研究和评论:生态学和环雷竞技苹果下载境科学》杂志上
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ISSN: 2347 - 7830
+ 44-7723-59-83581部门的临床科学、兽医学院、北卡罗莱纳州立大学罗利,北卡罗莱那州27607,美国
2太平洋西北国家实验室,里奇兰,华盛顿,99354年,美国(当前)
3计算机科学部门,工程学院,北卡罗莱纳州立大学罗利,北卡罗莱那州27695,美国
4林业和环境资源、自然资源学院,北卡罗莱纳州立大学罗利,北卡罗莱那州27695,美国
收到日期:15/08 / 2015接受日期:17/12 / 2015发表日期:24/12/2015
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摘要目的:在一个快速变化的世界,野生动物生态学家努力正确模型和预测动物及其环境之间复杂的关系,促进管理决策影响公共政策保护和保护脆弱的生态系统。在监测系统跨越科学领域的最新进展,包括动物和天气监测装置和景观分类映射技术。当前的挑战是如何结合和使用详细的输出从各种来源地址问题跨越多个学科。
方法:WolfScout野生动物和天气跟踪系统是一种软件工具能够填补这个利基。WolfScout自动化集成最新的技术进步在野生动物GPS项圈,气象站,干旱条件下,和恶劣天气报告,和动物的人口统计信息。数据库存储的各种分类景观地图包括自然和人造的特性。此外,WolfScout的空间数据库管理系统允许用户来计算动物之间的距离位置和景观特征,与环境条件的最佳逼近交互过程中动物的位置。
结果:WolfScout系统是一个模范实用程序,为研究人员提供了一个跨学科的方法来监测野生动物与环境的相互作用。标准化信息用于研究项目,从多个科学领域高质量的数据集成和格式化的直接分析。动物、天气和空间与景观中可以提取元数据计算各种组合通过web接口依赖于提出假设和理想的数学模型。成功部署在布拉格堡军事储备导致对wildlife-longleaf松树生态系统管理的影响。
结论:天气WolfScout野生动物和跟踪系统促进数据源之间的互操作性,软件应用程序,和研究项目,促进我们的应对能力和模型复杂的问题影响野生动物与环境的相互作用。这部小说的发展数据管理工具是一个跨学科的科学的未来方向的坚实的一步。
野生动物、天气、景观、空间分析、数据科学、数据库集成
了解野生动物在给定区域的时空运动对解开至关重要的复杂性interand intra-species交互、资源使用和疾病传播。经验相关信息的相互作用这些生态组件通常是缺乏或很难获得。然而,与目前的技术,我们可以监控动物交互和洞察环境力量推动动物运动(1]。气候和天气是重要的司机为动物如何使用他们的环境但这种关系知之甚少2- - - - - -4]。与当前的担忧气候变化的影响参数和极端天气事件的增加,理解和建模的重要性环境因素如何影响动物行为是至关重要的(5- - - - - -8]。为了解决这些复杂的问题,研究必须结合大量数据从多个学科在空间和时间。
目前的趋势在动物跟踪研究利用全球定位系统(GPS)提供的尖端技术网络(9),有能力产生高度精确点位置在用户设置的时间间隔。野生动物GPS项圈的进步使接近实时远程数据收集通过全球移动通讯系统(GSM)蜂窝调制解调器位于环设备。许多新的GPS项圈包括各种传感器(例如,死亡率、温度、两轴活动,和冬眠传感器)除了传统的高频(甚高频)利用无线电信标,这使研究人员精确地解决广泛的生态问题[10,11]。
这些GPS项圈的灵活性产生数据收集的信息量大大增加了需要后处理和分析。例如,使用甚高频项圈,研究员手动从他们的研究动物,收集位置取决于动物的数量和可用的人力,每周一天一次或一次,通常一次只一个赛季(12]。GPS项圈,接收器可以将收集位置数据非常频繁的时间间隔较长一段时间里,只有依靠电池供电和数据存储的方法。例如,GPS项圈可以设置收集点和传感器数据每20分钟一年多了。信息收集的巨大增加挑战现有的数据处理和分析的方法。
传统上,研究人员手动收集、错误检查格式,输入的数据分析甚至可以开始之前。信息的数量和复杂性的问题被解决,传统的方法是压倒性的,浪费时间,而且容易出错。此外,目前的软件程序是面向处理小,离散的数据数据包从甚高频项圈,获得不流,连续GPS系统采集的数据。需要数据管理野生动物监测的新方法是明显的13]。
下一个挑战是整合来自多个源的动物运动的大型数据集(如GPS项圈,气象数据库包括气象站、地形图、遥感数据、表格数据),允许分析动物的运动和在系统与环境的相互作用,标准化的方式。由于大量的数据能够实时收集跨多个学科,在高频率数据集成可以极其压倒性的研究员甚至试图把一个或两个的信息来源(14,15]。此外,这些数据需要处理和存储在一个方式,促进进口到多个软件分析程序和提供各种各样的用户提供不同的目标。数据和软件应用程序的互操作性,跨多个科学领域的复杂的问题可以解决。
我们认为一个系统的方法与数据库管理系统(DBMS)的核心是最好的方法去追求这种类型的跨学科研究。一个设计良好的数据库管理系统,例如PostgreSQL / PostGIS,由一个长期的、大容量存储设备,可以处理实时、多用户数据检索与空间分析功能。后续基础设施(软件开发)可以提供来自多个数据源的数据集成,自动化数据处理、空间分析,以正确的格式和输出直接出口到范围广泛的应用程序中。常见的互操作性标准数据处理、数据交换和软件使用是可能的这种类型的方法(13,16]。最终,DBMS应该允许更复杂的问题需要解决在快速、可靠和可重复的方式来帮助管理决策基于科学研究。
时空数据存储库最近被用于处理实时数据检索和存储,但只有少数是程序集成不同类型的科学数据或错误检查等自动化数据处理(17]。不幸的是,系统收集多种类型的数据往往是有限的范围,可访问性或定制。目前,有一些动物跟踪数据创建了系统集成以及额外的信息来解决特定的研究问题。卫星跟踪和分析工具(STAT)是一个成功的database-powered系统为inte-grating开发海洋动物运动与环境信息(如遥感图像)和人为干扰等渔业分布(18]。有蹄类动物数据的分析和管理集成系统被设计用来处理GPS数据的28个狍子(Capreolus Capreolus)与自动活动范围分析(16]。最近,欧洲狍信息系统(EURODEER)是一个login-restricted,网络空间数据库存储狍运动数据集成环境和社会经济数据集(www.eurodeer.org)。同样,Movebank是一个全球性的在线数据库,其中包含一个研究人员上传任何动物跟踪数据存储和可视化对卫星遥感数据的访问时间和地点(可用19]。上述每个数据库试图创建一个平台,信息可以存档,方便多个人员回答不同的问题。
解决问题的当前环境条件如何影响动物运动和与周围环境的相互作用,我们提出一个原型数据集成系统称为WolfScout (图1)。WolfScout自动化集成最新的技术进步与气象站野生动物GPS项圈,干旱条件下,随着动物人口统计信息和恶劣天气报告。空间数据库管理系统的核心,WolfScout为用户提供计算能力之间的距离动物和分类景观数据或其他动物。用这个软件工具,可以采取一个新的跨学科研究方法监测野生动物与环境的交互。
图1:WolfScout野生动物和天气跟踪系统模式。动物,气候和地形数据集成到DBMS,除了空间分析工具,提供了客户端通过一个安全的网站。数据输出可以直接导入到多个应用软件进行进一步的可视化和分析。
WolfScout野生动物和天气数据集成系统是专门设计来促进跨学科研究相结合的最新信息和技术进步在每一个相关的科学领域。这个系统是第一个解决方案对互操作性数据处理、数据交换和软件使用人员之一。WolfScout流数据的自动收集、集成和处理大量的数据从“原始”数据源在科学学科,如野生动物生物学、气象学、和地理信息科学。通过一个安全的网站访问数据,研究人员可以直接从系统中导出所选数据统计,机械建模、或地理空间分析程序来解决问题的关注。通过标准化,加快数据查询、收集、格式化、错误检查,该方法缩短了天,小时当前实践标准分钟和秒。WolfScout可以自动化耗时的任务,如计算两个移动目标之间的相互作用或移动和静止目标,给用户附近的瞬时的结果可以解决问题关于动物与环境的相互作用。
WolfScout野生动物和天气数据集成系统包含基本功能所需的数据收集、错误检查和存储位置和天气数据和计算之间的交互移动和/或固定目标和用户界面(图2)。系统原型目前运行在Linux服务器上,但它是能够运行在多种平台上,包括Windows和MacOS x WolfScout只包括开源技术和空间数据库管理系统包含一个PostgreSQL和PostGIS基金会提供一个ACID(原子性、一致性、隔离、耐久性)兼容的地理空间数据存储解决方案与时空数据操纵功能。一个PHP web应用程序(PHP: Hypertext Preprocessor)桥梁之间的差距从数据库到web,而Django-powered Python代码流程GPS输入文件和天气信息。这种设计允许可靠、快速访问到数据库安全的数据访问和身份验证支持。所有WolfScout请求都通过一个web界面为多个用户提供远程访问数据库。通过标准化的过程,WolfScout其他公用事业和客户可以很容易地获取数据。目前,可下载的数据格式化的直接进口到常用的软件程序(如Excel, ArcGIS、R, Matlab)以便进一步建模可以通过使用经验数据从WolfScout系统。
图2:WolfScout高层图。WolfScout软件架构系统的图形表示用于集成高质量的数据从各种各样的学科。该软件为研究者提供了一个远程方法模型野生动物与环境的相互作用。
WolfScout的愿景是解决问题在给定的环境条件如何影响动物互动格局。时空上完成这项任务,数据库链接野生动物GPS项圈天气数据,干旱条件下,恶劣天气报告,和动物的人口统计信息。密码保护,基于web的图形用户界面提供了研究人员从在世界任何地方访问系统。
网站包含四个主要部分:仪表板,导出所有数据,导出研究,导出空间互动。指示板包含引用和说明来帮助用户浏览网站。导出所有数据部分允许研究人员访问数据库中的所有可用的数据字段,为研究者提供了一个地方来访问存储所有数据从他们的研究。出口研究部分包含一个数据库字段的子集最有可能被用于分析。例如,动物人口信息在本节只包含物种,性别、年龄类,研究位置,领号和普通的名字而导出所有数据部分可能含有动物疾病状态和身体测量。出口空间交互部分是一个专业的特性,计算距离的动物在数据库中存储分类景观数据或useruploaded环境系统研究所(ESRI shapefile)(这里,shapefile)。
网站设计的每一个功能允许用户选择下载什么数据,无论是在shapefile或逗号分隔值(CSV)格式。首先,用户指定的日期和时间数据检索,然后选择动物,通过名称、种类、性别、年龄类或位置。第二,各种过滤器(动物人口,衣领数据,站天气,恶劣天气,和其他天气)包含了时空上与数据库信息,可以选择下载。通过给用户数据下载和在什么格式的灵活性,不同的问题相关的环境条件对动物位置可以解决。
天气WolfScout野生动物和跟踪系统结合了数据从各种各样的来源,为用户提供一系列的环境条件对动物的影响位置可以评估在一起或分开。这些数据从不同的来源,需要不同的方法集成到数据收集和处理数据的基础。后处理的数据在WolfScout提供自动化的研究项目中使用的数据的标准化。信息出现在数据库的主要类是动物,天气,和景观。
在动物上的数据可以分为两个来源:手工和GPS项圈收集。目前,WolfScout从土狼(收集动物的数据犬属latrans)和白尾鹿(Odocoileus virginianus)配备Lotek WildCell GPS项圈(加拿大安大略省Lotek无线Inc .)、纽马克特)。研究人员提供一个电子表格包含所有的手动收集数据存储在数据库中每个动物,需要特定的人口统计信息(性别、年龄、种类)和开始/结束日期GPS成卷的动物。同时,数据可能包括研究具体的测量,样品,捕捉信息,和疾病状态。每个动物都是temporally-linked领数量。领数据发送从动物在离散数据包通过发射塔路径到远程计算机系统自动检索。的信息上传到WolfScout项圈包括GPS坐标,活动监视器和温度传感器读数。领数据也存储在领本身,可能是手动上传系统的传输失败在任何一步从动物领数据库。
动物位置数据在时空上与天气有关的数据。WolfScout从各种来源收集气象数据,每一个都需要不同的集成方法。有四种不同类型的气象数据:气象站,多传感器降水估计(MPE),干旱和灾害性天气报告。气象站收集数据从自动化表面观测系统(ASOS)和自动气象观测系统(AWOS)网络在北卡罗来纳州东南部气候检索和观测网络的数据库(20.应用程序编程接口(API)。一旦数据库从衣领,接收GPS点最近的气象站,位置是自动计算的。web API检索和整合了气象站信息到数据库中基于GPS点天,小时,分钟,可用,而另一个API收集迈普数据从国家气候办公室北卡罗莱纳(21]。在这种情况下,API接受纬度和经度坐标直接从衣领派生数据并返回radar-derived降雨量之间的位置估计气象站的分辨率4.7公里。干旱条件下收集从美国干旱监测档案》(2012)和上传到数据库通过网站的图形界面22]。每个GPS点匹配到相应的干旱条件下基于位置、日期和时间。恶劣天气报告是来自美国国家海洋和大气管理局的国家气候数据中心(NCDC)的风暴事件数据库(2012),目前手动下载从美国国家气象资料中心数据库和一些具体位置提取(23]。新创建的文件然后上传到WolfScout他们处理与动物的位置由县和在网站上可以查询按小时或一天的GPS点。
景观分类数据覆盖的研究位置加载系统。地图、手动上传至服务器的编译资源从土地管理者(即研究网站。,Fort Bragg Military Installation, North Carolina) and from the Multi-Resolution Land Characteristics Consortium (MRLC) [24]。大量的土地覆盖类网站上可用,包括水、森林,规定燃烧区,农业土地、植被、野生动物保护领域,贫瘠的地区,国家和发达的土地。GPS点添加到数据库,系统自动化,节省了距离计算从每只动物位置最接近的对象在每个分类景观类型,它允许快速检索的数据通过网站界面的用户指定的子集。WolfScout允许用户上传自己的shapefile并将计算和输出的距离每一个GPS点的子集shapefile动物选择最接近的对象。shapefile可以包含点(例如从其他动物)、直线、折线(例如横断面数据)、或多边形(如研究情节)在这个函数允许最大的灵活性。
所有的信息在数据库中标准化的质量保证测试。每个广域增强系统(WAAS)启用GPS点内部检查错误,例如不可能的日期,重复条目,和失踪的纬度/经度信息。基于研究标准,只有GPS点的精度因子10或更少出口研究的可用选项卡。所有天气数据源选择是由于自己的严格的质量保证标准。正式的精度评估了2006年MRLC分类景观数据库中的数据。景观分类研究提供的数据网站被政府授权,大多数都是每年更新。此外,数据库表的内部错误检查,确保数据正确输入到数据库中。WolfScout提供了一个标准化的数据集,以最高的质量标准可用于每个规程。
天气WolfScout野生动物和跟踪系统是一个模范实用程序,为研究人员提供了一个跨学科的方法来监测野生动物与环境的相互作用。标准化信息用于研究项目,从多个科学领域高质量的数据集成和格式化的直接分析。动物、天气、和景观数据可以提取不同组合通过web接口依赖于提出假设和期望模型
直接从下载数据统计模型可以开发。从动物研究选项卡中,研究员可以检查环境条件如何与动物的位置,其中可能包括天气变量(如温度、湿度和降水)和极端天气事件(如暴风雨,龙卷风,洪水、冰雹、干旱和野火)。从空间交互选项卡,数据可以用来研究动物如何使用自然资源在他们的研究领域,包括变量
(例如,水,森林覆盖和植被)或其他感兴趣的特性(例如,人造燃烧区或开发的土地)。能够覆盖天气数据与空间数据,更复杂的问题具体环境条件如何影响动物使用的景观可以解决。例如,WolfScout系统已成功用于集成多个数据库评估天气变量的影响在两个狼和鹿距离低地地区在布拉格堡军事储备17]。此外,空间交互选项卡可以用来调查天气变量可能与动物之间的距离(即。动物传动物的相互作用)。可下载的CSV文件的所有数据格式化为直接使用统计分析程序,如R, MatLab和SAS。
地理分析可以执行的任何子集可用GPS数据从任何选项卡,其中可能包括活动范围计算,缓冲区分析,或者简单的数据可视化。选项的shapefile输出,数据格式的直接进口到ESRI ArcGIS、可以说是最常用的地理信息系统(GIS)软件程序。
WolfScout是一个远程任何类型的动物相关数据的存储解决方案,包括捕捉信息和疾病状态。选择下载的任何存储的数据一起,额外的信息可以用于一般的研究统计数据捕获的动物和各种各样的其他数学模型。长期存储功能促进数据交换与合作研究人员通过启用安全访问所有研究信息从任何计算机连接到互联网。最终,存储数据可用来解决大量的问题超出了最初的研究目的。
WolfScout可以通过编程来提取数据从几乎任何效用,或提供任何服务器,所有从几乎任何客户机。因此,Wolfscout可以延长它的使用DBMS自动化交互计算改善任何实体,渴望知道移动目标(即。动物或人)位于相互关系或感兴趣的地标。感兴趣的地标可能包括野生动物保护区、野生动物中心和狩猎领域寻求做出明智的管理决策或法医诊断实验室试图识别地震震中的担忧。此外,政府规定环境评估与土地利用、开发和空域使用将大大受益WolfScout管理大型数据集的综合方法来确定不良对野生动物的影响。
潜在的局限性
潜在局限性WolfScout系统将围绕在未来可能发生的改变没有技术支持系统。目前,系统的api是专为数据收集通过特定的web服务器。如果web服务器访问这些改变在未来或者新的技术进步影响数据存储或格式化,当前WolfScout实现需要重新配置以适应新的需求。然而,WolfScout天气的基本依据和野生动物跟踪集成系统,使用DBMS的核心,将永远是一个强大的、灵活的平台,可以为任何类型的数据定制或更新应用程序通过适当的技术指导。
每天收集详细的信息的广度对生物和非生物要素的多样的生态系统。理解这些元素在任何给定的生态系统之间的关系是至关重要的野生动物研究来推进25]。我们有了一个工具,可以用来发展从简单的描述性模型动物行为的机械模型,结合生物学意义的关系。这种变化需要关注对跨学科研究提供一个基础设施这些复杂系统建模1,26]。
能力集成来自不同数据源的不同类型的数据以一种标准化方式是必不可少的有效地处理大量的信息来解决这些更高级的问题。大的技术进步在动物监控设备,大量的位置数据正在结合animal-attached传感器为研究人员提供压倒性的需要存储的数据量,处理和错误检查(13]。此外,关于环境的影响问题,包括气候变化和人为因素,在运动,资源选择和这些动物的疾病周期引入了额外的复杂性和需要处理的数据(1,2]。WolfScout提供一种优雅的方式来规范管理和集成的数据从cuttingedge技术在不同领域的研究,为用户提供独特的能够快速计算重要对象之间的交互参数和容易出口经验数据进行分析。
天气WolfScout野生动物和跟踪系统促进数据源之间的互操作性,软件程序,研究项目,人们和组织,这有利于我们的应对能力和模型复杂的问题影响野生动物与环境的相互作用。最终目标是促进管理决策影响公共政策基于严谨的研究发现与跨多个学科。这部小说的发展数据管理系统自动化收集、整合、加工环境来自不同数据源的数据相对于时空野生动物与环境的相互作用是一个跨学科的科学的未来方向的坚实的一步。
由于m·拉什利和m . Elfelt为利用GPS项圈数据和布拉格堡军事基地景观分类数据的使用。
