亚高山环境中利用遥感定位黄腹土拨鼠（Marmota flaviventer）冬眠洞：无人机影像人工复核可行而0.33 m卫星影像不可行

《Ecological Informatics》：Localizing yellow-bellied marmot burrows in a subalpine environment using remote sensing

　　

•首次在亚高山环境中测试无人机与卫星对土拨鼠冬眠洞（hibernacula）的检测。
•无人机影像通过人工复核可可靠分辨洞穴，即使由非专家完成。
•0.33 m卫星影像即使提供精确坐标亦无法检测洞穴。
•检测准确率与飞行高度、海拔及洞穴占用无关。
•无人机为气候变化下监测冬眠洞提供可扩展工具。

研究背景与问题：冬眠是哺乳动物应对资源匮乏的重要生存策略，冬眠洞（hibernacula）选择直接影响体温调节、代谢抑制和唤醒频率，进而影响越冬存活与适合度。黄腹土拨鼠（Marmota flaviventer）是分布于美国西部山区和亚高山区域的社会性穴居啮齿动物，海拔约1500–4000 m，约80%生命时间在洞穴中度过，每年冬眠7–8个月，约占年周期60%，且具有强站点忠诚性，常重复利用热条件稳定的冬眠洞。气候变化导致暖冬、夏季升温、春季融雪提前约16天，并可能增加冬季能量需求；同时捕食、车辆碰撞和人为结构困陷等压力影响不同年龄段存活。因此，监测冬眠洞位置和占用变化对理解行为可塑性及气候响应至关重要。传统方法包括直接观察、标志重捕、无线电遥测、植入数据记录器和内窥镜等，但劳动密集、空间尺度有限，且可能干扰动物。卫星和无人机在其他物种中已有应用，但在亚高山环境定位黄腹土拨鼠洞穴尚未测试。研究人员据此测试无人机和高分辨率0.33 m地球观测卫星影像能否定位已知黄腹土拨鼠洞穴，包括冬眠洞，并假设两种遥感数据源均可实现定位。

关键技术方法：研究基于Rocky Mountain Biological Laboratory（RMBL）在美国Colorado州Gothic附近East River Valley自1962年持续监测的黄腹土拨鼠种群，聚焦17个长期洞穴、9个群体，使用Trimble Catalyst GNSS（全球导航卫星系统）实现亚米级定位，并以2002–2024年活捕记录量化占用年数，以春季出蛰观察判定冬眠洞。无人机采用DJI Air 2S，在10–120 m高度、每10 m间隔采集影像，覆盖0.378 km²；由10名非土拨鼠生态专家标注者随机分批人工复核。卫星采用WorldView-3影像，生成0.33 m真彩色产品，由两名熟悉研究区者依据精确GPS坐标在QGIS中检查。统计分析包括条件定位准确率、Mann–Whitney U检验、Spearman秩相关、广义线性混合模型（GLMM）和Fleiss’ κ。

研究结果：3.1 无人机调查结果：通过人工复核无人机影像，活动洞穴总体定位准确率为63.3%（541/855；95% CI：59.9%–66.5%），相当于每幅影像5名标注者中平均3.16名正确识别。各飞行高度平均准确率为58.5%–72.0%。混合模型显示，定位准确率随飞行高度增加显著下降，每增加10 m优势比为0.94（95% CI：0.89–0.99，p=0.015），预测总体平均准确率从10 m的68.7%降至120 m的57.6%。冬眠洞与非冬眠洞之间无显著差异；海拔、冬眠洞状态、占用年数均与准确率无关；平均土拨鼠数量相关性不显著（ρ=0.47，p=0.058）。站点间较大未解释变异与细尺度站点特征有关，但裸地暴露、基质组成、坡度和植被密度未量化。3.2 标注者变异和模型结果：10名标注者定位准确率差异显著，范围为26.6%–86.1%（均值62.7%，SD=22.4个百分点），两个批次内异质性均显著。批次1平均成对一致性为48.6%，Fleiss’ κ为?0.04；批次2为73.0%，κ为0.35。洞穴站点准确率为30.0%–100%。混合模型中，标注者随机效应标准差为1.15，洞穴随机效应标准差为1.51（logit尺度），二者共解释约一半总方差，且均高度显著（标注者：χ²(1)=124.0，p<0.001；洞穴：χ²(1)=139.2，p<0.001）。3.3 卫星影像分析结果：两名有经验标注者在获得精确GPS坐标的情况下，均无法在WorldView-3卫星影像中识别任何已知洞穴；对“洞穴是否可见”的二元问题全部回答为否。阴影是山区卫星影像已知问题，但下谷站点识别也受影响，因此未继续评估未知洞穴。

讨论与结论：研究表明，高分辨率无人机影像可定位土拨鼠洞穴，即使非专家标注者在无站点和生态背景知识时，也有超过一半洞穴被正确识别，平均定位率为63.3%。标注者间差异较大，提示该方法上限受标注者能力而非传感器分辨率限制；熟悉土拨鼠洞穴和生态的生态学家可能获得更高准确率。洞穴位点形成局部生态扰动梯度，包括植被结构改变、裸露土壤斑块和基质压实迹象，从而产生遥感信号。定位成功率在站点间不均，可用生态指标未解释差异，研究人员指出可能与裸地范围、基质组成、坡度和植被密度等细尺度生物物理属性有关。冬眠洞与非冬眠洞定位无显著差异；飞行高度影响可测量但较温和。实践上，120 m高度仍可正确定位多数洞穴，该高度符合FAA规定且声学暴露最低；建议操作调查进行简短预飞行观察、在群体外起降并全程高空飞行。当前方法更适合对已知洞穴位点进行重复监测和变化检测，而非在未调查地形中从头发现洞穴；无人机影像映射洞穴结构，地面观察判定功能，共同追踪群体范围和洞穴持久性。与初始假设相反，结果表明在当前亚高山环境中基于卫星定位不可行；即使使用0.33 m GSD影像并提供精确GPS坐标，熟悉研究区的标注者也无法识别任何已知洞穴。该局限反映通过地球观测卫星识别小型陆生物种的广泛挑战。大型物种可在卫星影像中识别和计数，而其他小型物种依赖环境代理或高光谱对比；本研究中此类光谱可分特征不可辨别，复杂异质地形也增加困难。卫星影像无法识别洞穴凸显当前商业平台在偏远异质景观中对小型动物精细监测的局限，并需要提高传感器空间分辨率。研究结果指出实用替代方案：无人机有前景，可扩展黄腹土拨鼠监测，尤其在地面方法后勤困难或可能干扰自然种群的区域。无人机灵活性、高空间分辨率和站点特异性部署适合追踪洞穴占用随时间变化。在持续环境变化背景下，无人机调查可加速监测冬眠洞位置变化，如向更高海拔移动或站点忠诚度变化，为理解行为可塑性及对气候变化的响应提供见解。

研究结论部分翻译：与研究人员的初始假设相反，结果表明在当前亚高山环境中基于卫星的定位不可行。即使使用0.33 m GSD的甚高分辨率影像，并向有经验标注者提供精确GPS坐标，所有已知洞穴位点均无法识别。该局限反映了通过地球观测卫星影像识别小型陆生物种的更广泛挑战。大型物种包括大象、角马、白犀牛、北极熊和若干鲸类已在卫星影像中被识别和计数；对其他较小体型物种，如企鹅、草原犬鼠和袋熊，定位通过环境代理实现，例如鸟粪痕迹和洞穴模式，或利用物种与背景之间的高光谱对比。此类光谱可分特征在本研究系统中不可辨别。Colorado地区黄腹土拨鼠栖息地由云杉、白杨草甸和岩屑坡组成的复杂异质地形进一步增加定位难度，而俄罗斯草原等更均质环境中曾通过卫星检测到bobak marmot洞穴。卫星影像无法识别洞穴，凸显当前商业平台在偏远异质景观中对小型动物进行细尺度地面监测的局限，以及提高传感器空间分辨率的需求。研究结果指出一种实用替代方案：无人机为扩展土拨鼠监测提供了有前景的解决方案，尤其在地面方法后勤困难或可能干扰自然种群的区域。无人机灵活性、高空间分辨率和站点特异性部署能力，使其适合追踪洞穴占用随时间的变化。在持续环境变化背景下，无人机调查可加速监测冬眠洞位置变化，例如向更高海拔移动或站点忠诚度改变。此类监测可为土拨鼠行为可塑性及其对气候变化响应提供有价值见解。