeling the viability of the free-ranging cheetah population in Namibia: an object-oriented Bayesian network approach. Ecosphere. 4 (7), art 90 (2013).
- Purchase, G., Marker, L., Marnewick, K., Klein, R., Williams, S. . Regional assessment of the status, distribution and conservation needs of cheetahs in southern Africa. Status and conservation needs of cheetahs in southern Africa. , 44-46 (2007).
- Lindsey, P. A., et al. Determinants of persistence and tolerance of carnivores on Namibian ranches: Implications for conservation on southern African private lands. PLoS ONE. 8 (1), e52458 (2013).
- Mendelsohn, J. . Farming systems in Namibia; A publication for the Namibia National Farmers Union (NNFU). , (2006).
- Marker, L., Dickman, A., Wilkinson, C., Schumann, B., Fabiano, E. The Namibian cheetah: Status report. Cat News. 3, 4-13 (2007).
- Boast, L. K., Good, K., Klein, R. Translocation of problem predators: is it an effective way to mitigate conflict between farmers and cheetahs Acinonyx jubatus. in Botswana?. Oryx. (1365-3008), 1-8 (2015).
- Weise, F. J., Stratford, K. J., van Vuuren, R. J. Financial Costs of Large Carnivore Translocations – Accounting for Conservation. PLoS ONE. 9 (8), e105042 (2014).
- Marnewick, K., Funston, P. J., Karanth, K. U. Evaluating camera trapping as a method for estimating cheetah abundance in ranching areas. S. Afr. J. Wildl. Res. 38 (1), 59-65 (2008).
- Wachter, B., et al. The use of data from VHF and GPS radio-collared cheetahs to decrease conflicts between cheetahs and farmers in Namibia. 26, 556-567 (2006).
- Kelly, M. J. Computer-aided photograph matching in studies using individual identification: an example from Serengeti cheetahs. J. Mammal. 82 (2), 440-449 (2001).
- Jewell, Z. C., Alibhai, S. K., Law, P. R. Censusing and monitoring black rhino (Diceros bicornis.) using an objective spoor (footprint) identification technique. J. Zool. 254 (1), 1-16 (2001).
- Alibhai, S. K., Jewell, Z. C., Law, P. R. A footprint technique to identify white rhino Ceratotherium simum at individual and species levels. Endanger. Species Res. 4, 205-218 (2008).
- Gu, J., Alibhai, S. K., Jewell, Z. C., Jiang, G., Ma, J. Sex determination of Amur tigers (Panthera tigris altaica) from footprints in snow. Wildl. Soc. Bull. 38 (3), 495-502 (2014).
- Jewell, Z. C., Alibhai, S. K., Evans, J. W. Monitoring mountain lion using footprints: A robust new technique. Wild Felid Monitor. 7 (1), 26-27 (2014).
- Panwar, H. S. A note on tiger census technique based on pugmark tracings. Indian For. (Special Issue), 70-77 (1979).
- Sagar, S. R., Singh, L. A. K. Technique to distinguish gender of tiger (Panthera tigris) from pugmarks. Indian For. 117, 24-28 (1993).
- Lewison, R., Fitzhugh, E. L., Galentine, S. P. Validation of a rigorous track classification technique: identifying individual mountain lions. Biol. Conserv. 99 (3), 313-321 (2001).
- Smallwood, K. S., Fitzhugh, E. L. A track count for estimating mountain lion Felis concolor californica population trend. Biol. Conserv. 71 (3), 251-259 (1995).
- Scharis, I., Rasmussen, G. S. A., Laska, M. Using morphometrics to quantitatively differentiate African wild dog footprints from domestic dog footprints – a pilot study. Afr. J. Ecol. 54 (1), 3-8 (2015).
- Gore, A. P., et al. Tiger census: role of quantification. Curr. Sci. 64, 711-714 (1993).
- McDougal, C., Seidensticker, J., Christie, S., Jackson, P. You can tell some tigers by their footprints with confidence. Riding the tiger. , (1999).
- Sharma, S., Jhala, Y., Sawarkar, V. B. Gender discrimination of tigers by using their pugmarks. Wildl. Soc. Bull. 31 (1), 258-264 (2003).
- Sharma, S., Jhala, Y., Sawarkar, V. B. Identification of individual tigers (Panthera tigris) from their pugmarks. J. Zool. 267 (1), 9-18 (2005).
- Sharma, S., Wright, B. . Monitoring tigers in Ranthambore using the digital pugmark technique. , (2005).
- Riordan, P. Unsupervised recognition of individual tigers and snow leopards from their footprints. Anim. Conserv. 1 (4), 253-262 (1998).
- Law, P. R., Jewell, Z. C., Alibhai, S. K. Using shape and size to quantify variation in footprints for individual identification: case study with white rhino (Ceratotherium simum). Wildl. Soc. Bull. 37 (2), 4-33 (2013).
- Laity, K. M. . Field Validation of the Footprint Identification Technology on Free-roaming Cheetahs in Namibia. , (2015).
- Jewell, Z. Effect of monitoring technique on quality of conservation science. Conserv. Biol. 27 (3), 501-508 (2013).
- Stander, P. E., Ghau, I., Tsisaba, D., Oma, I., Vi, I. Tracking and the interpretation of spoor: a scientifically sound method in ecology. J. Zool. 242 (2), 329-341 (1997).
- Liebenberg, L., Blake, E., Steventon, L., Benadie, K., Minye, J. Integrating traditional knowledge with computer science for the conservation of biodiversity. , 26-30 (1998).
- Balmford, A., et al. Walk on the Wild Side: Estimating the Global Magnitude of Visits to 649 Protected Areas. PLoS Biol. 13 (2), e1002074 (2015).
