[論文レビュー] An empirical study of large, naturally occurring starling flocks: a benchmark in collective animal behaviour

Michele Ballerini, N. Cabibbo+9 more|ArXiv.org|Feb 12, 2008

Animal Behavior and Reproduction参考文献 60被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、最大2,700羽のハトを高精度で追跡した、自然なハトの群れに関する世界初の大規模3次元実証的分析を提示する。群れは非一様な密度（縁が濃い）を示しながらも、薄く一貫性のある構造を維持しており、協調的な運動を示し、個体間の最小距離が翼開閉と同等であることが判明した。これは集団行動モデルの基準となる重要な指標を確立した。

ABSTRACT

Bird flocking is a striking example of collective animal behaviour. A vivid illustration of this phenomenon is provided by the aerial display of vast flocks of starlings gathering at dusk over the roost and swirling with extraordinary spatial coherence. Both the evolutionary justification and the mechanistic laws of flocking are poorly understood, arguably because of a lack of data on large flocks. Here, we report a quantitative study of aerial display. We measured the individual three-dimensional positions in compact flocks of up to 2700 birds. We investigated the main features of the flock as a whole - shape, movement, density and structure - and discuss these as emergent attributes of the grouping phenomenon. We find that flocks are relatively thin, with variable sizes, but constant proportions. They tend to slide parallel to the ground and, during turns, their orientation changes with respect to the direction of motion. Individual birds keep a minimum distance from each other that is comparable to their wingspan. The density within the aggregations is non-homogeneous, as birds are packed more tightly at the border compared to the centre of the flock. These results constitute the first set of large-scale data on three-dimensional animal aggregations. Current models and theories of collective animal behaviour can now be tested against these results.

研究の動機と目的

• 自然に発生する大規模なハトの群れの3次元的空間的・動的構造を定量すること。
• 大規模な動物集団における集団的運動の出現的性質を特定すること。
• 集団的動物行動理論的モデルの検証に役立てる実証データを提供すること。
• 飛行中の鳥類における大規模かつ高解像度のデータが不足しているという問題を解決すること。
• 今後の集団行動および自己組織化分野の研究の基準データセットを確立すること。

提案手法

• 高スルーレートカメラと自動画像解析を用いた、個々のハトの3次元的位置追跡。
• 夕暮れ時の空中での行動において、最大2,700羽の密集群れからのデータ収集。
• 形状、厚さ、密度分布、運動ダイナミクスを含む群れの形態の分析。
• 個体間距離と運動方向に対する整列度の測定。
• 統計力学および空間相関技術を用いた構造的整合性の評価。
• 既存の自己組織的運動理論的モデルの予測と、観察された群れの性質を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然に発生する大規模なハトの群れの3次元的構造的性質は何か？
• RQ2 密度はどのように群れ内に分布しているのか。中心部と縁部で異なるか？
• RQ3 協調的旋回の際、個体の整列度と全体の運動方向との関係は何か？
• RQ4 結束した群れにおいて、個体間距離は体サイズに対してどのようにスケーリングするか？
• RQ5 観察された群れのダイナミクスは、集団行動理論的モデルとどの程度一致するか？

主な発見

• ハトの群れは比較的薄く、サイズは変動するが一定の割合を保ち、大規模なグループでも構造的整合性を維持している。
• 群れは地面に平行に滑るように移動し、協調的な旋回を示しており、運動方向に対して方向が変化している。
• 個体は互いに最小距離を保っているが、これは翼開閉と同等であり、能動的な間隔制御を示している。
• 密度は一様ではなく、中心部よりも縁部でより密集している。
• 観察された空間的および動的パターンは、グループ内相互作用の出現的性質であり、事前の計画的行動ではない。
• 本データセットは、集団的動物行動モデルの検証に向けた、最初の大規模実証的基準となるものである。