潘 杰，王召根，邢曉勇，朱錫峰

（1.江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇金坤信息工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

自然保護(hù)區(qū)是自然保護(hù)地體系建設(shè)的基礎(chǔ)和生物多樣性保護(hù)的重要手段。江蘇省委辦公廳、江蘇省政府辦公廳《關(guān)于建立健全自然保護(hù)地體系的實(shí)施意見》提出要“開展自然保護(hù)地綜合監(jiān)測，掌握自然保護(hù)地內(nèi)的自然要素和人類活動變化情況。依托自然資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測結(jié)果和大數(shù)據(jù)分析等現(xiàn)代化技術(shù)手段，構(gòu)建智慧自然保護(hù)地”。近年來，隨著5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、AI 等高新技術(shù)發(fā)展水平不斷提高，為保護(hù)區(qū)智慧化建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[1]。江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)以“守護(hù)長江生態(tài)、監(jiān)測長江江豚、提升管控能力”為管控目標(biāo)，立足主流業(yè)務(wù)和需求分析，堅(jiān)持高起點(diǎn)規(guī)劃、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，對保護(hù)區(qū)業(yè)務(wù)建設(shè)進(jìn)行整體布局實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建保護(hù)區(qū)智慧監(jiān)管平臺，動態(tài)監(jiān)管鎮(zhèn)江豚類保護(hù)區(qū)重要生態(tài)岸線及陸域洲灘，跟蹤拍攝長江江豚及其他國家重點(diǎn)保護(hù)鳥類活動軌跡，構(gòu)建全要素、多方位、實(shí)時(shí)動態(tài)的保護(hù)區(qū)智能監(jiān)控體系。

1 保護(hù)區(qū)概況

江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)位于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)和暢洲長江北汊及西延至焦山北面江段及洲灘濕地，屬于野生生物類型自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)的主要保護(hù)對象為白鱀豚、長江江豚以及重要的濕地動植物資源。保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整，生物資源豐富，是長江下游重要的江豚遷移和活動通道、對于維持長江下游長江江豚棲息地完整性具有重要生態(tài)學(xué)意義[2]。最新的生態(tài)科學(xué)考察共記錄野生動植物946 種，其中國家一級保護(hù)野生動植物4 種；國家二級保護(hù)野生動植物37 種；長江江豚種群數(shù)量26 頭，約占長江江蘇段總數(shù)的21.3%。保護(hù)區(qū)灘涂濕地資源非常豐富，每年遷徙季都會迎來大批候鳥過境，保護(hù)區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)鳥類194 種，其中白鶴、東方白鸛、青頭潛鴨等國家重點(diǎn)保護(hù)鳥類達(dá)32 種。

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)背景

江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)總面積57.3 km2，其中水域面積占比79.1%，陸域面積占比20.9%。洲灘濕地區(qū)域交通不便，巡護(hù)人員難以到達(dá)，野外巡護(hù)存在監(jiān)測盲區(qū)。長江江豚為水生動物，約有95%以上時(shí)間在水下活動，依靠傳統(tǒng)目視觀察，很難獲得全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)建成以前，保護(hù)區(qū)主要依靠巡護(hù)船、巡護(hù)車開展日常野外巡護(hù)。巡護(hù)人員配備無人機(jī)、手持GPS 及望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)、觀鳥鏡等觀測記錄設(shè)備?？傮w來看，系統(tǒng)建成前，鎮(zhèn)江豚類省級自然保護(hù)區(qū)絕大部分區(qū)域停留在人防階段，信息化建設(shè)整體水平較低，保護(hù)區(qū)監(jiān)測存在覆蓋面不足、監(jiān)測難度高、巡護(hù)手段單一等問題。

2.2 建設(shè)思路

智能化建設(shè)貫穿保護(hù)區(qū)各項(xiàng)業(yè)務(wù)，將大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段與保護(hù)區(qū)業(yè)務(wù)知識及應(yīng)用體系深度融合，形成業(yè)務(wù)管理、資源監(jiān)管、科研監(jiān)測、科普宣教、評價(jià)評估、決策指揮等多種業(yè)務(wù)應(yīng)用（圖1）。平臺基于SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu)）設(shè)計(jì)思想，采用數(shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離的架構(gòu)原則，在保持靈活性和擴(kuò)展性的前提下，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合、管理和網(wǎng)絡(luò)化共享的在線服務(wù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)總體結(jié)構(gòu)

圖2 流程示意圖

2.3 建設(shè)內(nèi)容

2.3.1 前端拓?fù)錁?gòu)成

保護(hù)區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)前端感知設(shè)備由岸基攝像機(jī)、無人機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后端服務(wù)器及監(jiān)控中心構(gòu)成，涵蓋視頻采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、供電、防雷、環(huán)境信息采集等。根據(jù)保護(hù)區(qū)長江江豚及鳥類分布情況，選取保護(hù)對象活動頻繁的位置布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)位，以便于前端攝像機(jī)的圖像或視頻抓取，為后端的識別模型提供一手影像資料。前端岸基攝像機(jī)按功能分為智能識別攝像機(jī)、夜視攝像機(jī)、生態(tài)監(jiān)控?cái)z像機(jī)3 種。智能識別攝像機(jī)對長江江豚和濕地鳥類進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過后臺AI 模型進(jìn)行智能分析，完成識別記錄；本系統(tǒng)采用800 萬像素星光級照度激光云臺攝像機(jī)，支持40 倍光學(xué)變倍、1 000 m 激光、光學(xué)透霧、巡航掃描等功能。夜視攝像機(jī)可加強(qiáng)夜晚無光線狀態(tài)下的監(jiān)控，強(qiáng)化夜間活動的動物和違法行為監(jiān)控；本系統(tǒng)中采用了800 萬像素黑光球機(jī)，支持35 倍光學(xué)變焦，250 m 紅外補(bǔ)光，在0.000 4 lx 照度下能顯示彩色圖像。生態(tài)監(jiān)控?cái)z像機(jī)對周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)對非法行為進(jìn)行抓拍和推送；本系統(tǒng)采用最高分辨率3 200 萬像素全景拼接攝像機(jī)，水平180°超大廣角，適合近距離的全方位監(jiān)控。在江豚主要出沒頻繁區(qū)域部署環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，自動采集環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)生態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測并開展環(huán)境因素對長江江豚的影響研究。

2.3.2 無人機(jī)自主巡檢

無人機(jī)具有分辨率高、機(jī)動性強(qiáng)、使用便利等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用到保護(hù)區(qū)巡護(hù)和監(jiān)測等工作中[3]。自主巡檢無人機(jī)搭配充電機(jī)場，具備自動起降、自主巡航、自動充電功能，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化自主巡檢。本系統(tǒng)采用大疆M300 RTK 無人機(jī)，支持8 km 圖傳距離，55 min 最長飛行距離，六向定位避障，IP45 等級防護(hù)。掛載23 倍混合光學(xué)變焦熱成像鏡頭，集合多類傳感器，直觀呈現(xiàn)可見光與熱成像畫面，可實(shí)現(xiàn)廣角、變焦和熱成像相機(jī)畫面的快速切換，滿足復(fù)雜多樣的作業(yè)需求。無人機(jī)根據(jù)航線和巡檢任務(wù)進(jìn)行日常巡檢，通過后臺邊緣計(jì)算技術(shù)，可以自主識別非法人類行為和江豚活動信息等，對長江江豚出水進(jìn)行快速識別并提取和存儲精彩畫面。

2.3.3 平臺建設(shè)及服務(wù)器部署

開發(fā)建設(shè)基于GIS 地圖的智慧監(jiān)管平臺，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)保護(hù)區(qū)地理地貌，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控和無人機(jī)自主巡檢聯(lián)動，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測區(qū)域的各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總分析和直觀展示。整合保護(hù)區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，對遙感影像、總體規(guī)劃、生態(tài)監(jiān)測、基礎(chǔ)設(shè)施分布等專題數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。功能模塊包括一張圖展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、業(yè)務(wù)管理、巡護(hù)管理、物種捕捉、環(huán)境監(jiān)測等模塊。智慧監(jiān)管系統(tǒng)平臺展示保護(hù)區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，記錄和統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，著力構(gòu)建科學(xué)化、精細(xì)化、智能化的智慧自然保護(hù)地管理模式。為保障系統(tǒng)運(yùn)行，本系統(tǒng)配備4 臺服務(wù)器，分別為綜合平臺服務(wù)器、無人機(jī)部署服務(wù)器、算力服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。其中算力服務(wù)器用于建立算法模型，在后期運(yùn)行過程中通過前端識別攝像機(jī)獲取的影像資料對長江江豚、鳥類等識別算法進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)生物物種及人類活動識別要求。本系統(tǒng)算力服務(wù)器配置了2 塊Tesla T4 計(jì)算卡。

2.3.4 圖像識別

智慧化建設(shè)的重點(diǎn)難點(diǎn)在于對主要保護(hù)對象（長江江豚、濕地鳥類等）實(shí)現(xiàn)圖像識別，圖像識別技術(shù)的基本過程分為信息的獲取、預(yù)處理、特征抽取和選擇、分類器設(shè)計(jì)和分類決策等。本系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包含識別模型構(gòu)建、識別模型訓(xùn)練、識別模型平臺應(yīng)用三個(gè)主要部分。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 全天候監(jiān)測

黑光級照度攝像機(jī)24 h 巡邏拍攝，晝夜圖像效果清晰，畫面實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控平臺。前端監(jiān)控設(shè)備及無人機(jī)自主巡檢填補(bǔ)保護(hù)區(qū)監(jiān)控盲點(diǎn)，建成長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)“生態(tài)哨兵”，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測，提升自然保護(hù)區(qū)監(jiān)管能力。

3.2 資源保護(hù)

開發(fā)的動物識別模型，能夠準(zhǔn)確識別長江江豚及重點(diǎn)保護(hù)鳥類，鳥類種類覆蓋保護(hù)區(qū)已記錄的國家重點(diǎn)保護(hù)野生鳥類。保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)進(jìn)一步了解物種資源豐富度及分布情況，做到分區(qū)分類、精準(zhǔn)保護(hù)，提高生物多樣性保護(hù)能力。

3.3 聯(lián)動執(zhí)法

加強(qiáng)對非法進(jìn)入、非法捕撈、開發(fā)建設(shè)等破壞自然保護(hù)區(qū)行為的主動發(fā)現(xiàn)。具備機(jī)載喊話器，保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)可在監(jiān)控中心第一時(shí)間對非法人類活動進(jìn)行有效制止，提升保護(hù)區(qū)執(zhí)法效能。

3.4 科研監(jiān)測

實(shí)時(shí)傳輸保護(hù)區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯總分析，建檔保存高清影像，為分析江豚活動時(shí)空分布及人類活動對江豚活動影響累計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高保護(hù)區(qū)科研能力。

4 展望

長江江豚為水生動物，依靠高頻聲學(xué)信號進(jìn)行通信，長江江豚聲納信號的時(shí)頻特征與水下噪聲的時(shí)頻特征有較明顯的不同，具備較強(qiáng)的可監(jiān)測特征[4]。近年來，一些科研單位及保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)已經(jīng)利用固定聲學(xué)系統(tǒng)開展了水下江豚聲學(xué)信號的監(jiān)測和研究。下一步保護(hù)區(qū)信息化建設(shè)中，應(yīng)加強(qiáng)水下被動聲學(xué)監(jiān)測，可獲取長江江豚的種群數(shù)據(jù)和分布規(guī)律等數(shù)據(jù)，并監(jiān)測船舶航行及施工過程中的水下噪聲，另外可嘗試將數(shù)字孿生、電子圍欄等新一代信息技術(shù)應(yīng)用于保護(hù)區(qū)管理，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)三維全景可視化，助力精準(zhǔn)保護(hù)[5]。