一种研究光干扰下鸟类行为特征的实验平台设计

刘 刚，陈晓超，任卓菲，韩 臻，陈雨祺，刘芳博

(天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

城市照明的快速发展促使全球夜空亮度呈指数增长，由此引起的光污染对鸟类个体行为和种群数量产生了显著的影响。基于鸟类夜间生境保护的需要，通过实验来量化人工光对鸟类影响的光参数阈值以指导生态照明工程实践显得尤为重要。但我国目前在人工光对鸟类行为影响的研究仍存在不足，室内监测光干扰下鸟类行为特征的实验也未形成统一的经验和方法。现有实验方法往往占用较多实验场地，并且难以保证实验样本所处环境的一致性以及免受其他因素的影响。基于目前存在的问题，本文将介绍一种用于研究光干扰下鸟类行为特征的实验平台的设计。

1 实验箱设计

1.1 实验箱外箱体设计

针对目前研究人工光对鸟类行为影响的实验存在占地多、浪费人力成本、难以保证实验对象独立性等诸多问题，设计了一种节约场地、避免外界干扰、实验空间独立的实验箱。箱体由厚铁皮制成，外部尺寸为0.9 m×0.45 m×0.45 m，如图1所示。

图1 实验箱外箱体示意图Fig.1 Schematic diagram of the outside box of the test box

a为箱体0.9 m×0.45 m一侧设置的双开门，便于放置实验样本和灯具。国外一些研究人工光对鸟类行为影响的类似实验，在实验中多采用混合白光模拟白天的自然光环境[1-4]，但这并不能如实反应一天中自然光的变化，针对这一情况，在箱体0.45 m×0.45 m一侧设置的透明亚克力板，以便用于白天引入自然光和夜晚进行图像采集(如图1中b所示)。

除设有亚克力窗的一面，箱体其余内壁均贴有隔声阻尼胶和聚酯纤维吸音棉(如图1中c所示)，用于隔绝外来噪声和吸收箱内实验对象的声音。实验测得，设有隔声阻尼胶和聚酯纤维吸音棉可以在高频范围内将外界70 dB (Z计权)的声音降低至箱内29.8 dB (Z计权)，如图2所示。多项鸟类研究表明环境噪声≥45 dB(A)水平下，鸟类鸣声特征、繁殖、应激激素水平和物种丰富度发生了变化[5, 6]，而此实验箱内声环境远小于对鸟类产生影响的环境噪声阈值。

图2 实验箱隔声数据图示Fig.2 The sound insulation data of test box

d为送风管口，外接置于箱外的送风风扇，e为排风管口，用于保证箱体内实验对象通风换气的需要和带走灯具和实验对象活动所产生的热量。

人工光对鸟类行为影响的实验研究需引入天然光作对比实验，因此实验箱分为用于监测人工光干扰下鸟类行为特征的实验组实验箱和监测天然光干扰下鸟类行为特征的对照组实验箱。

1.2 监测人工光干扰下鸟类行为特征的实验箱设计

监测人工光干扰下鸟类行为特征的实验箱为实验组箱体，如图3所示，用于监测不同光谱类型下不同照度的人工光对鸟类行为特征的影响。

箱体内的投光灯和用于调节光源参数并放置于箱外的控制器组成人工光刺激组件。Raap等[7]研究人工光对大山雀生物节律的影响中，在每个实验箱入口的上方放置LED用作实验光源，但这样可能会导致出现眩光，使得实验结果出现偏差，因此我们将投光灯面向箱内顶部发光，并设计漫反射箱顶，将LED发出的光均匀反射到整个箱内空间。箱体外设有摄像系统，用于记录实验对象在人工光干扰下的行为特征。

1.3 监测天然光干扰下鸟类行为特征的实验箱设计

监测天然光干扰下鸟类行为特征的实验箱为对照组箱体，如图4所示，用于监测天然光背景下实验对象的自然睡眠节律。对照组实验箱用红外摄像仪镜头作为数据收集工具，以便观察箱内实验对象的活动情况。

图3 实验组实验箱示意Fig.3 Schematic diagram of experimental box of experimental group

图4 对照组实验箱示意Fig.4 Schematic diagram of control group test box

2 实验平台的搭建与实验流程

2.1 实验准备阶段

1)实验选址。实验应选取一间光线通透、温度适宜、面积足够的室内场地。为保证实验过程中实验样本不受到外界环境的干扰，实验场地外不宜设置在噪声污染严重的区域；因实验研究的主要变量为人工光，所以实验场地应尽量选择夜间无其他人工光干扰的地区。

2)搭建实验平台。实验场地确定以后，将实验箱以一定间隔并排放置在实验室内，并将设有亚克力窗的一端朝向实验室开窗位置放置。然后将灯具、风扇、摄像装置、红外热成像仪按图3和图4所示置于实验箱内外。最后进行全系统调试。

3)实验物种适应。将用于研究的实验对象和备用样本在实验室饲养区笼养一段时间以适应周围环境。

2.2 实验阶段

1)在适应期结束后，将实验对象随机放入各个实验箱中。设置实验组实验箱内光源参数，并运用定时开关设置光源的开关灯时间(避免手动开关灯对实验对象影响)。

2)每天定时为实验对象投喂食物和水，并且需要每天观察实验对象的健康状况，对出现异常的实验样本应及时更换并记录下来。

3)定期读取摄像设备与红外热成像仪记录的实验数据，数据读取周期依据摄像设备内存大小而定。

4)一个周期的实验结束之后，清扫实验场地，可换其他种类的鸟类再次进行光干扰实验。

5)整个实验周期结束之后，对实验对象进行一段时间的适应性训练，然后放飞。

2.3 数据处理平台设计

该类实验的实验数据是长周期视频数据，如果人工处理，耗时长、成本高且精度差。所以，本文采用图像处理技术和机器学习技术开发了自动数据处理平台。该平台运用基于深度神经网络的机器学习技术，对收集到的图像数据构建训练集，开发图像识别软件。深度神经网络的训练是软件研发的关键步骤，本软件研发时所采用的目标检测模型为Fast R-CNN神经网络模型，通过大量训练集的训练，可得到网络模型最佳参数(见图5)。运用这一软件对实验样本每个实验日的开始睡眠时刻、惊醒率、清醒时刻进行统计。

3 讨论

本文用于监测鸟类行为特征的实验箱，其制作工艺简单、占用场地少、易于复制，并且对实验对象、人体和周围环境无污染。箱体一侧设置的透明亚克力板在白天引入自然光，减少了人工白光模拟自然光带来的实验误差；隔声阻尼胶和聚酯纤维吸音棉的使用减少了外界和箱内噪声对实验对象的干扰；通风系统保证了鸟类正常生活所需的空气环境，同时避免了光源热辐射对其行为产生的影响；反射顶棚的设计将投光灯发出的光均匀反射到整个箱内空间，避免了眩光对鸟类产生的影响。

本文提供的监测光干扰下鸟类行为特征的实验方法覆盖了光生态实验的完整流程。基于标准化光生态实验平台监测天然光和人工光干扰下鸟类行为特征的实验方法，操作简单，过程科学，具有广泛的普适性，可供国内其他相关研究者借鉴参考，以量化人工光对不同种鸟类的影响，形成光干扰下鸟类行为特征变化数据库，为绿色生态照明的建设提供基础支撑。

但本文提供的实验平台的设计也有一定的局限性。首先，本实验只适应于小型鸟行为特征的监测，对于一些体型较大的鸟类，则需要对实验箱进行一定的改造；其次，本实验只能做各个独立样本实验，不能用于研究鸟类群体行为，比如光干扰下鸟类的群体鸣叫行为以及求偶行为。