Quan trắc âm thanh động vật giúp thiết lập bản đồ hệ sinh thái

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Puerto Rico (UPR) đã áp dụng công nghệ quan trắc âm thanh để ghi lại tiếng gọi và các âm thanh khác từ động vật, sau đó lưu trữ tại các trạm quan trắc âm thanh tự động. Chiến dịch mang tên Kickstarter này được thực hiện thông qua sự kết nối giữa các trạm nghiên cứu, các khu bảo tồn, khu nghỉ dưỡng sinh thái, công viên thành phố và các trung tâm du lịch khám phá thiên nhiên khác trên toàn cầu bằng thiết bị quan trắc âm thanh. Nhóm nghiên cứu hy vọng có thể cải thiện được mức độ bao phủ cả về không gian và thời gian của hoạt động thu thập dữ liệu sinh thái trên toàn cầu.

Theo trưởng nhóm nghiên cứu Aide, quan trắc âm thanh có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng theo dõi biến động về số lượng cá thể hàng ngàn loài động vật, tuy nhiên, cộng đồng bảo tồn còn chưa kịp thời áp dụng công nghệ này vào các dự án giám sát và nghiên cứu.

Trong vòng hơn 10 năm qua, nhóm nghiên cứu đã phát triển Mạng lưới Giám sát Đa dạng sinh học Tự động Từ xa (ARBIMON) và thể nghiệm vai trò thu thập dữ liệu âm thanh của những trạm giám sát di động có chi phí vừa phải này. Lấy ý tưởng từ các thiết bị đo nhiệt độ và lượng mưa thường được lắp đặt ở hầu hết các công viên và các trạm quan trắc, ARBIMON cũng có thể tự động giám sát và ghi lại âm thanh của một nhóm động vật. Tương tự như camera ghi lại sự hiện diện của động vật dựa trên dấu hiệu trực quan khi chúng đi ngang qua, thiết bị quan trắc âm thanh có thể ghi lại sự hiện diện của động vật thông qua âm thanh chúng tạo ra.

Xác định âm thanh của từng loài phát ra tại các điểm khác nhau trong một khu bảo tồn hoặc khu thắng cảnh sẽ giúp các nhà khoa học phát hiện sự hiện diện của các loài đang bị đe dọa hoặc chưa từng được biết đến, đồng thời bổ sung kiến ​​thức về phân bố loài, mật độ tương đối và cấu trúc của quần thể sinh vật. Chẳng hạn, so sánh sự đa dạng về âm thanh tại 10 khu rừng nhiệt đới khác nhau cho thấy các khu rừng có nhiều loài động vật có vú, lưỡng cư và chim hơn có tỷ lệ hoạt động âm thanh cao hơn so với các khu rừng có ít loài hơn. Giám sát và xác định các âm thanh trong dài hạn sẽ có thể giúp phát hiện những thay đổi lớn về mật độ hay thành phần loài tại một địa điểm nhất định.

Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng âm thanh thu được để đánh giá những thay đổi trong cộng đồng sinh vật trước các mức độ tác động khác nhau của con người. Kết quả cho thấy, nhóm loài chim và ếch gần những mỏ vàng quy mô nhỏ trái phép phía Đông Nam Peru có nhiều thay đổi hơn so với các quần thể động vật tại các mỏ bỏ hoang và các khu rừng liền kề.

Thông thường, các nhà khoa học sử dụng máy quan trắc âm thanh tự động để phát hiện sự hiện diện của các loài đang bị đe dọa như cá voi, chim và dơi ăn đêm và một số loài động vật khó đánh giá bằng các phương pháp truyền thống. Trong một nghiên cứu gần đây, nhà khoa học Marconi Campos-Cerqueira và Aide đã sử dụng cảm biến âm thanh và các mô hình tự động phát hiện tín hiệu âm thanh của từng loài cụ thể để lập bản đồ phân bố của loài chim elfin woods warbler –loài đặc hữu của miền rừng núi Puerto Rico. Loài chim này được phát hiện cư trú trong rừng Palo Colorado ở độ cao 600-900 mét so với mực nước biển, giúp việc lựa chọn địa điểm bảo tồn trở nên dễ dàng.

Các trạm âm thanh cố định tự động ghi lại âm thanh ở bất kỳ thời điểm nào và lưu trữ trên nền tảng web, cho phép người dùng quản lý, xử lý và phân tích các bộ dữ liệu. Mỗi trạm quan trắc âm thanh từ xa bao gồm một điện thoại Android để ghi và truyền tin đặt trong hộp chống thấm, một micro và một tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ đối với trạm thu âm cố định. Một trạm quan trắc cố định bao gồm 50.000 phút ghi âm trên thiết bị ARBIMON II và một tấm pin năng lượng mặt trời trị giá 2000USD. Thiết bị ghi âm di động có giá khoảng 300USD.

Nhóm dự án cho biết mọi việc sẽ thuận lợi trong điều kiện mưa và nóng, mặc dù các micro rẻ tiền cần phải được thay thế 6-12 tháng một lần để duy trì các bản ghi âm chất lượng cao. Các trạm nghiên cứu trong rừng cũng cần phải có giá đỡ trên mái để đảm bảo pin mặt trời có thể hấp thụ năng lượng. Để đảm bảo bóng cây hoặc mây không làm pin mặt trời ngưng hoạt động, dự án đã phát triển ứng dụng cảnh báo cho đội nghiên cứu khi có trạm bị hỏng hóc.

Tại các khu vực có phủ sóng điện thoại, mỗi trạm quan trắc âm thanh có thể sử dụng mạng để truyền các bản ghi âm trong thời gian thực từ hiện trường về nền tảng phân tích trực tuyến của dự án. Các trạm cơ sở tại những nơi xa xôi không có sóng điện thoại thì có thể lưu trữ các bản ghi âm trong thẻ nhớ và tải lên hệ thống theo tuần hoặc theo tháng.

Nhóm dự án có thể điều chỉnh thời gian và tần suất các bản ghi âm sao cho phù hợp với mục tiêu nghiên cứu. Thời gian ghi âm của mỗi trạm âm thanh được cài đặt với tần suất cứ 1 phút trên mỗi 10 phút, sau đó gửi dữ liệu đến một trạm cơ sở, rồi đến máy chủ. Máy chủ tiếp đó sẽ xử lý và đăng các bản thu âm lên nền tảng trực tuyến, nơi người dùng có thể xem, nghe và chú thích các bản ghi âm, đồng thời chia sẻ với các đồng nghiệp. Các bản ghi âm này là cố định và có thể tái truy cập một bản khi âm chưa được xác định khi có thêm các dữ liệu tham khảo mới, hỗ trợ giám sát loài trong dài hạn.

Đặc biệt, công cụ này còn có thể giúp thiết lập, thử nghiệm và hợp thức hóa các mô hình nhận dạng một loài cụ thể. Dữ liệu thu được từ quá trình này có thể được sử dụng trong các mô hình nhằm phát hiện hầu hết các loài trong tự nhiên, từ đó nâng cao hiểu biết của loài người về sự phân bố không gian của động vật.

Các thiết bị ghi âm có thể liên tục ghi lại một lượng dữ liệu khổng lồ, đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải phát triển các thuật toán và mô hình tự động nhận dạng âm thanh, tương tự như đã được thực hiện với nhiều loài lưỡng cư, dơi, chim, động vật biển có vú (cá voi, cá heo) và côn trùng. Một hạn chế khác là âm thanh cần phải được phát ra trong phạm vi phát hiện của máy ghi âm. Ngoài ra, cần phải có các bản ghi âm tham chiếu của các loài liên quan và sự trợ giúp của chuyên gia mới có thể nhận biết được các âm thanh mới.

Mặc dù còn một vài hạn chế, các công cụ dựa trên web giúp đơn giản hóa quá trình chọn lọc kết quả hữu ích từ dữ liệu thô (các bản ghi âm) để cung cấp cho các nhà nghiên cứu và quản lý, định hướng cho các hoạt động bảo tồn.