Spotting Cheetahs: identificeren van individuen door hun voetsporen
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
De cheetah (Acinonyx jubatus) is Afrika's meest bedreigde felid en vermeld als kwetsbaar met een dalende bevolking trend door de IUCN Rode Lijst van Bedreigde Soorten 1. De wereldwijde cheetah populatie wordt geschat op tussen de 7-10,000 individuen 1 en Namibië wordt erkend als de grootste bolwerk van de loslopende cheetah, met misschien wel meer dan een derde van de wereldbevolking 4,6,7. Bevolking schattingen voor Zuidelijk Afrika in 2007 geplaatst Namibië cheetah bevolking in 2000 met de volgende dichtstbijzijnde range staat Botswana met 1800, gevolgd door Zuid-Afrika (550), Zimbabwe (400), Zambia (100), Mozambique (<5). Verschillende staten waren niet geëvalueerde 7.
Namibische autoriteiten hebben een duidelijk beeld van de "veilige, leefbare cheetah populatie in een heel scala van ecosystemen die met succes samengaan met, en worden gewaardeerd door de mensen van Namibië." Echter, veeen game landbouw zijn belangrijke grondgebruik in Namibië 8,9 en landeigenaren regelmatig val en doden cheetah op hun eigenschappen in een poging om predatie van de veestapel of waardevolle wilde dieren te verminderen. Meer dan 1.200 jachtluipaarden werden verwijderd 1991-2006, maar niet al deze 'afnames werden opgetekend 10. Bovendien is er een debat over de vraag of dit een effectieve oplossing voor de boer-cheetah conflict. De verwijdering van de dieren ervaren als conflict veroorzaken, door het doden of translocatie kan minder effectief dan beperking van conflict met andere middelen, zoals een betere bescherming van veestapel 11 zijn. Gepubliceerde tarieven van de overleving van 12 maanden na de translocatie varieerden van 18% 11-40% 12.
Het verzamelen van betrouwbare gegevens over de aantallen, de identiteit en de distributie van de cheetah in Namibië is de sleutel tot het aanpakken van de mens-cheetah conflictsituaties. Huidige cheetah controle technieken variëren van gerichte vragenlijsten uit de Namibian ministerie van Milieu en Toerisme aan de belanghebbenden 4 tot opportunistische observaties door toeristen en de overheid rapporteert 4, het gebruik van camera-traps 13, GPS of VHF kragen 10,14, boer interview enquêtes 8, en zelfs vlekpatroon 15. Uit een vergelijking van de werkzaamheid van deze technieken zonder gemeenschappelijke referentie of kwantificatie van onderzoeksinspanning is moeilijk. Elk heeft beperkingen; GPS-satelliet en VHF kragen zijn duur en vaak onbetrouwbaar, gerichte vragenlijsten hebben een beperkte reikwijdte, en de camera-traps hebben een beperkte bereik.
Ramingen van deze verschillende methoden lopen sterk uiteen. Marker et al. 10 gewezen op de noodzaak van een meer gecoördineerde aanpak. Een verscheidenheid aan methoden zijn gebruikt op de landerijen te cheetah bevolkingsdichtheid te schatten, en die hebben een bereik van ramingen. Bijvoorbeeld, een radio-telemetrie studie naar schatting 2,5 (± 0,73) cheetahs / 1000 km <sup> 2 terwijl een camera-val studie naar schatting 4,1 (± 0,4) cheetahs / 1000 km 2 (Marker et al. 2007). Deze variatie stelt de problematiek van verschillende methodes om dichtheid te schatten, maar tot nu toe geen enkele effectieve, herhaalbare techniek geïdentificeerd die kunnen worden gebruikt in de uiteenlopende habitats jachtluipaarden innemen in Namibië. Dit blijft een probleem voor een effectieve cheetah controle en conservering.
Deze uitdaging leidde tot de ontwikkeling van een robuuste, kosteneffectieve en flexibele tool voor het monitoren van de cheetah. De footprint identificatie techniek werd voor het eerst ontwikkeld voor de zwarte neushoorn 16 en vervolgens aangepast voor een breed scala aan soorten, waaronder witte neushoorn 17, Amur tijger 18, poema 19, en anderen.
Diverse studies hebben aangetoond dat het mogelijk is om voetafdrukken te gebruiken om grote carnivoren te identificeren per soort, individuen, en seks. Het procesgeëvolueerd van eenvoudige vorm beschrijving van footprints 20 een vergelijking van metingen 21, statistische analyse van één of meerdere metingen 16,17,22-30 en vormanalyse 31 .Deze pogingen hebben variërend succes, grotendeels afhankelijk van de strengheid van de gegevensverzameling en analytische processen, en het aantal proefdieren gebruikt om de training datasets ontwikkelen. Er zijn een aantal praktische voordelen van het gebruik van voetafdrukken. De eerste is dat beelden kan worden verzameld naast andere niet-invasieve benaderingen (bijvoorbeeld camera-trapping, DNA verzameling van haar / feces, enz.) Met zeer weinig extra inspanning en kosten. In de tweede plaats, voetafdrukken zijn, waar de ondergrond het toelaat, de meest alomtegenwoordige teken van dierlijke activiteit.
De footprint identificatie techniek is de eerste robuuste footprint identificatie techniek beschreven voor cheetah en is van toepassing op elke plaats waar de voetafdrukken zijn gevonden. Voetafdrukken moet sufficie zijnntly gedefinieerd dat de teen en de hiel van de drukletters gemakkelijk kan worden gezien met het blote oog. Het gebied exploitanten moeten zich vertrouwd te maken met de basis anatomie van de cheetah voet en in staat zijn om afdrukken te identificeren op het gebied van belang, en onderscheiden van afdrukken van een andere sympatric grote carnivoren. De techniek kan worden gebruikt als een telling techniek (bijvoorbeeld hoeveel jachtluipaarden worden voorgesteld door de voetafdrukken verzameld?) Of als middel om bepaalde personen te controleren. Voetafdrukken kan ook worden gebruikt als "merken" in mark-hervangst analyses met de techniek om personen te identificeren, en bereken lokale dichtheden van de soort. Het verzamelen van gegevens vereist slechts een eenvoudige digitale camera en schaal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit document schetst de theoretische toepassing van de footprint identificatie techniek en zijn potentieel als een nieuwe kosten-effectieve, community-vriendelijke aanpak van het toezicht, en dus helpen besparen cheetah. De volgende stappen in de bredere toepassing van het instrument zal uitgebreider veld testen met cheetah populatie binnen bereik gebieden.
De footprint identificatie techniek verschilt van eerdere pogingen om personen uit voetafdrukken in een aantal belangrijke punten te identificeren; een gestandaardiseerde en rigoureuze footprint verzamelen protocol, een gestroomlijnde grafische gebruikersinterface software, de oriëntatie en optimalisatie van afbeeldingen voor de analyse en een nieuwe statistische model voor classificatie.
Er zijn verschillende kritische stappen nodig zijn voor het succes van het protocol. Ten eerste moet zandpaden correct worden opgesteld en het dier onder leiding over het zand bij een normale ontspannen wandeltempo. Bij beeldvorming van de voetafdrukken, de photographer moet rechtstreeks overhead van het centrum van de afdruk zijn. Vaak is het nuttig een waarnemer voor dit controleren zijn. Ten slotte is het zeer belangrijk dat de fotograaf (of een assistent, die een expert tracker kan zijn) in staat zijn om een cheetah voetafdruk te identificeren op de grond, en de vaardigheid om het spoor van voetafdrukken voren of naar achteren te volgen langs de lijn van reizen .
Tracking vaardigheden zijn essentieel voor de effectieve verdere uitvoering van deze techniek voor het monitoren van onbekende of free-ranging cheeta's. Een gebrek aan vaardigheden kan leiden tot het verzamelen van onvoldoende welomschreven voetafdrukken of verwarring tussen de paden van verschillende dieren die samen zouden kunnen reizen. Dit laatste is vooral van belang voor jachtluipaarden, waarbij jonge mannen soms vormen coalities van 3 of meer dieren die samen bewegen. Echter, deze zorg aangepakt voor een andere sociale soorten, de witte neushoorn, waar groepen van maximaal 13 personen samen te bewegen waren correct identified door de voetafdruk identificatie techniek met behulp van voor- of achteruit volgen van paden (Alibhai et al. 2008) 17.
Hoewel er zijn nu weinig overgebleven expert inheemse trackers, zijn gezamenlijke inspanningen aan te gaan met hen en dragen hun vaardigheden om jongere leden van hun gemeenschap. Een dergelijk initiatief, de Academy of Ancient Skills, zal worden gehost door de N / A'an ku sê Foundation in Namibië. Ook de snelle groei van de tracker training certificeringsprogramma's in staat stelt wetenschappers en amateur naturalisten om deze essentiële veld technieken te leren.
De nauwkeurige handmatige positionering van merkpuntpunten op voetafdruk afbeeldingen staat centraal in de nauwkeurigheid van de techniek. Nogmaals, moeten operators bekend zijn met de basis anatomie van de voet en de daaruit voortvloeiende voetafdruk zijn. De auteurs zijn op dit moment proberen om de automatisering aan de handmatige werkzaamheden zoveel mogelijk te beperken, en te helpen oplossen van eventuele zorgen over standardization over verschillende operators. In de tussentijd is het gewoon aanbevolen dat mijlpaal positioneren onder de verantwoordelijkheid van één exploitant op elk veld plaats. Inspanningen worden gedaan om de burger wetenschappers in data-acquisitie en analyse, die enorm zal versterken field-applicatie in te schakelen. Ondanks deze huidige beperkingen, heeft deze software protocol met succes ingezet in het veld voor een aantal soorten, waaronder Black and White neushoorn, Lowland tapir en Amur tijger.
Werken met voetafdrukken heeft een duidelijke beperking – de ondergrond moet hun duidelijke indruk mogelijk te maken. Gedeeltelijke prints of slechte kwaliteit prints geven te weinig detail 32. Echter, grote delen van cheetah gamma zijn ideaal voor voetafdruk collectie, en voor kleine anderszins ongeschikte gebieden kan het zelfs mogelijk zijn om deze beperking te omzeilen door het plaatsen van kunstmatige zand paden naar voetafdrukken te verzamelen. Deze footprint impression elektroden effectief kan worden gebruikt in combinatie met camera-traps, bijvoorbeeld bij bekende cheetah markering berichten / bomen. Tracking vaardigheden en lokale kennis kan enorm helpen bij het lokaliseren en identificeren van gebieden van geschikt substraat.
Omdat de footprint identificatietechniek is niet-invasief, heeft het geen verstoring van het ecologisch of het gedrag van het dier veroorzaken. Vele studies hebben aangetoond dat het potentieel en de werkelijke risico's van de vangst, immobilisatie, handling en montage van instrumenten, de kosten die voortvloeien uit dergelijke praktijken, en het risico van het verzamelen van onbetrouwbare gegevens 33. Voetafdruk identificatie als een techniek heeft nog een voordeel in natuurbeheer. Gebaseerd op de traditionele volgen vaardigheden, en kosteneffectiviteit, kan het eerder gemarginaliseerde lokale gemeenschappen in de processen van het behoud bewaking in te schakelen. Stander 34 en Liebenberg 35 onafhankelijk van elkaar gericht en getuigt het behoud controle vaardigheden en de waarde van het opnemen van deze groepen.
Toekomstige ontwikkelingen in de footprint identificatie techniek mogelijkheden voor het bewaken van cheetah zijn aan de gang, en omvatten field-trials voor de validatie met loslopende jachtluipaarden, het opbouwen van de leeftijd klasse algoritmen (met inbegrip van veranderingen in voetmorfologie van individuen in de tijd) en substraat controles. De auteurs zijn ook onderzoek naar technieken die in de computer vision waarmee image-segmentatie om de nauwkeurigheid en consistentie te optimaliseren in het markeren landmark punten.
Sinds voetafdrukken een van de meest alomtegenwoordige dieren tekenen, en vaak zijn veel gemakkelijker te vinden dan de dieren zelf, zou de bredere toepassing van voetafdruk identificatie-spel veranderen in het behoud monitoring. Belangrijkste beschermde gebieden op het land van de wereld krijgen naar schatting acht miljard recreatieve bezoekers per jaar 36. Een meerderheid van de bezoekers nu dragen smartphones. Met behulp van een app ontwikkeld voor Wildtrack het verzamelen van voetafdruk gegevens eenvoudig en snel te zijn en kon potentieel effect een dataset van ongekende steekproefgrootte en ruimtelijke schaal. Met een kosten-effectieve dataverzameling protocol, de voetafdruk identificatie techniek gemakkelijk aanpast aan gaas in een behoud gereedschapskist. Als een afbeelding classificatiesysteem, het is robuust model kan ook toepassing in de medische, forensische en rechtshandhaving velden (bijvoorbeeld anti-stroperij).
Declarações
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 |
Referências
- 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).
