Drone application for wildlife conservation in the Cerrado hotspot

Abstract

La tecnologia de drons, emergent al segle XXI, ha esdevingut una de les principals eines tecnològiques en el camp de la biologia de la conservació. Els estudis d’identificació, seguiment, anàlisi poblacional i comportament de la vida silvestre amb l’ús de drons estan creixent exponencialment en els darrers anys a causa de la seva capacitat per obtenir dades d’alta resolució espacial i temporal, fent servir un menor esforç logístic en comparació amb les metodologies convencionals. Tot i això, els estudis i projectes de conservació que utilitzen drons encara són escassos en algunes regions geogràfiques com és el bioma “Cerrado”, un “hotspot” i un dels ecosistemes de sabana més amenaçats del món. L’objectiu d’aquesta tesi ha consistit a ampliar les possibilitats en l’ús de drons dins del bioma “Cerrado”, analitzant tant el potencial d’aquesta tecnologia com les seves limitacions en l’estudi de la vida silvestre. L’ús de drons en biologia de la conservació, tot i que segueix estant en constant creixement a causa dels diversos avantatges metodològics i de disponibilitat de dades que suposa, encara es limita a grups de recerca amb certa capacitat financera. Per això, el primer capítol d’aquesta tesi aborda la principal limitació en l’ús de drons en matèria de conservació, que és el cost d’adquisició dels equips, proporcionant una solució econòmica per a la seva construcció (fes-ho tu mateix, “Do It Yourself”, DIY) i que és accessible a l’usuari no especialitzat atès que no requereix coneixements avançats d’electrònica. El segon i tercer capítol tracten sobre l’impacte dels drons en dos grups de fauna, aus i mamífers, analitzant-ne els factors específics (estímul visual i auditiu) que el causen i les seves conseqüències (efectes en la reproducció, canvis comportamentals). Concretament, el segon capítol demostra que l’estímul visual provocat pels drons sobre espècies d’avifauna pot afectar negativament el seu procés de reproducció en les àrees de nidificació. El tercer capítol aborda l’estudi de l’impacte de l’estímul acústic dels drons, demostrant en experiments realitzats “ex situ” que el nivell de pressió i la freqüència dels sons generats per aquests aparells provoquen diferents canvis de comportament en espècies de megafauna terrestre. Finalment, al quart capítol, es presenta un dron equipat amb dispositius comercials de seguiment de baix cost per localitzar blancs que es poden fer servir per marcar la fauna terrestre. Els capítols d’aquesta tesi, a més d’abordar el potencial de l’ús de drons al “Cerrado”, aportant coneixement tant per a la construcció de drons específics i de baix cost per a estudis en grans àrees com per a la viabilitat d’usar-los com a plataforma multirotor en estudis de rastreig de vida silvestre, també tenen en consideració les seves limitacions ja que mostren les possibles pertorbacions que poden generar els estímuls visuals i sonors en diferents espècies d’aus i mamífers. Aquestes informacions són fonamentals per ampliar l’ús de drons i millorar els futurs estudis de la vida silvestre al bioma del “Cerrado”, a més d’ajudar en el desenvolupament de protocols per a l’ús d’aquesta tecnologia tant per a la comunitat científica com per a la societat civil, especialment en àrees protegides.

La tecnología de drones, emergente en el siglo XXI, se ha convertido en una de las principales herramientas tecnológicas en el campo de la biología de la conservación. Los estudios de identificación, seguimiento, análisis poblacional y comportamiento de la vida silvestre con el uso de drones están creciendo exponencialmente en los últimos años debido a su capacidad para obtener datos de alta resolución espacial y temporal, empleando un menor esfuerzo logístico en comparación con las metodologías convencionales. Sin embargo, los estudios y proyectos de conservación que utilizan drones aún son escasos en algunas regiones geográficas como es el bioma Cerrado, un “hotspot” y uno de los ecosistemas de sabana más amenazados del mundo. El objetivo de esta tesis consiste en ampliar las posibilidades de uso de drones dentro del bioma Cerrado analizando el potencial y las limitaciones de esta tecnología para el estudio de la vida silvestre. El uso de drones en biología de la conservación, aunque está en constante crecimiento debido a varias ventajas metodológicas y de disponibilidad de datos, todavía se limita a grupos de investigación con cierta capacidad financiera. Debido a esto, el primer capítulo de esta tesis aborda la principal limitación en el uso de drones en materia de conservación, el coste de adquisición de los equipos, proporcionando una solución económica para su construcción (“hazlo tú mismo”, Do It Yourself, DIY) accesible al usuario no especializado, ya que no requiere conocimientos avanzados de electrónica. El segundo y tercer capítulo tratan sobre el impacto que los drones tienen sobre dos grupos de fauna, aves y mamíferos, analizando los factores específicos (estímulo visual y auditivo) que lo causan y las consecuencias de dicho impacto (efectos en la reproducción, cambios comportamentales). Concretamente, el segundo capítulo demuestra que el estímulo visual provocado por los drones sobre especies de avifauna puede afectar negativamente a su proceso de reproducción en las áreas de anidación. El tercer capítulo aborda el estudio del impacto del estímulo acústico de los drones, demostrando en experimentos realizados “ex situ” que el nivel de presión y la frecuencia de los sonidos generados por estos aparatos provocan diferentes cambios de comportamiento en especies de megafauna terrestre. Finalmente, en el cuarto capítulo, se presenta un dron equipado con dispositivos comerciales de seguimiento de bajo coste para localizar blancos que pueden usarse para marcar fauna terrestre. Los capítulos de esta tesis, además de abordar el potencial del uso de drones en el Cerrado, aportando el conocimiento para la construcción de drones específicos y de bajo coste para estudios en grandes áreas, así como la viabilidad de usar drones de plataforma multirotor para estudios de rastreo de vida silvestre, también abordan las limitaciones de los mismos al mostrar las posibles perturbaciones que los estímulos visuales y sonoros pueden generar en diferentes especies de aves y mamíferos. Estas informaciones son fundamentales para ampliar el uso de drones y mejorar los estudios futuros de la vida silvestre en el bioma del Cerrado, además de ayudar en el desarrollo de protocolos para el uso de esta tecnología tanto por la comunidad científica como por la sociedad civil, especialmente en áreas protegidas.

The emerging drone technology has become one of the leading technological tools in the field of conservation biology in the 21st century. Studies of identification, monitoring, population analysis and behavior of wildlife with the use of drones are growing exponentially in recent years due to their ability to obtain high spatial and temporal resolution data while requiring less logistical effort as compared to conventional methodologies. However, studies and conservation projects using drones are still scarce in some geographic regions such as the Cerrado biome, a hotspot and one of the most threatened savanna ecosystems in the world. The objective of the thesis is to expand the possibilities of using drones within the Cerrado biome by analyzing the potential and limitations of this technology for the study of wildlife. The use of drones in conservation biology, although constantly growing due to various methodological and data availability advantages, is still limited to research groups with some financial capacity. For this reason, the first chapter of this thesis addresses the main limitation of the use of drones in conservation, the cost of acquiring the equipment; it provides an economic solution “DIY “ (Do It Yourself) accessible to the non-specialized user, as it does not require advanced knowledge in electronics. The second and third chapters analyze the impact that drones have on two groups of fauna, birds and mammals respectively, by analyzing the specific factors (visual and auditory stimulus) that cause perturbations and analyzing the consequences of these (effects on reproduction, behavioral changes). Specifically, the second chapter shows that the visual stimulus caused by drones on bird species can negatively affect their reproduction process in nesting areas located in waterfalls. The third chapter deals with the study of the impact of the acoustic stimulus of drones, demonstrating in ex situ experiments that the pressure level and the frequency of the sounds generated by the drones cause different behavioral changes in terrestrial megafauna species. Finally, in the fourth chapter, I introduce a drone equipped with a system consisting of low-cost commercial tracking devices in order to locate targets that can be used to mark terrestrial fauna. The chapters of this thesis also address the potential of the use of drones in the Cerrado, providing knowledge for the development of specific and low-cost drones for studies in large areas as well as demonstrating the feasibility of using multirotor platform drones for studies of wildlife tracking. The chapters also address the limitations of their use by uncovering the potential disturbances generated to different species of birds and mammals, which are caused by either visual or sound stimuli from drones. This information is essential to expand the use of drones and improve future studies of wildlife in the Cerrado biome, in addition to helping in the development of protocols for the use of this technology by both the scientific community and the civil society, especially in protected areas.