文｜李迪強(qiáng) 劉芳 賈茹 張國(guó)鋼 唐小明

1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所

2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

一、引言

中國(guó)是生物多樣性特別豐富的國(guó)家。植物物種37699種，高等脊椎動(dòng)物8042種，特有屬種多，起源古老。在森林、荒漠等偏遠(yuǎn)地區(qū)，野生動(dòng)物活動(dòng)區(qū)域距離人活動(dòng)區(qū)域遠(yuǎn)，傳統(tǒng)4G/5G信號(hào)在野生動(dòng)物棲息地內(nèi)覆蓋極少，需要解決野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)信息的傳輸問(wèn)題。如果建設(shè)信號(hào)傳輸鐵塔，不僅供電困難，還可能造成原始植被環(huán)境景觀的破壞，影響動(dòng)物的棲息地質(zhì)量和分布，資金投入和維護(hù)費(fèi)用巨大。

北斗定位技術(shù)和短報(bào)文技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，采用自主研制的北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，成為解決野生動(dòng)物研究和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟欢x擇。通過(guò)北斗衛(wèi)星定位和短報(bào)文將有效地解決偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測(cè)設(shè)備定位和數(shù)據(jù)回傳問(wèn)題，短報(bào)文可以將數(shù)據(jù)及時(shí)傳回，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)野生動(dòng)物的活動(dòng)情況，極大提高野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)的實(shí)效性、可行性。本文結(jié)合已有的研究和監(jiān)測(cè)工作，在綜述應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)之后，對(duì)北斗在野生動(dòng)物研究和保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。基于北斗定位、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)野生動(dòng)物實(shí)時(shí)跟蹤、巡護(hù)、棲息地環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)，提升野生動(dòng)物保護(hù)水平。

二、野生動(dòng)物保護(hù)北斗終端研制

結(jié)合北斗導(dǎo)航定位技術(shù)，遙感、GIS定位技術(shù)，無(wú)線信號(hào)定位技術(shù)，傳感器定位技術(shù)，傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)等多種技術(shù)組合，根據(jù)野生動(dòng)物保護(hù)不同業(yè)務(wù)要求，研制了9類(lèi)野生動(dòng)物保護(hù)北斗應(yīng)用終端，主要包括：巡護(hù)型終端、智能型終端、勘界測(cè)量型終端、車(chē)載型終端、應(yīng)急指揮型終端、RD通信終端、跟蹤定位終端等。野生動(dòng)物保護(hù)北斗終端解決方案如圖1所示。

圖1 野生動(dòng)物保護(hù)北斗終端解決方案

三、場(chǎng)景應(yīng)用

1.保護(hù)地管理

保護(hù)地巡護(hù)：利用專(zhuān)門(mén)保護(hù)地管理APP，實(shí)時(shí)地位置回傳和相關(guān)信息回傳，實(shí)時(shí)了解保護(hù)地管理人員狀況。

生態(tài)監(jiān)測(cè)信息和定位信息實(shí)時(shí)傳輸：保護(hù)地監(jiān)測(cè)信息包括紅外相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的縮略圖，或者經(jīng)過(guò)邊緣服務(wù)器識(shí)別的野生動(dòng)物信息、人員信息等，通過(guò)短報(bào)文實(shí)時(shí)傳輸給平臺(tái)。生態(tài)監(jiān)測(cè)信息如水文、氣象、生態(tài)質(zhì)量相關(guān)信息傳送給服務(wù)器后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)地管理信息的實(shí)時(shí)傳輸。

2.野生動(dòng)物的追蹤監(jiān)測(cè)

利用定位標(biāo)識(shí)器和短報(bào)文系統(tǒng)實(shí)時(shí)將標(biāo)識(shí)動(dòng)物的位置、生理狀態(tài)信息如體溫、脈搏，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)回傳，通過(guò)專(zhuān)門(mén)后臺(tái)處理平臺(tái)，利用APP實(shí)時(shí)提供這些狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤分析（圖2）。

圖2 衛(wèi)星野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)和保護(hù)應(yīng)用

衛(wèi)星追蹤器總體結(jié)構(gòu)框架具體包括微處理器、衛(wèi)星定位模塊、行為傳感模塊、通信模塊、系統(tǒng)永不失效監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理模塊以及能源模塊。衛(wèi)星定位模塊獲得定位信息；行為傳感模塊獲得野生動(dòng)物的活動(dòng)信息；通信模塊將獲得的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器；永不失效監(jiān)控模塊防止系統(tǒng)死機(jī)，確保設(shè)備在野外復(fù)雜的強(qiáng)干擾環(huán)境中能夠正常工作；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理模塊保存系統(tǒng)重要的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。能源模塊由太陽(yáng)能電池、改進(jìn)型MPPT控制電路、鋰電池以及節(jié)能優(yōu)化管理模塊組成，采用太陽(yáng)能和鋰電池結(jié)合的能源供給方法：在陽(yáng)光充足時(shí)太陽(yáng)能電池發(fā)生主導(dǎo)作用，給系統(tǒng)供電以及根據(jù)需求給鋰電池充電；當(dāng)光照不足無(wú)法達(dá)到供電及充電條件時(shí)，鋰電池為系統(tǒng)供電。

四、平臺(tái)應(yīng)用

建立了基于北斗定位的實(shí)時(shí)野生動(dòng)物生態(tài)信息采集系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)設(shè)備中部分設(shè)備利用了北斗的短報(bào)文數(shù)據(jù)，建立了生物多樣性監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。生物多樣性監(jiān)測(cè)平臺(tái)的系統(tǒng)框架由三個(gè)層級(jí)、七個(gè)層面、兩大保障體系共同構(gòu)成（圖3）。其中三級(jí)為國(guó)家級(jí)、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）級(jí)和保護(hù)地級(jí)。保護(hù)地級(jí)主要重在生物多樣性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、決策支持以及宣傳教育展示；?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）級(jí)主要為轄區(qū)內(nèi)所有保護(hù)地綜合信息管理和數(shù)據(jù)分析；國(guó)家級(jí)主要為全國(guó)數(shù)據(jù)綜合分析、數(shù)據(jù)挖掘和決策分析、展示等，為全國(guó)保護(hù)地有效監(jiān)管提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。七個(gè)層面包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、基礎(chǔ)平臺(tái)支撐層、大數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用層、展示層和用戶層。兩個(gè)保障體系包括標(biāo)準(zhǔn)體系和信息安全體系。

圖3 生物多樣性監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層基于北斗終端等各類(lèi)設(shè)備或人員活動(dòng)進(jìn)行信息采集；網(wǎng)絡(luò)傳輸層包括北斗短報(bào)文、4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸、自組網(wǎng)無(wú)線傳輸系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)絡(luò)以及基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)傳輸；基礎(chǔ)平臺(tái)支撐層包括標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房、云存儲(chǔ)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)以及地理信息系統(tǒng)平臺(tái)等；大數(shù)據(jù)資源層包括由采集終端所提供的各類(lèi)數(shù)據(jù)；應(yīng)用層在對(duì)生物多樣性監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分揀和分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展多方面的業(yè)務(wù)應(yīng)用；展示層則對(duì)應(yīng)用層的結(jié)果進(jìn)行可視化展示。數(shù)據(jù)采集層和基礎(chǔ)平臺(tái)支撐層的選型、采購(gòu)、安裝為基礎(chǔ)工作，應(yīng)當(dāng)快速有效地完成，同時(shí)保證其功能的實(shí)現(xiàn)。其他五項(xiàng)系統(tǒng)建設(shè)工作同步進(jìn)行，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)完成對(duì)數(shù)據(jù)的獲取、管理和分析；通過(guò)應(yīng)用層分類(lèi)整合和匯集相關(guān)業(yè)務(wù)信息；結(jié)合成熟的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，完成應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)工作，保障系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)生物多樣性監(jiān)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)：

1）野生動(dòng)植物保護(hù)全量全要素的連接，包括天、空、地連接，軟、硬、數(shù)連接，動(dòng)物、植物、人連接；

2）實(shí)時(shí)獲取和匯聚數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)“說(shuō)話”，讓它們能夠隨時(shí)被調(diào)取，甚至不用調(diào)取就主動(dòng)呈現(xiàn)，成為能夠被用戶看到、感知到的數(shù)據(jù)；

3）實(shí)時(shí)采取保護(hù)行動(dòng)，獲取野生動(dòng)物受到威脅等問(wèn)題，提出保護(hù)管理對(duì)策。

五、應(yīng)用案例

1.北斗鳥(niǎo)類(lèi)遷徙監(jiān)測(cè)

為了開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)遷徙監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了不同的基于北斗定位追蹤器（圖4），創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了追蹤器的外殼形狀（適宜于鳥(niǎo)類(lèi)飛行特點(diǎn)）、太陽(yáng)能板充電模式（多重充電，針對(duì)森林鳥(niǎo)類(lèi)充電不足）等，為成功獲得候鳥(niǎo)遷徙路線提供技術(shù)保障。開(kāi)發(fā)了北斗定位和電信傳輸鳥(niǎo)類(lèi)定位器和北斗短報(bào)文定位器，開(kāi)展了多種鳥(niǎo)類(lèi)的研究。針對(duì)不同動(dòng)物種類(lèi)體重和大小設(shè)計(jì)了20多款追蹤器，成功追蹤了包括東方白鸛、丹頂鶴、蓑羽鶴、白尾海雕、白額雁、青頭潛鴨、黃嘴白鷺、黑尾鷗、中杓鷸、麋鹿、雪豹、揚(yáng)子鱷、企鵝、蝙蝠等13000多個(gè)動(dòng)物個(gè)體（圖5），設(shè)備在野外能穩(wěn)定運(yùn)行最長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)7年，采集有效數(shù)據(jù)5000多萬(wàn)條。

圖4 四種基于北斗的鳥(niǎo)類(lèi)追蹤器

圖5 佩戴北斗定位器的赤頸鴨

2.野駱駝監(jiān)測(cè)應(yīng)用

野駱駝生存的荒漠戈壁處于無(wú)人區(qū)，因其生性機(jī)警、遠(yuǎn)離人類(lèi)，給了解和認(rèn)識(shí)野駱駝帶來(lái)了極大的困難。在羅布泊阿奇克谷地和庫(kù)姆塔格沙漠交界處，開(kāi)展了野駱駝佩戴衛(wèi)星定位項(xiàng)圈。這種衛(wèi)星跟蹤項(xiàng)圈可以利用GPS的定位功能確定野駱駝的位置，并通過(guò)衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳回位置數(shù)據(jù)以及當(dāng)時(shí)的溫度、氣壓等環(huán)境信息。目前，我國(guó)北斗系統(tǒng)的短報(bào)文功能，也能夠完成定位數(shù)據(jù)及其他信息傳輸?shù)哪芰?。此外，?xiàng)圈還具有自動(dòng)脫落功能，可以根據(jù)需要，通過(guò)指令使項(xiàng)圈自動(dòng)脫落。脫落后的項(xiàng)圈可回收后繼續(xù)使用。通過(guò)北斗定位的野駱駝研究，可以了解野駱駝的活動(dòng)節(jié)律、活動(dòng)范圍與遷徙途徑（圖6 -圖7）。關(guān)鍵棲息地研究可解決不同駱駝群之間的聯(lián)系廊道問(wèn)題、是不是能穿越沙漠的問(wèn)題，解決了繁殖、交配、產(chǎn)子等關(guān)鍵棲息地選擇問(wèn)題，為野駱駝保護(hù)提供了關(guān)鍵信息。對(duì)人為活動(dòng)影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出野駱駝保護(hù)關(guān)鍵措施。

圖6 通過(guò)定位器獲取的野駱駝活動(dòng)軌跡

圖7 為野駱駝安裝北斗定位器

六、結(jié)語(yǔ)

北斗定位已經(jīng)廣泛應(yīng)用到生物多樣性監(jiān)測(cè)監(jiān)管系統(tǒng)中，基于北斗定位的移動(dòng)終端廣泛應(yīng)用于野生動(dòng)物的調(diào)查研究、巡護(hù)與自然保護(hù)區(qū)管理等數(shù)據(jù)采集過(guò)程中。

基于北斗定位的野生動(dòng)物數(shù)據(jù)采集生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺(tái)已經(jīng)建成。針對(duì)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)和保護(hù)需求，通過(guò)北斗項(xiàng)圈、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等設(shè)備監(jiān)測(cè)采集野生動(dòng)物活動(dòng)、行為和環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)野生動(dòng)物和自然保護(hù)地智慧監(jiān)管，為保護(hù)效果提供綜合分析與評(píng)估數(shù)據(jù)支撐，建立以野生動(dòng)物管理為核心的決策平臺(tái)。

很多新設(shè)備有待進(jìn)一步研發(fā)，研發(fā)基于圖像和視頻野生動(dòng)物識(shí)別的紅外相機(jī)，利用人工智能物種識(shí)別，利用北斗短報(bào)文傳輸野生動(dòng)物出現(xiàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然保護(hù)區(qū)、特別是野生動(dòng)物和人為干擾智能化監(jiān)測(cè)、調(diào)查與管理。