Monitoring sika deer population dynamics under culling on Nakanoshima island, Japan, using thermal infrared UAV survey

기술 요약: 열화상 UAV 조사를 통한 꽃사슴 개체군 역학 모니터링

문제 제기
효과적인 야생동물 관리는 목표 설정, 도살 프로그램 평가 및 생태적 피해 예측을 위한 신뢰할 수 있는 동물 개체수 평가에 의존한다. 보행 신호 조사(pedestrian sign counts), 직접 계수(direct counts), 카메라 트랩 등 기존의 지상 기반 모니터링 방법이 널리 사용되고 있으나, 이는 노동 집약적이고 시간이 많이 소요되며, 원격지나 험준한 지형에서 실시하기 어렵고, 탐지 확률이 낮고 관찰자 편향이 발생하기 쉽다는 단점이 있다. 열적외선(TIR) 카메라를 장착한 무인 항공기(UAV)는 특히 대형 육상 포유류 모니터링에 있어 효과적인 도구로 부상했으나, 대부분의 기존 연구는 단기적인 수준에 머물러 있다. 도살과 같은 능동적인 개체군 관리 개입이 이루어지는 상황에서, 드론 기반의 TIR 조사가 장기간(수년)에 걸쳐 갖는 효용성을 평가한 연구는 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 일본 홋카이도 토야 호수에 위치한 폐쇄된 꽃사슴(Cervus nippon) 개체군이 서식하는 나카노시마 섬(약 5 km²)에서 수행되었다. 해당 지역은 도살을 통한 장기 퇴치 프로그램이 진행 중이다. 연구진은 6년간(2019~2024년, 장비 결함으로 인한 2021년 제외) UAV 조사를 실시하였다.

• 조사 프로토콜: 가시성을 극대화하기 위해 겨울 또는 봄(낙엽기)에 조사를 수행하였다. 비행은 높은 열적 대비를 확보하기 위해 이른 아침(일출 후 1시간 이내) 또는 밤(일몰 후 2시간 이후)에 이루어졌다.
• 장비: 두 종류의 UAV 모델이 활용되었다. 20192022년에는 Zenmuse XT ZXTB19FP TIR 카메라를 탑재한 Inspire 1 V2.0을 사용하였고, 20232024년에는 통합 TIR 센서가 장착된 Mavic 2 Enterprise Advanced를 사용하였다. 비행 고도는 지표면으로부터 70~120m로 유지되었다.
• 운영 전략: 섬의 지형(3개의 봉우리와 능선)과 제한된 배터리 용량을 고려하여 조사 구역을 4개의 비행 구역으로 나누었다. 조사를 위해 1명의 조종사, 1명의 보조원, 4명의 감시원(sentry)을 포함한 총 6명의 팀이 필요했다. 감시원들은 조사 전 상록 침엽수림(열 탐지가 어려운 곳)에서 사슴을 몰아내고, 사슴이 다시 들어오지 못하도록 하는 역할을 수행했다.
• 데이터 수집: 조종사가 UAV를 수동으로 제어하며 열 신호를 식별하였다. 사슴이 확인되면 드론을 정지 비행(hover)시켜 지오레퍼런스(georeferenced) 사진을 촬영하였다. 비행 후에는 계수(count)를 검증하기 위해 비디오 녹화본을 검토하였다.
• 비교 분석: UAV 기반 사슴 계수치는 수확 기반 추정(Harvest-Based Estimation, HBE) 모델과 비교되었다. HBE는 다음을 통합한 상태 공간 모델(state-space model)을 활용하였다:
  • 도살 수(관측 데이터).
  • 드라이브 카운트(사슴을 호숫가로 몰아내는 지상 기반 계수).
  • 카메라 트랩 데이터(개체수 지수).
    모델은 회계연도 시작 시 개체군이 증가하고 도살 후에 감소한다고 가정하여, 도살 전($N_{Bt}$)과 도살 후($N_{At}$)의 개체군 크기에 대한 잠재 변수를 추정하였다.

주요 결과

• 개체군 추세 탐지: UAV 기반 추정치는 지속적인 도살 노력과 일치하는 꽃사슴 개체군의 감소 추세를 성공적으로 탐지하였다. HBE 모델은 2019년부터 2024년까지 개체군 크기가 64.8% 감소한 것으로 추정하였다.
• 상관관계: UAV 기반 추정치와 HBE 추정치 사이에는 양의 상관관계($R = 0.67$)가 나타났다.
• 효율성: UAV 조사는 전통적인 지상 기반 드라이브 카운트에 비해 현저히 적은 노력을 필요로 했다. 연평균 UAV 조사 투입 시간은 51.3 인시(person-hours)였던 반면, 드라이브 카운트 조사는 245 인시(35명이 7시간 동안 수행)가 소요되었다. 즉, UAV 조사는 드라이브 카운트 노력의 20%만을 필요로 했다.
• 탐지 능력: 높은 온도 신호를 통해 사슴뿐만 아니라 발자국과 은신처(bedding sites)까지 식별할 수 있었다. 까마귀를 비롯한 조류 또한 열 신호를 나타냈으나, 형태적 모양과 상대적인 머리 온도를 바탕으로 사슴과 구별할 수 있었다.
• 한계점: 2020년과 2022년에는 UAV 계수치가 HBE 모델의 신뢰 구간보다 낮게 나타났다. 저자들은 이를 이틀간의 조사 기간 동안 사슴이 비행 구역 간에 이동함에 따라 발생하는 과소 추정 가능성 때문으로 분석하였다.

의의 및 주장
본 논문은 TIR 카메라를 장착한 UAV 조사가 전통적인 지상 기반 조사와 비교하여 장기적인 야생동물 모니터링을 위한 매우 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 방법을 제공한다고 주장한다. 본 연구는 이 기술이 능동적인 관리(도살) 하에 있는 다년간의 개체군 역학을 효과적으로 추적할 수 있음을 입증한다.

저자들은 다음과 같은 구체적인 장점을 강조한다:

1. 노동력 감소 및 안전: UAV 조사는 인력의 물리적 위험(예: 눈 덮인 지형에서의 미끄러짐)을 최소화하며 더 적은 인원을 필요로 한다.
2. 낮은 교란: 70~120m 고도에서의 비행은 사슴에 미치는 영향을 최소화하였으며, 동물이 도망가는 사례가 거의 관찰되지 않아 관찰된 위치가 전형적인 활동 범위를 나타냄을 보장하였다.
3. 퇴치 작업의 확장성: 퇴치 프로그램이 진행됨에 따라 사슴 밀도가 낮아지면, 넓은 지역에서 개체를 탐지하는 능력이 매우 중요하다. UAV는 카메라 트랩(지점 특정 방식)이나 드라이브 카운트보다 더 넓은 영역에서 남은 개체를 더 효율적으로 찾아내는 방법을 제공하여 포획 효율을 높일 수 있다.
4. 적용 가능성: 이 방법은 시각적 탐지가 어려운 삼림 지대나 험준한 지형에서 대형 유형류(ungulates)를 모니터링하는 데 있어 전 세계적으로 유사한 환경에 적용 가능하다고 제시된다.

본 연구는 단기 조사의 경우 동물의 이동으로 인해 과소 추정이 발생할 수 있으나, 조사를 단 하루 만에 완료함으로써 정확도를 더욱 높일 수 있다고 결론지었다. 저자들은 개체군이 퇴치 단계로 접어들며 감소함에 따라 이러한 계수 방법의 정확도가 향고될 것으로 예상하며, UAV가 개체군 조절의 최종 단계에서 필수적인 도구가 될 것이라고 제언한다.