1. 引言
珍稀野生动物监测是森林生物多样性保护的重要内容之一。在一定的时间、空间内，应用设定的方法，对自然保护区内的保护动物种群及其环境进行调查，以获取有关野生动物的可比较资料，有助于更好的进行生物多样性保护 [1] 。野生动物在自然保护区范围内栖息、活动的空间范围有一定的规律，而且常常是随着时间而变化的，因此了解野生动物动态变化的过程，掌握野生动物种群的动态，针对其变化确定保护或利用的策略具有重大意义。野生动物活动范围能够反映其对环境变化的适应，了解其活动范围可以为保护生物学、动物生态学、生态系统等科学研究领域提供理论研究的基础数据 [2] 。因此，对野生动物活动范围的定位跟踪及生活习性分析研究非常重要。
野生动物监测方法多种多样，根据不同的监测目的，针对不同的监测目标类群和物种，科学家研究出了很多的方法进行监测工作。其中包括监测候鸟迁徙规律的环志鸟类的方法，在动物身体上安装无线电发射仪，通过接收装置监测各种动物的空间活动规律，针对陆生野生动物最常用、成本最低的监测方法是采用样线调查法。这些方法大都不涉及定位技术，无法即使或随时获得动物的位置信息。虽然有些鸟类监测研究采用了卫星定位技术，能够实现鸟类迁徙的定位追踪，但由于均采用了国外的定位跟踪技术，所有的跟踪数据都首先回传到国外的数据中心，需要数据时还需要再耗费资金购买跟踪数据，更重要的是，这些数据可以为国外首先使用分析，造成生物数据安全隐患 [3] 。虽然可以采用GPS/北斗定位技术，但在茂密的森林中，卫星信号往往难以获得，难以保证连续成功定位。另外，卫星定位往往功耗大，对于野生动物的定位跟踪而言，很不实用。
文章使用的金丝猴位置数据采用星–地结合监测方法由金丝猴佩戴的定位感应项圈获取，环境因子数据是由分别部署在东北角(110.3884326, 31.4695507)和西南角(110.3885865, 31.46893502)的两个环境监测站通过无线网传输到管理站获取，坡度数据从NASA提供的30 m分辨率的DEM使用IDL提取。利用中国林业科学研究院资源信息研究所高性能环境上搭建的CartoDB环境分别对哺乳期(id = 0)和非哺乳期(id = 1)的金丝猴一个月轨迹分析，同时结合监测站获取的环境因子，包括温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳等数据和坡度信息综合分析哺乳期与非哺乳期金丝猴生活习性。CartoDB工具可以快速便捷的对金丝猴生活习性分析，并且用户无需安装GIS软件使用浏览器即可在有网络的环境下随时随地可视化现有数据，非GIS人员同样能够快速可视化与分析空间数据，操作简便，可视化效果好，同时针对开发人员，友好的用户界面在浏览器直接提供SQL数据库操作接口和Cartocss界面可视化接口，为开发人员提供更快速的操作入口，并且用户可以将分析结果公开分享，与不同区域的金丝猴管理人员分享保护经验。CartoDB的优势同样适用于其它动物的保护及林业碳储量等工作，具有一定的推广价值。
2. 材料与方法
2.1. 星地结合监测方法
采用星–地结合定位技术应用于野生动物监测，可以实现低功耗高精度的定位跟踪，从而随时掌握动物所在的位置，记录其活动的路径，了解野生动物活动范围，对进一步研究其行为具有重要意义。以金丝猴为研究对象，研发金丝猴定位跟踪设备，包括定位感应项圈、定位基站等，形成一套完整的低功耗定位跟踪设备 [4] 。其中星地结合定位算法是实现林区精准定位导航的核心功能，首先要实现卫星定位系统与地面定位系统的时间同步，在两个定位系统达到时间同步的基础上，然后将卫星定位数据与地面定位数据进行数据格式的统一和数据转换；最后将数据格式统一后的两个定位数据进行融合，分析得出待测点的地理坐标，实验中金丝猴位置数据采用2015年7月1日至2015年7月31日的数据；位置数据的技术路线如图1所示。
Figure 1. Diagram of satellite-ground localization algorithm
图1. 星地结合定位算法技术路线图
卫星定位数据与地面定位数据融合算法的研究，是星-地组合定位方法中在林业定位应用中所必须要研究的内容。融合算法的优劣在一定程度上影响着星-地组合定位方法的定位精度，初步研究结果表明，星地结合定位算法的关键内容是地面定位算法的实现。地面定位算法基于三边测距原理，根据无线信号传播模型，可以得到定位点与三个定位基站之间的距离模型：
其中，
表示各地面定位基站发射的信号强度，
为定位终端接收到来自基站的信号强度，
为林区环境下的修正因子，受林分密度、胸径、林下植被结构等因子的影响，其在不同林区环境下的取值会有所不同。
林下地面定位技术的实现是以无线传感器网络节点作为地面定位桩，定位终端如项圈在多个定位桩覆盖的范围内移动，通过定位终端与定位桩之间的通讯信号的强弱来判断定位终端的位置，从而实现地面定位。其中地面定位系统需要3个以上无线发射基站组成，并且基站的地理位置通过卫星定位系统获得，在地面定位基站选址时，需要考虑基站布设位置可接收卫星个数、信号强度以及卫星定位精度等以保证信号覆盖范围。完成基站部署可以不断向外界发送具有相同信号强度的定位信号，地面定位终端用于接收来自各地面定位基站的发射信号及相关参数，利用接收的信号强度、传播时间等参数在地面定位终端或者定位服务器端进行位置信息计算。在无线-卫星组合定位方法中，首先通过卫星定位技术获得地面定位基站的定位坐标，并将该坐标作为地面定位坐标的计算基准，根据定位终端接收的参数，通过信号在林区环境下的传播时间或者各基站信号到达的传播时间差，采用基于TOA的定位方法和基于TDOA的定位方法，应用相应的计算公式和定位模型，计算出该点的地面定位坐标数据，最后将基站的卫星定位数据与地面定位数据融合，便可得到待定位点最终的定位坐标数据。基本原理如图2所示。
2.2. 环境监测数据
环境监测站布设在金丝猴经常活动区域范围的道路两侧，分别在道路东北角(110.3884326, 31.4695507)和西南角(110.3885865, 31.46893502)。监测站监测数据包括温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳浓度及人为影响。实验中同样采用2015年7月1日至2015年7月31日日均数据。
2.3. CartoDB应用
CartoDB基于ruby开发，使用postgre数据库管理系统，redis提供一个高性能的key-value数据库作
Figure 2. Diagram of satellite-ground localization system
图2. 星地结合定位系统示意图
为缓存服务器。它是一个开源的允许在web上存储和虚拟化地理数据的工具，提供“一键式制图功能”，即分析任何用户上传的数据、自动制作地图以显示相关信息，可以提供上传和创建编辑虚拟显示的导出数据的用户接口，创建在PostgreSQL和PostGIS上的数据库，提供SQL接口，通过HTTP返回给用户GeoJSON或KML等格式的数据库。与Google Maps、Nokia Here等地图服务不同，其侧重点不在于基础地图，而是地图之上的数据和应用层，其云平台可部署定位智能与可视化数据引擎，可以帮助用户方便地将定位数据转化为洞察力。
CartoDB提供了“简单模式”、“团簇模式”、“等值模式”可视化地图，简单易用，展示效果好，平台基于B/S模式，用户不需要安装客户端即可完成地图可视化工作，被称为“云上的地理数据库”。可以根据用户上传的数据自动检测出地理数据，然后分析文件中其他的信息并提供一系列地图格式以供用户选择、修改、方便使用。目前CartoDB在国外的应用领域包括金融业、商业智能分析、全球森林监察、自然资源、动物轨迹监测、政府机构、新闻学与新媒体、房地产、web开发等，在国内尚无应用案例，针对CartoDB的开源优势，论文基于中国林业科学研究院资源信息研究所高性能计算环境成功搭建CartoDB运行环境，用户通过登录将实验中采用的位置和生境及坡度数据上传至云服务器同时添加到CartoDB数据集中，平台根据数据集中的位置及属性自动创建地图并可查看金丝猴位置分布图 [5] 。
2.3.1. 金丝猴活动轨迹分布图
项圈获取的金丝猴位置数据，利用唯一ID值标识哺乳期金丝猴(ID = 0)和非哺乳期金丝猴(ID = 1)，包括雄性金丝猴。将2015年7月1日至2015年7月31日一个月位置监测数据按照CartoDB运行所需格式整理上传至服务器创建地图，使用Map layer wizard中的heatmap制作金丝猴活动轨迹热力图，为了研究哺乳期金丝猴与非哺乳期金丝猴活动区域的差异，利用CartoDB提供的SQL功能，在Custom SQL query区域输入where ID = 0即可得到哺乳期金丝猴经常活动范围，如图4。实验中可以明显得到哺乳期金丝猴活动区域与非哺乳期金丝猴的不同。如图3和图4。
Figure 3. Activity thermal diagram of golden monkey in lactation and non-lactation period
图3. 哺乳期和非哺乳期金丝猴活动热力图
Figure 4. Activity thermal diagram of golden monkey in lactation period
图4. 哺乳期金丝猴活动热力图
2.3.2. 金丝猴活动区域坡度分布图
登录CartoDB平台，上传带有坡度的金丝猴位置数据，利用Map layer wizard提供的Category功能制作金丝猴活动区域坡度图，该坡度的表示与GIS软件制作不同，将坡度值使用不同色彩的符号表示，色彩的不同代表坡度的缓急，同时用户可以自定义色彩。图5为金丝猴活动区域坡度分布图，图例的值越大代表该点的坡度越大，从图中可以看出，金丝猴在坡度较缓的区域活动较多，也会在道路上及边缘频繁活动，这可能与觅食有关。
3. 结果与分析
3.1. 金丝猴活动区域分析
为了综合分析金丝猴活动区域，利用金丝猴位置数据制作活动区域分布表，如图6。
通过CartoDB平台对金丝猴位置数据快速可视化，得到哺乳期金丝猴活动范围热力图，综合图6分析：相比非哺乳期金丝猴，哺乳期金丝猴活动整体范围纬度差较小，很少越过道路活动，说明受人为影响较大。综合区域坡度分析，说明哺乳期金丝猴更愿意在坡度值为17.98的附近区域活动，大部分时间在平缓低纬度区域活动，非哺乳期金丝猴在该区域也较为活跃，但在坡度值为19.93至22.14范围内活动频繁，说明活动范围广，在高纬度、较陡区域均会频繁活动。
3.2. 金丝猴活动区域与生境监测综合分析
制作环境监测站东北和西南监测点监测因子温度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳、人为影响月均值图，如表1。
从表1中得出东北监测点的温度、土壤温度相比西南监测点偏低，同时土壤湿度与土壤温度监测值
Figure 5. Slope analysis diagram of golden monkey activity area
图5. 金丝猴活动区域坡度分析图
Figure 6. Distribution table of golden monkey activity area
图6. 金丝猴活动区域分布表
Table 1. Monitoring station of monitoring attribute mean
表1. 监测站监测属性均值
成反比与实际吻合。结合金丝猴活动范围综合分析，哺乳期金丝猴更喜欢土壤温度较低湿度较高的区域活动，受人为影响大。在东北监测点，聚集金丝猴较多，可能会对该区域二氧化碳含量产生一定影响，同时在该区域监测的二氧化碳值比西南监测点高。东北和西南监测点都受同一道路影响，人为影响都较大。
4. 结论
实验得出，同一区域金丝猴哺乳期金丝猴更喜欢生活在较低纬度及坡度较低区域，受人为影响较大，基本不会越过道路活动，而非哺乳期金丝猴则较为活跃，经常越过道路活动且去高纬度区域活动。同时，哺乳期金丝猴更喜欢生活在温度较低，土壤温度较低而土壤湿度较高的区域，且非哺乳期在该区域也经常在该区域活动，说明，低温区域会聚集较多金丝猴，可能对区域二氧化碳有一定贡献，这与环境监测站点监测二氧化碳浓度较高相吻合，该结论还需进一步探讨。
通过分析得到哺乳期金丝猴活动范围与其余金丝猴活动范围的差异，为管理人员提供可靠的金丝猴保护依据。实验也证明了CartoDB平台能够快速制图并分析已有数据，针对开发人员提供便捷的SQL数据库和Cartocss界面可视化接口，并且用户可以将分析结果公开分享，与不同区域的金丝猴管理人员分享保护经验，CartoDB的优势同样适用于其它动物的保护及林业碳储量等工作，具有一定的推广价值。
基金项目
面向天山西部森林生态监测的e-Science平台建设(CAFBB2014ZD004)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“金丝猴定位跟踪及鸣声采集装置研发与验证”(IFRIT201504)。