秃鹰在三维空间中飞行，SEG将使用它来计算home range移动。图片来源:圣地亚哥动物园野生动物联盟。

高性能计算，生态学专家合作，简化野生动物运动的研究

NSF资助圣地亚哥超级计算机中心、圣地亚哥动物园野生动物联盟和亚利桑那州立大学创建新的空间生态网关

一首老西部赞歌和一部迪斯尼电影的名字“牧场上的家”粗略地描述了空间生态学家的工作。这些野外专家研究动物在特定地理区域(它们的“活动范围”)内的活动。从历史上看，这种类型的研究仅限于拥有正确工具的一小部分专家。现在，一组来自圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)，圣地亚哥动物园野生动物联盟(SDZWA)及亚利桑那州立大学(ASU)，使其他动物可以通过“空间生态门户”(SEG)加入这个群体。

由美国国家科学基金会(NSF先进网络基础设施办公室，SEG被设想为一种创新的计算资源，使研究人员、学生、野生动物管理人员和其他人能够上传生物遥测数据——典型的全球定位系统(GPS)读数——并构建家庭范围，使他们能够解释动物对空间的使用。它将允许探索生态学中的重要问题，包括管理对栖息地的影响，如缩小家园范围，同时让用户专注于科学，而不是掌握有助于他们工作的技术。

“GPS的很多用途是跟踪数据，但大多数生态学家不是计算研究人员。他们更擅长野外工作，比如给熊戴上项圈，在雨林地面上寻找蜘蛛，”SDSC科学计算应用主任、该项目的首席研究员罗伯特·辛科维茨(Robert Sinkovits)说。“SEG将成为一种让他们能够使用算法的工具。”

空间生态学家通常使用二维(2D)数据，这足以跟踪许多行走的动物。但对于像秃鹰和其他在垂直维度飞行的鸟类来说就不是这样了。

秃鹰活动范围的图像地图。粉红色表示内部的家庭范围;白色表示外家范围的音量。图片来源:圣地亚哥动物园野生动物联盟

Sinkovits和Mona Wong (SDSC)， James Sheppard (SDZWA)和Jesse Lewis (ASU)想要找到一种方法来解决三维(3D)计算的费用，他们提出了SEG，这类似于通过网络使生物信息学工具(例如，基本局部对齐搜索工具或BLAST)广泛提供给任何有问题或见解的人来回答基因组学中的问题。

合作者求助于美国地质调查局(USGS)的3D算法开发人员Jeff Tracey。然后，他们向SDSC的一名学生寻求帮助，该学生根据刘易斯的技术进行了3d代码工作。因此，SEG用户将可以选择生成2D或3D范围(如适用)。用户还将获得较少计算密集型的工具来执行探索性分析。

“许多动物的动作都有一个主要的3D方面，比如深潜的鲸鱼和翱翔的鸟类。几十年来，野生动物生物学家一直在部署微型生物遥测设备来跟踪野生动物的3D运动，但直到最近，由于数学方法的限制和生成动物栖息地的真实3D模型所需的高计算需求，他们才能够调查这些生态‘大数据’的完整3D性质。”Sheppard解释道。“我们的倡议将消除这些障碍，使生物学家能够使用强大的3D家庭范围估计器，再加上圣地亚哥超级计算机中心的非凡计算能力，来处理他们的动物跟踪数据集。”

辛科维茨说，SEG的目标用户群是学术生态学家和野生动物管理者，但其他对解决生态挑战感兴趣的人也可以从中受益。例如，SEG的应用可以扩展到课堂项目、野生动物生态学问题的基础研究、环境影响研究和缓解不利结果，如栖息地破碎化或新开发导致的人与野生动物互动增加。

休息的秃鹰，展开双翅。图片来源:圣地亚哥动物园野生动物联盟。

刘易斯说:“空间生态门户将为更广泛的受众提供评估动物空间利用的计算密集型方法，这可以帮助我们更好地管理和保护美国和全球的各种野生动物物种。”

自20世纪40年代栖息地的概念提出以来，生态学家已经从非常简单的定量方法发展到更复杂的定量方法，来研究动物如何在它们的环境中移动。尽管SEG最终将部署多种工具来构建活动范围，但其最初的重点将放在布朗桥运动模型(BBMM)上，该模型使用在相对较短的时间间隔内获得的离散位置数据来估计动物的运动路径。BBMM有助于彻底改变对动物种群空间利用的理解。

辛科维茨说:“这是一个令人兴奋的项目。“如果我明天退休，这是我空闲时间仍然想做的事情。它很有趣，有影响力，并具有现实应用。它为我们提供了一种工具，可以更智能地围绕栖息地的影响进行开发，比如隔断走廊和海龟隧道。”

该奖项由国家科学基金会高级网络基础设施办公室颁发，由国家科学基金会生物科学理事会内的生物基础设施部门和国家科学基金会计算机与信息科学与工程理事会内的信息与智能系统部门共同支持。