Evaluation of Solar-Powered GPS Ear Tags and Long-Range Data Transmission for Use in Wildlife Research: Case Study of Collared Peccary (Pecari tajacu)

技术摘要：太阳能 GPS 耳标与 LoRaWAN 在野生动物研究中的评估

问题陈述
全球定位系统（GPS）技术是野生动物监测的基石，但数据集经常受到数据丢失（缺失定位）和水平误差的影响。这些偏差通常是由植被冠层遮蔽卫星信号引起的，可能导致关于空间利用和资源选择的生态推断出现偏差。虽然传统的 GPS 项圈将数据存储在本地（需要物理回收）或使用昂贵的卫星传输（如 Iridium），但新兴的物联网（IoT）技术提供了一种低成本的替代方案。具体而言，长距离宽带无线局域网（LoRaWAN）结合太阳能 GPS 追踪技术，为无需高额传输费用的近实时数据检索提供了一个潜在的解决方案。然而，这些集成系统在野生动物环境中的有效性——特别是对于利用茂密植被的物种——仍未得到充分评估。目前迫切需要确定太阳能驱动、支持 LoRaWAN 的耳标在动物寻找掩护（这会限制太阳能充电和信号传输）的环境中，能否保持足够的电池寿命和定位成功率。

研究方法
本研究评估了配备 LoRaWAN 数据传输功能的 mOOvement 太阳能 GPS 耳标（重量为 30–37 克），通过两个不同的阶段进行评估：静态测试和动物佩戴部署。

• 研究地点： 测试在德克萨斯州南部两个地点进行：La Copita 展示区及研究牧场（1,103 公顷）以及 Chaparral 野生动物管理区（CWMA；6,151 公顷）。这两个地点都拥有茂密的刺灌木丛地带，但在植被结构和密度上有所不同。
• 静态测试： 研究人员在两个地点部署了 410 个耳标（La Copita 225 个，CWMA 185 个），沿线性样带分布，延伸至 LoRaWAN 天线最远 7.4 公里处。耳标安装在距离天线 100 米（La Copita）或 200 米（CWMA）间隔的桩上。在每个点位，五个耳标分别朝向不同方向（北、南、东、西、上）以测试定向效应。研究记录了木本覆盖度（%）（使用 30 米分辨率的 Rangeland Analysis Platform）并计算了与天线的欧几里得距离。耳标程序设定为每小时记录一次 GPS 定位，持续 48 小时。
• 动物佩戴部署： 研究人员捕捉了 10 只佩戴项圈的白唇西 peccary（Pecari tajacu），对其进行化学麻醉并佩戴耳标。其中 9 个耳标成功传输了数据。研究人员记录了动物的生命体征和形态测量数据，并在动物恢复后将其释放。
• 数据分析： 使用广义线性混合模型（GLMMs）分析定位成功率（尝试定位中成功接收的比例）和水平误差（记录位置与真实位置之间的欧几里得距离）。协变量包括木本覆盖度、与天线的距离及其交互作用。电池电压趋势通过分析来评估不同植被条件下的太阳能充电效率。

关键结果

• 定位成功率： 静态测试期间的整体定位成功率处于中等水平：La Copita 为 58.2%，CWMA 为 51.2%。在 La Copita，随着木本覆盖度和与天线距离的增加，定位成功率显著下降，尤其是当这两个因素共同作用时。相反，在 CWMA，木本覆盖度和距离均未对定位成功率产生显著影响。
• 水平误差： 在两个地点，木本覆盖度和距离对水平误差均无显著影响。La Copita 的平均水平误差为 21.7 米，CWMA 为 26.9 米。
• 电池性能： 电池电压对木本覆盖度高度敏感。在 La Copita，处于较密覆盖层下的耳标经历了快速的电压下降，据预测，在持续密集覆盖下，约 100 天内电压将跌破传输阈值（3.91 V）。在 CWMA，处于低至中度覆盖层下的耳标维持或略微增加了电压。
• 动物佩戴部署： 在 10 只 peccary 中，有一个耳标立即失效。其余 9 个耳标在电池电压降至运行阈值以下之前，平均传输了 5.6 天（范围：3–7 天）。在此期间，平均定位成功率为 41.0%。快速失效归因于该物种的行为特征：佩戴项圈的 peccary 频繁占据茂密的木本覆盖区（正午时平均覆盖度为 85.4%），这阻碍了高峰时段的太阳能充电。

核心贡献
本研究是对一种已知利用茂密覆盖层的野生动物进行太阳能驱动、LoRaWAN 支持的 GPS 耳标进行的首次严谨评估之一。研究强调，这些设备的性能不仅取决于硬件本身，还深度依赖于局部环境条件（植被结构、天线距离）与物种特定生态学特征（栖息地选择和活动模式）之间的相互作用。研究表明，虽然 LoRaWAN 提供了一种具有成本效益的传输方式，但对太阳能充电的依赖性造成了一个脆弱点，即对于在白天寻求遮荫的物种，会导致电池迅速耗尽并缩短数据采集窗口。

意义与主张
作者得出结论，太阳能驱动、支持 LoRaWAN 的 GPS 耳标可以作为一种相对低成本的野生动物遥测选择，但其应用受到环境和行为因素的制约。论文主张，这些耳标最适合于经常占据开阔生境的中大型体型物种。对于像白唇西 peccary 这样频繁寻找遮荫的物种，该技术对太阳能的依赖导致了电池寿命和数据回收能力的显著局限。

作者强调，研究人员在进行大规模部署前，必须仔细评估栖息地条件、物种行为以及空间分辨率要求。他们建议，进行试点测试至关重要，以确定观察到的定位成功率（51–58%）和位置误差（~22–27 米）是否符合特定的研究目标，并特别指出其水平误差大于传统的 GPS 项圈。最终，论文认为，将追踪技术与目标物种的生态特征相匹配至关重要，并且目前的局限性在于，在茂密冠层下的太阳能充电效率可能会限制这些设备在某些野生动物应用场景中的效用。