Statistical methods for population ecology with applications in the Mediterranean

Abstract

A structural element of Ecology is knowledge of living organisms’ population sizes. Calculating the population size is of great scientific interest, which becomes even more intriguing when in addition to the inability of censusing in practice, additional characteristics of the living organism under study lead to its indirect observation. Among the most widespread techniques for population measures estimation (abundance and/or density) are distance sampling. Conventional distance sampling (CDS), a mixture of design and model-based technique, is the most simple and widespread. Its generalization, Multiple Covariate Distance Sampling (MCDS), allows interpretation of the observed variability through various factors. Alternatively, hierarchical distance sampling (HDS) could be used to deal with similar problems. These models are fully model-based and able to interpret even more of the observed variability. Unpublished data from an ecology research of Mount Parnes’ (located in east/northeast Mediterranean) red deer population (WWF Hellas) were used to apply distance sampling techniques, both (M-)CDS and HDS, thoroughly, in order population measures of interest to be estimated for the biomarker recorded. Moreover, under specific assumptions, these two different approaches, (M-)CDS and HDS correspond, leading to identical results, which is proven analytically. In order ecological studies of indirect records, such as the ecological research of Mount Parnes’ red deer, to be completed and inference about the living organism to be made, a method to relate indirect records to living organism of interest is needed. There are a few techniques that address this problem, which are applied here. In addition to these, a new comprehensive method is proposed here; indispensable for estimating population measures of the living organism under consideration from the corresponding indirect records. The direct relationship of the proposed method to the prevailing one, as well as to others proposed, is demonstrated, along with its superior characteristics.

Δομικό στοιχείο της Οικολογίας αποτελεί η γνώση του πληθυσμιακού μεγέθους των ζώντων οργανισμών. Ο υπολογισμός αυτός εμφανίζει μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον που γίνεται ακόμα πιο έντονο όταν εκτός από τις πρακτικές δυσκολίες απογραφής, επιπλέον ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του υπό μελέτη πληθυσμού οδηγούν σε έμμεση παρατήρηση του.Μεταξύ των πλέον διαδεδομένων τεχνικών εκτίμησης πληθυσμιακών μεγεθών (πλήθος ή/και πυκνότητα) είναι οι distance sampling τεχνικές. Η conventional distance sampling (CDS), ένα μείγμα design και model-based τεχνικής, αποτελεί την πλέον απλή και διαδεδομένη. Η γενίκευση αυτής, Multiple Covariate Distance Sampling (MCDS), δίνει τη δυνατότητα για ερμηνεία της παρατηρούμενης μεταβλητότητας μέσω διαφόρων παραγόντων. Εναλλακτικά, οι ιεραρχικές τεχνικές distance sampling (HDS) δύναται να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση παρόμοιων προβλημάτων. Τα μοντέλα αυτά είναι πλήρως model-based και έχουν μεγαλύτερες δυνατότητες ερμηνείας της παρατηρούμενης μεταβλητότητας. Αδημοσίευτα δεδομένα από έρευνα οικολογίας για τον πληθυσμό του κόκκινου ελαφιού της Πάρνηθας (ανατολική/βόρειο-ανατολική Μεσόγειο, WWF Ελλάς) χρησιμοποιήθηκαν για την εκτεταμένη εφαρμογή των distance sampling τεχνικών, (M-)CDS και HDS, με στόχο την εκτίμηση των πληθυσμιακών μεγεθών του καταγεγραμμένου βιοδηλωτικού χαρακτηριστικού. Επιπλέον σε αυτά, αποδεικνύεται ότι οι δύο διαφορετικές προσεγγίσεις, (M-)CDS και HDS, κάτω από συγκεκριμένες υποθέσεις ταυτίζονται, οδηγώντας σε κοινά αποτελέσματα. Για την ολοκλήρωση των ερευνών οικολογίας με έμμεσες καταγραφές και την εξαγωγή συμπερασμάτων για τον ζώντα οργανισμό, απαιτείται η εφαρμογή μίας μεθοδολογίας συσχέτισης των έμμεσων καταγραφών και του οργανισμού ενδιαφέροντος. Υπάρχει μία σειρά από προτεινόμενες μεθόδους, οι οποίες και εφαρμόζονται εδώ. Επιπρόσθετα σε αυτές, μία νέα, ολοκληρωμένη μεθοδολογία προτείνεται, απαραίτητη για την εκτίμηση των πληθυσμιακών μεγεθών του ζώντος οργανισμού από τα αντίστοιχα των έμμεσων καταγραφών. Αποδεικνύεται η άμεση σχέση της προτεινόμενης μεθόδου με την μέχρι τώρα επικρατούσα, αλλά και με άλλες υπάρχουσες, ενώ αναδεικνύονται τα ανώτερα χαρακτηριστικά αυτής.