用「聲物」識生物 以自動錄音聆聽自然谷之聲 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

用「聲物」識生物 以自動錄音聆聽自然谷之聲

建立於 2017/05/19
作者:林子皓(中央研究院資訊科技創新研究中心,獨立博士後研究學者)

從去年七月開始,自然谷多了一台自動錄音機,24小時不停地收集自然谷中的各種聲音。

自動錄音機是生態學家近年來經常使用的調查工具,透過人工或自動辨識動物聲音——包含昆蟲發聲、鳥類鳴唱、哺乳類的叫聲——來監測錄音地點周遭各種發聲動物的活動與行為模式。除了動物聲音之外,也可以從環境音(如風聲、雨聲)了解氣候、雨量的變化,還可以透過偵測人為噪音來進一步調查開發行為或人類活動對當地生態環境產生的潛在影響。

由於自動錄音機可以長時間佈放在各種環境,又能針對環境音、動物音與人為噪音所組成的聲景來進行長時間連續性的觀測,因此已然成為生態遙測的重要平台之一。


去年七月份開始裝置在自然谷的自動錄音機,這台錄音機具有防水防塵的功能,在每半小時自動錄製5分鐘的錄音,幫助我們有效率的調查長期聲景變化。

過了將近一整年,我們在自然谷已累積了數千筆錄音資料,建立了龐大的聲音資料庫。每位民眾都可以透過自己的電腦或手機,連線到亞洲聲景平台,點選新竹縣芎林鄉鹿寮坑測站 (編號:TW_SAT_HCLLNV01)來親自聆聽自然谷之聲。

在亞洲聲景平台中,每一筆聲音資料都可以直接線上聆聽,也可以透過頻譜圖來觀察聲音隨著時間與音頻的能量變化。然而,這麼大量的聲音資料幾乎不可能全部透過人工聆聽來找出各種發聲的動物,事實上,目前也沒有足夠的技術人員與參考資料能夠讓我們辨識每一種聲音的來源。在這種情況下,即使有一大堆資料,又要如何才能透過聲音了解自然谷的生態環境變化呢?

亞洲聲景平台上目前現有之錄音測站一覽,除了台灣(現有11個測站,仍在持續增加中)之外,尚有越南、泰國、馬來西亞等國和林業試驗所共同建立的國際聲景監測站。圖片擷取自網站。

利用機器學習「聽」錄音

為了要解決人工分析大量聲音資料的困難,我們應用了許多訊號處理與機器學習的技術。

首先,透過頻譜分析視覺化呈現聲音資料的內容(例如每一張在亞洲聲景平台上的頻譜圖),並觀察聲景隨時間與音頻的長期變化。取得每一筆聲音的主要音頻特徵之後,就可以讓電腦幫我們「聽」所有的錄音。

由於我們沒有任何的參考資料可以讓電腦學習辨識不同的聲源,如自然谷每位夥伴的聲音,電腦也不可能聰明到自己產生這些標籤,然而,透過機器學習,電腦還是可以在聽完全部的錄音之後,區分出幾個具有不同音頻特徵的聲音場景類別,並從每一個聲音場景類別中進一步區分出不同的間歇性聲音事件。

自然谷聲景從2016年七月至2017年二月每天24小時的長期變化。不同顏色代表利用機器學習辨認出的六大類自然谷聲音場景,從顏色的組成變化可以發現聲音多樣性在十一月之前明顯較高,但在11月過後則較為單純。

隨著時間變化的聲景

透過機器學習的協助,我們用不同的顏色與深淺標記各種聲音場景與事件,並把長時間的聲景變化視覺化呈現在日期與24小時兩個不同的軸上。如果你花點時間聆聽每一種聲音場景中的數筆錄音資料,會很容易發現不同的聲音場景顏色可以對應到獨特類型的背景聲音。例如在夏季,白天可以聽到吵雜的蟬聲,但在晚上則是聽到許多螽斯與蟋蟀的聲音。

從長時間變化來看,聲音場景似乎隨著日夜、季節而變,這是因為白天、晨昏與夜晚都有不同的動物活動。隨著雨量和氣溫的季節改變,發聲動物群聚也逐漸改變。在炎熱的夏季中,許多野生動物與昆蟲頻繁活動與發聲,因此,在聲景視覺化中可以觀察到較為複雜的顏色組成。當時節進入秋冬季,動物活動的頻度漸漸減少,聲景也逐漸被環境聲音所主導,甚至還可以從滴滴答答的雨聲感受自然谷的降雨變化。

除了長時間的聲景變化之外,每一種聲音場景中還藏有許多不同的細節。例如在清晨的錄音資料中,經常可以聽到自然谷那幾隻公雞的起床號,而且公雞的起床號看起來也隨著夏季進入冬季而隨之延後。如果在晚上的錄音資料中仔細尋找的話,也有很高的機會可以聽到貓頭鷹神秘的叫聲,或是其他鳥類與哺乳動物的聲音。


在2016年8月4日晚上8點於自然谷所收錄到的黃嘴角鴞叫聲頻譜圖,聲音主要能量分布在1.3-1.7千赫茲之間,在這段錄音中的前一分鐘皆可聽到黃嘴角鴞「呼~呼~」的聲音。 聽取此段錄音


在2016年8月13日凌晨5點30分於自然谷所收錄到的竹雞叫聲頻譜圖,聲音主要能量分布在1千赫茲以上,在這段錄音中的145-165秒之間可聽到竹雞的「雞狗乖」聲音。 聽取此段錄音

聲音細節中暗藏著生物多樣性

野生動物的各種聲音,其實也是我們了解生物多樣性重要訊息來源。從生物多樣性的角度來看,其實不難觀察到當有許多動物活動時,聲音多樣性和複雜度都會提高;相反地,當只有稀少的動物活動時,聲音的多樣性也隨之下降。因此聲音場景與事件變化的「聲物多樣性」,也可以作為重要的生物多樣性指標。

因此,我們在自然谷所收集的大量聲音資料,不只可以讓我們藉由聆聽感受自然谷的生態變化,透過「聲物多樣性」的分析,也可以有效量化自然谷生物多樣性的長時間變化趨勢。我們也可以透過自然谷與沒有受到環境信託與棲地保護的其他淺山森林之間的聲景樣貌,來比較不同地區的生態環境差異。從人類噪音的強度與頻度,也可能幫助我們了解野生動物棲息地和鄰近的工業開發、交通與遊憩狀況之間的關係,並進一步評估生態保育經營的成效。

目前林業試驗所、中央研究院資訊科技創新研究中心、網格計算中心與聲景協會王豫煌博士共同合作,將台灣各地的聲景資料開放在雲端上,讓每位朋友都能從我們所建置的亞洲聲景平台來探索台灣各地的「聲物多樣性」,並以此親自感受到台灣豐富的生物多樣性。因此,我們非常期待將聲音監測的技術分享給更多有興趣的朋友與團體,在亞洲聲景平台上串連各地的錄音地點,讓更多人能夠聽到台灣各地在地的聲音。

此外,為了更進一步擴大開放資料的影響力,我們也希望能夠結合公民科學的力量,標記出各種動物聲音讓電腦學習,未來便能夠像搜尋關鍵字一樣去尋找每位民眾有興趣的動物在長期錄音資料中出現機率的變化,並作為政府、研究人員與每位公民了解台灣生態環境的開放聲景資料。


跨領域整合生態、聲學、資訊與通訊工程,應用開放聲景監測資料協助生態調查與保育經營管理之構想。