足迹也可以用来鉴别熊猫个体以及它们的性别！这是我们（昆山杜克大学）最近和杜克大学、美国SAS公司JMP软件，以及中国大熊猫研究中心合作研究中的发现。论文发表在了《生物保护》（Biological Conservation）杂志上。
今天，和大家分享我们的研究和它背后的故事。通过熊猫的在地上的爪印，如何可以做到个体和性别识别呢？这个研究背后的故事是什么呢？
动物的足迹类似于人的指纹，不仅可以用于分辨动物的物种，也隐含着个体特异的信息。通过对足迹照片的分析， 可以确定动物个体的身份。
最早听说这个事情还是在美国杜克大学读博士的时候。那个时候，我的合作者Sky Abigail以及Zoe Jewell （JMP软件研究人员，杜克大学兼职教授，WildTrack共同创始人）来给了个讲座，内容就是介绍他们利用足迹来为不同物种做个体鉴别的工作。当时我便起了兴致，为什么不为熊猫也开发一个算法？
摄影：李彬彬
大熊猫是我国特有濒危动物，被国际保护联盟红色名录列为易危物种。但是在野外如何鉴别大熊猫个体，却一直没有理想的方法。不像虎、豹、雪豹等带有条纹或是斑点的动物，很难通过熊猫的毛色特征来判别熊猫个体。长期做行为研究的研究人员和饲养员可以通过外表识别个体。
我第一个研究项目，是确定温度对于圈养熊猫的行为影响。八只奥运熊猫从卧龙大熊猫研究中心的熊猫送到了北京，这些活泼的亚成体滚滚就是我的观察对象。行为记录是要识别个体的，卧龙的饲养员为了训练我，便先从照片看起，然后远观，最后把我放到圈里，让我一边跑着躲着不让熊猫抱住，一边回头去认熊猫。久而久之，确实发现，熊猫的脸和人一样，是各不相同的。然而在野外却很难看到熊猫的真身。现在的野外调查会架设大量红外触发相机来捕捉路过动物的身影，但是2D成像，角度没法控制，很难捕捉到这些特征。
根据2015年第四次全国大熊猫调查公布的结果，我们有1864只大熊猫生活在野外。除了整体的种群数量，不同的研究人员也需要知道自己的研究地区有多少熊猫，他们又该如何得知呢？
研究大熊猫数量和个体鉴别，主要靠两种方法。
第一种，传统的个体识别方法称做咬节法——全国大熊猫第三次和第四次调查中使用的就是这种方法。
熊猫99%的食物都是竹子，但是熊猫咀嚼不细、消化率低，粪便中残留大量长度和形状都保存较完好的竹茎，这些竹茎片段被称为咬节。通过测量咬节并计算平均长度，加上巢域大小的信息，可以鉴别个体并进行个体估算。但是这个方法存在准确率低的问题。当大熊猫到了繁殖季节，会聚集到一起，争斗抢媳妇。这个时候熊猫密度大，咬节的区分就很难。再比如，熊猫吃竹子的部位会改变，当主要食物是叶子的时候，这个方法也不好用。另外，如果距离临近的大熊猫在年龄大小上类似，咬节大小也不会差别很大。
于是在近些年来，出现了第二种方法：DNA识别法。第四次大熊猫调查中也应用了这种新方法。
新鲜的大熊猫粪便外会包裹一层由肠道分泌的黏膜，主要目的是保护大熊猫肠道。但这层粘膜里也包含了大熊猫的遗传信息。利用DNA微卫星法准确率高。但这个方法存在很大的局限性，需要非常新鲜的粪便才能有效提取DNA，并且花费大、需要专门的实验室和研究人员进行分析。
我们希望突破现有熊猫数量调查的局限性，提供一种准确率高、成本低、非入侵性的调查方法。尤其是重新重视之前被我们忽视的痕迹，利用统计方法上的突破解读这些脚印背后的信息。
野外大熊猫栖息地。摄影：李彬彬
足迹长期被用于追踪野生动物。这些留在地面上的痕迹，成为了重要的信息来源。哪个物种，是在疾跑还是在漫步，是孤独的单身汉还是妻妾儿女成群的大家庭，都在这些足迹（脚印）里。
记得第一次野外研究，惊讶于当地野外的向导可以从脚印里判断一个斑羚如何在不久前从山上慌乱跑下，绕过大树和岩石，一路夺命狂奔。在非洲，当地居民可以通过足迹辨认出熟悉的个体。这种对足迹的观察和思考，其实也是智力的一部分，叫做自然观察智力（Naturalist Intelligence），是和数学逻辑智力、语言智力、身体动觉智力等并列的一部分。
然而，很多地方，我们正在丧失这些智力与技能。老一辈有经验的人慢慢离开工作的岗位，年轻的护林员渐渐无法通过足迹来识别物种，更不用说离自然越来越远的城市人。虽然我们有各种新型的技术来调查动物，但是实地的工作和对环境-物种间的关系却无法用这些来代替。
哈佛大学心理学家霍华德·加德纳（Howard Gardner）提出的“多元智能理论”，总结了相对独立互不影响的八大智能：其中包括语言，逻辑，空间感，身体动觉，音乐，人际交往，自我认识，自然观察。图片来源： adioma | 制图：Howard Gardner
因此除了促进熊猫保护，也希望通过我们的技术，能把找寻足迹变成一件创新、有科技含量、有意思、可以吹牛的事情，留住我们对环境的观察力。
每一个物种都有独特的足部结构，每一个物种都需要针对这些不同开发的足迹识别技术。而熊猫相较于其他物种更复杂的足迹成为理想的足迹识别技术开发对象。 大熊猫特化出了“伪拇指”——第6个“指头”。这第6个“指头”使大熊猫成为哺乳动物里为数不多的有对握功能的物种，更方便操作竹子。因此我们针对大熊猫的左前掌进行了算法开发。
大熊猫的左前足，左后足和其足迹。前足的足迹可以看到很明显伪拇指的印迹。摄影：李彬彬
大熊猫野外栖息地非常壮观，但同时工作起来却也很艰难。 山地坡陡而且落叶层和苔藓层厚。因此针对大熊猫，我们放弃了一部分准确率，特意设计一些方法来减少这些因素的影响。利用大熊猫保护研究中心充足的圈养个体以及对它们个体、性别、年龄、家谱的准确信息，我们对它们的足迹进行收集来构建和训练我们的模型。利用稳健的交互验证判别分析和聚类分析法，一一比较足迹链（几个足迹构成），比较个体内和个体间差异，确定两条足迹链是否属于同一个体，从而确定身份。个体识别准确率可以达到91%。
卧龙基地罢工的熊猫，圈养熊猫足迹收集也不容易。摄影：李彬彬
对于性别，这个无法通过外表或是咬节法区分的特征，足迹识别法同样可以达到91%的准确率。滚滚傍地走，安能辨我是雌雄？通过它们的爪印，这个不再是不可知的谜题了。
这个算法会随着使用的增加，自我增强和学习，而非一成不变。不论对于个体还是性别，当已知的信息确定加入到数据库后，再来一个新的个体，算法可以根据扩增的数据库，找出更适宜的变量，来预测新个体。
这个方法需要收集6个以上的足迹来保证预测准确性。尽管我们也用少于6个足迹的个体来探测我们模型的算法，准确率也达到了89%，但是在野外，我们还是希望可以尽量多的收集足迹，来确保准确性。野外只需要一把直角尺和一个能照相的手机，就可以进行数据采集。我们同时推荐一套野外使用的规范流程，包括将山脊或是河谷兽径作为采集足迹地点重点，利用雪地或是泥地进行采集，提高野外足迹收集效率，并降低野外工作难度。
野外雪上足迹收集。摄影：李彬彬
熊猫足迹识别技术的交互界面已经做为一个插件添加进了SAS公司的JMP软件。照片导入后，只需要人工确定几个点的位置，软件就会自动进行变量提取和分析。为了支持保护工作，这个系统将免费提供給实地保护工作人员。同时SAS正与我们科研团队开发利用深度学习进行图像处理，自动挑选有价值的图像，减少人工工作量。这个方法存在局限性，希望通过野外的应用和合作，我们可以融合更多新技术和想法，使之更为高效便捷。
整合了熊猫足迹识别功能的JMP软件
我们希望通过开发一个低费高效的调查方法，利用起以前传统山野观察能得到的信息，让野外工作人员可以摆脱对国家每十年一次的熊猫调查，或者外部科研团队的依赖，能够及时、独立地追踪评估自己保护区域内种群变化的能力——利用自己熟悉山野的特点，评估管理成效，或是回答自己的疑问，到底我的山里，有多少只熊猫，多少只公猫多少只母猫，它们的数量变化是什么样子。毕竟，他们是奋斗在保护第一线的战士，除了经验和常识，他们也需要科学的答案。
摄影：李彬彬
同时，希望对足迹的观察与收集，也可以增加公众参与和公民科学。毕竟，野外见个大熊猫，实在很难。以后到开放的大熊猫栖息地的游客，可以就三两个人，在林子里漫步，静悄悄地去寻找地上熊猫的痕迹，几张足迹照片，就可以帮助确定这是不是一只未知的滚滚，了解一段他或是她的故事。（编辑：明天）
文章来源：
- Binbin V. Li, Sky Alibhai, Zoe Jewell, Desheng Li, Hemin Zhang. 2017. Using footprints to identify and sex giant pandas. Biological Conservation 218 (2018) 83–90.