自然保護區(qū)電子圍欄應(yīng)用及對策研究

王 歡 ，魯 寧 ，徐偉恒 ，黃曉園 ，戴 楊 ，楊微微

（1.西南林業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學(xué) 信息化技術(shù)中心，云南 昆明 650224）

自然保護區(qū)是生物多樣性的核心載體，保護自然保護區(qū)對生態(tài)平衡建設(shè)和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量都有重要的作用[1]。由于自然保護區(qū)地形復(fù)雜、范圍廣、森林茂密、情況復(fù)雜人工管理的方式無法達到預(yù)期目標(biāo)，經(jīng)常會出現(xiàn)盜采、盜伐、偷獵、破壞野生動物棲息地等違法現(xiàn)象[2]。在自然保護區(qū)內(nèi)的功能區(qū)界線作為保護的重要屏障，由于缺乏有效的防護設(shè)施，人類活動較為頻繁，導(dǎo)致珍稀動植物造成巨大損失。傳統(tǒng)圍欄造價成本高、施工難道大，如何采用高科技手段保護生態(tài)環(huán)境不被破壞，高效監(jiān)控管理自然保護區(qū)成為迫切解決的問題。通過完善自然保護區(qū)的智慧化建設(shè)，平衡保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護利用與區(qū)域社會協(xié)調(diào)發(fā)展。

電子圍欄系統(tǒng)也被稱為邊界防護系統(tǒng)，是一種采用先進的無線通信原理針對目前日益增加的數(shù)據(jù)獲取需求而開發(fā)的一種全新的信息捕獲和數(shù)據(jù)分析手段[3]。電子圍欄的發(fā)展和普及為自然保護區(qū)生物多樣性保護帶來了諸多機會，如何將虛擬的電子圍欄應(yīng)用到范圍更廣的、面積更大的自然保護區(qū)上，成為自然保護區(qū)亟待解決的問題。國家林業(yè)和草原局、國家發(fā)展改革委、財政部、自然資源部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部日前聯(lián)合印發(fā)《國家公園等自然保護地建設(shè)及野生動植物保護重大工程建設(shè)規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了我國自然保護地建設(shè)和野生動物保護未來15年的目標(biāo)任務(wù)和重點措施，將作為統(tǒng)籌推進自然保護地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和質(zhì)量提升、國家重點保護物種保護的依據(jù)。電子圍欄技術(shù)應(yīng)用在自然保護區(qū)的智慧化建設(shè)方面，可作為野生動植物資源保護的輔助手段，也將在生態(tài)管理、自然保護區(qū)治安防控等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。全面構(gòu)建智慧自然保護區(qū)電子圍欄監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效提高監(jiān)管效率，推進自然保護地生態(tài)系統(tǒng)整體保護、提升國家重點保護物種保護水平、增強生態(tài)產(chǎn)品供給能力、維護生物安全和生態(tài)安全，提升生物多樣性數(shù)字化監(jiān)管水平。

1 自然保護區(qū)電子圍欄應(yīng)用現(xiàn)狀與問題

電子圍欄之前多用于刑偵和共享單車管理方面的虛擬電子圍欄，或用于安防監(jiān)控系統(tǒng)、畜牧養(yǎng)殖、交通航運物聯(lián)網(wǎng)等方面的物理電子圍欄。而將電子圍欄應(yīng)用在大范圍防護的項目較少，尤其是自然保護區(qū)采用虛擬電子圍欄的更少。

1.1 電子圍欄應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)電子圍欄有脈沖、張力、靜電型安防電子圍欄、地埋泄漏型安防電子圍欄、振動光纖型安防電子圍欄等[4]，但這種電子圍欄技術(shù)主要應(yīng)用于公共安全領(lǐng)域，適用范圍為小區(qū)域。在野外林場、自然保護區(qū)地域?qū)掗煟踔梁芏鄥^(qū)域存在無信號、供電困難等客觀因素，如果自然保護區(qū)只是使用傳統(tǒng)物理電子圍欄技術(shù)不僅投入成本高昂，也不切合實際，很難做到推廣。

共享單車電子圍欄采用GPS定位+藍牙解鎖和還車模式[5]，通過劃定正負清單電子圍欄限制車輛違規(guī)停放[6]。共享單車電子圍欄需要在每輛單車上安裝GPS定位才行實現(xiàn)精準定位。對于自然保護區(qū)復(fù)雜的出入人員，尤其是非法闖入者，不能簡單的將GPS等軟件強行安裝到手機上。但可以借鑒共享單車電子圍欄，應(yīng)用到自然保護區(qū)護林人員的管理、定位和巡查工作。

1.2 自然保護區(qū)邊界管理存在的問題

自然保護區(qū)的作用主要是對自然資源以及生態(tài)系統(tǒng)進行保護，但自然保護區(qū)邊界不清晰，基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備缺乏，建設(shè)管理經(jīng)費短缺，建設(shè)管理與生產(chǎn)生活矛盾突顯[7]，保護區(qū)周邊的群眾對建立自然保護區(qū)的意義和生態(tài)保護認識不足，造成自然保護區(qū)部分邊界區(qū)域被周邊村民侵占。另外近年來隨著驢友“背包客”徒步旅游的火熱，導(dǎo)致各類自然保護區(qū)成為了眾多驢友的旅游探險地[8]，跨越保護區(qū)邊界隨時可能有不確定的危險發(fā)生。

部分自然保護區(qū)邊界安裝物理圍欄或電子圍欄，對野生動植物有一定的危害。研究表明物理圍欄對野生有蹄類動物的威脅以及觀察到的被圍欄纏繞的野生動物的數(shù)量明顯增加，給野生動物帶來了很多負面影響,會制約它們的活動范圍,妨礙其種群擴散甚至?xí)苯訉?dǎo)致死亡[9]。有效清除野生動物棲息地四周的障礙物、科學(xué)預(yù)留供野生動物使用的穿越通道、增設(shè)野生動物逃生通道等措施消除野生動物生存的威脅[10]，升級電子圍欄智慧管理系統(tǒng),推動完善生態(tài)補償機制,最終減少人類活動對野生動植物生存造成的不利影響。

1.3 自然保護區(qū)電子圍欄的應(yīng)用現(xiàn)狀

電子圍欄系統(tǒng)能夠?qū)⒏鞅O(jiān)督區(qū)域內(nèi)的視頻監(jiān)控體系、周界報警體系、電子巡更體系、門禁體系、短信報警操控體系聯(lián)動整合，把防區(qū)內(nèi)的音/視頻畫面、人員軌跡的狀況、防區(qū)內(nèi)的報警信號等數(shù)據(jù)及時地傳回監(jiān)控中心，便利建立長效監(jiān)管機制。澳大利亞新南威爾士州的馬利懸崖國家公園針對珍稀動物紅帚尾袋鼩，保護區(qū)設(shè)置了9000 hm2多的電子圍欄裝置，能夠屏蔽野貓、狐貍等捕食者的侵擾[11]。

國內(nèi)部分自然保護區(qū)已經(jīng)著手開展電子圍欄的試點工作，如云南會澤黑頸鶴國家級自然保護區(qū)管護局在念湖候鳥越冬地，建立全天候鳥哨兵電子圍欄，為保護區(qū)內(nèi)珍稀動植物保駕護航[12]。重慶市林業(yè)局全面推進國家級自然保護區(qū)電子圍欄建設(shè)，將金佛山國家級自然保護區(qū)電子界樁建設(shè)成電子圍欄示范基地[13]，在自然資源監(jiān)管、生物多樣性監(jiān)測、人類活動管控、巡護管理等方面都取得顯著成效。2022年6月11日海南熱帶雨林國家公園建設(shè)電子圍欄實現(xiàn)“智慧化”管護。全面推進人工巡護與智能監(jiān)測相結(jié)合的自然保護區(qū)電子圍欄建設(shè)，進一步提升自然保護區(qū)監(jiān)督管理能力。

2 自然保護區(qū)電子圍欄應(yīng)用場景設(shè)計

根據(jù)中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳《關(guān)于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導(dǎo)意見》，將自然保護區(qū)“三區(qū)變兩區(qū)”[14]（即由原來的核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵谋Ｗo區(qū)和一般控制區(qū))一般情況下，將自然保護區(qū)原核心區(qū)、緩沖區(qū)轉(zhuǎn)為核心保護區(qū)，將原實驗區(qū)轉(zhuǎn)為一般控制區(qū)。自然保護區(qū)電子圍欄依據(jù)新的兩區(qū)界限進行設(shè)置。自然保護區(qū)根據(jù)保護區(qū)域特征，合理利用高科技手段，減少人工治理成本，提升保護管理能力，實現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)非法闖入的有效監(jiān)管，才能保護生態(tài)環(huán)境不被破壞。自然保護區(qū)的虛擬電子圍欄系統(tǒng)主要是指在保護區(qū)內(nèi)的核心保護區(qū)、一般控制區(qū)等關(guān)鍵地點、重點地段設(shè)置安裝4G視頻監(jiān)控、IP廣播音柱、無線信號探測器、電子界樁等設(shè)備，利用圖像識別、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、GIS地圖等技術(shù)[15]對自然保護區(qū)的控制區(qū)域進行實時監(jiān)控和記錄的系統(tǒng)工程。

自然保護區(qū)電子圍欄系統(tǒng)示意圖如圖1所示，通過在一般控制區(qū)和核心保護區(qū)兩個區(qū)域的多個進出路口和要道，以及敏感區(qū)域設(shè)置安裝高清4G攝像頭、IP廣播音柱、紅外相機、無線信號探測器等設(shè)備[16]，限制非法闖入者在自然保護區(qū)內(nèi)一切開發(fā)建設(shè)活動和人員活動。通過安裝監(jiān)控設(shè)置電子圍欄，可以監(jiān)控自然保護區(qū)核心保護區(qū)內(nèi)植被破壞、環(huán)境污染、人為活動干擾生態(tài)環(huán)境和資源開發(fā)超限、超域、超額等問題[17]?？刂茀^(qū)特殊林木、飲用水水源保護區(qū)及周邊生態(tài)植被破壞進行監(jiān)測，重點保護的珍稀野生動植物區(qū)域可以利用無人機進行巡防，實現(xiàn)天地空一體化的管理[18]。將人工巡護與智能監(jiān)測相結(jié)合，加大保護巡查力度，加強資源監(jiān)測力度和精準度，進一步提升監(jiān)督管理能力。

圖1 自然保護區(qū)電子圍欄系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of electronic fence system in nature reserve

3 自然保護區(qū)電子圍欄應(yīng)用及對策建議

如表1所示自然保護區(qū)電子圍欄功能措施表，自然保護區(qū)電子圍欄按照自下向上四層保護和兩個區(qū)域劃分，其中：一般控制區(qū)包括一層重點防控大道、小路口電子圍欄，利用手機基站推送短信提示警告闖入者、4G太陽能攝像頭跟蹤獲取圖像、視頻信息。二層重點保護林木、水源電子圍欄，利用語音喇叭警告闖入者，太陽能攝像頭跟蹤獲取圖像、視頻信息，同時將實時位置上報指揮中心，護林員巡視途中可以采取必要的防控驅(qū)趕措施。當(dāng)然一、二層保護又有交叉互補，可以通過數(shù)據(jù)反推和定位跟蹤闖入者。核心保護區(qū)包括三層核心區(qū)邊界保護，利用電子界樁（報警器）精準檢測界樁倒伏和人員入侵現(xiàn)象，通過入侵抓拍、越界統(tǒng)計分析，IP語音音柱報警，播放驅(qū)離聲音，并通過無線探測設(shè)備抓取犯罪信息。四層珍稀野生動植物保護電子圍欄，利用高清攝像頭（太陽能）和紅外相機觀察分析野生動植物活動規(guī)律和情況，同時后臺記錄抓拍犯罪人員信息，及時反饋上報，針對每層保護對象都有相對應(yīng)的電子圍欄防護措施。同時各個層次防護措施又交叉互補，互相協(xié)助、相互利用。

表1 自然保護區(qū)電子圍欄功能措施表Table 1 Functional measures of electronic fence in nature reserve

3.1 手機（道路路口）電子圍欄

自然保護區(qū)范圍廣、周邊各種大道小道分布較多，特別是居民居住地附近與保護區(qū)交叉部分，通過了解當(dāng)?shù)氐膶嶋H地理環(huán)境、位置差異，道路建設(shè)情況和異常事件發(fā)生情況，明確交通要道，關(guān)鍵卡口和路線，重點要害區(qū)域等位置，設(shè)置依托運行商基站或者單獨架設(shè)信息采集設(shè)備的手機電子圍欄，向用戶推送保護區(qū)管理要求，防火等短信。對敏感人群，可以限制其上網(wǎng)，獲取手機定位信息，實時跟蹤敏感用戶。特殊敏感的大道、小路口安裝4G太陽能攝像頭，24小時不間斷監(jiān)控錄像保障安全，人形追逐抓拍、聲光警戒、360度全景監(jiān)控道路。通過內(nèi)置4G模板，實時傳輸?shù)胶笈_控制中心，并且巡防人員可以通過電腦或手機查看調(diào)取實時畫面，實時對講喊話非法闖入者。

3.2 保護林木、水源的電子圍欄

自然保護區(qū)內(nèi)分布的多個需要重要保護的林木和水源地，其中水源地保護地包括蓄水水域、主要匯流河道、沿岸陸域及匯水區(qū)域的耕地、林地等，布防保護林木、水源的電子圍欄，凡是進入自然保護區(qū)飲用水水源一級保護區(qū)范圍的手機用戶，都會收到一條提醒短信。主要依托工信、環(huán)保部門和三大移動通信運營商實施的一項短信自動提醒服務(wù)，飲用水水源保護地電子圍欄范圍為取水口上游1000m至下游100m，該范圍內(nèi)禁止進行網(wǎng)箱養(yǎng)殖、垂釣、游泳、旅游等一切可能污染水體的活動。

在人們誤闖入保護區(qū)林木、水源地時，在電子監(jiān)控下的保護區(qū)就會形成一個虛擬的電子檢測圈，此時檢測圈感應(yīng)到有人誤闖，廣播就會發(fā)出提示的聲音，同時攝像頭會進行自動抓拍，指揮中心會收到實時警報，此時工作人員就會進行實時喊話，安排負責(zé)該網(wǎng)格化管理區(qū)內(nèi)的護林員前去查看情況。

3.3 邊界界樁電子圍欄

《“十四五”林業(yè)草原保護發(fā)展規(guī)劃綱要》中提到：推進整合優(yōu)化并勘界立標(biāo)是國家公園等自然保護區(qū)重點項目。依托地理信息系統(tǒng)，在電子邊界中設(shè)置虛擬電子標(biāo)識，用于重要定標(biāo)點的信息存儲和查證，支持借助智能終端等定位設(shè)備進行現(xiàn)場核驗和提示。在重點地段（部位)、重要拐點設(shè)置邊界界樁電子圍欄，在生態(tài)保護空間邊界上（自然保護區(qū)、國家公園、生態(tài)保護紅線等）設(shè)立統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)識標(biāo)牌，并進行智能化監(jiān)管，對保證生態(tài)紅線邊界落地準確、清晰和嚴守生態(tài)紅線具有重要意義。

電子界樁是一種沿自然保護區(qū)邊界、生態(tài)保護紅線區(qū)域、國有林場勘界按一定標(biāo)準設(shè)立的電子地界標(biāo)志樁[19]。綜合運用了姿態(tài)傳感、紅外入侵、可見光圖像傳感等復(fù)合傳感與人工智能（AI）技術(shù)，可精準監(jiān)測界樁倒伏與人員入侵現(xiàn)象。電子界樁利用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、4G等無線通信接入網(wǎng)絡(luò)，通過實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)回傳，能夠及時掌控界樁姿態(tài)、現(xiàn)場環(huán)境、入侵抓拍、越界信息統(tǒng)計等功能。電子界樁具有太陽光自供電、蜂窩組網(wǎng)等功能，不需市電供電、不需鋪設(shè)線纜、不需人工值守[20]，具有部署靈活、安裝簡便、準確可靠等顯著特點。

通過電子界樁，實現(xiàn)邊界管理的信息化、智能化。設(shè)立電子界樁后，可全天候、全周期進行監(jiān)管，一旦發(fā)現(xiàn)有人為移動、挪走或損毀等情況，及時發(fā)現(xiàn)并進行處理，解決人員管理存在大量盲區(qū)無法及時監(jiān)管的情況。實現(xiàn)減少人力投入，減少巡查人員的巡邏，及時發(fā)現(xiàn)被損壞、破壞的界樁，有目的的進行現(xiàn)場了解勘察。通過重點邊界區(qū)域電子界樁集成多種傳感器，掌握管控區(qū)域人類活動行為，統(tǒng)計分析人員進入的總體數(shù)量、進入時間時段等，針對分析結(jié)果提出相應(yīng)區(qū)域保護的改進措施。

3.4 珍稀野生動植物特殊電子圍欄

自然保護區(qū)核心區(qū)主要生長和分布著珍稀的野生動植物，是生物多樣性保護的重點區(qū)域，但核心界線作為保護的重要屏障并不能很好限制人為活動，導(dǎo)致珍稀動植物的安全面臨著威脅。自然保護區(qū)核心區(qū)可以通過安裝激光電子圍欄，近地面網(wǎng)絡(luò)無線信號探測器、IP網(wǎng)絡(luò)廣播音柱，通過供電電纜，信號傳輸光纜，微波網(wǎng)橋無線傳輸設(shè)備互聯(lián)，綜合形成互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+GIS的系統(tǒng)保護電子圍欄。通過建立自然保護區(qū)電子圍欄信息化數(shù)字平臺系統(tǒng)，借助防護措施的物聯(lián)設(shè)備，實現(xiàn)對非法闖入人員或者其他物種紅外探測，實時獲取入侵位置并上報指揮中心，同時通過IP音柱發(fā)出警告（你已非法闖入核心區(qū)，請立即離開），進行廣播驅(qū)離，后臺系統(tǒng)自動調(diào)取指定網(wǎng)絡(luò)攝像頭對入侵位置拍照、錄像，進行核實、取證。針對特殊的野生動植物，可以利用近地面網(wǎng)絡(luò)無線信號探測器自動截取入侵人員手機MAC地址，通過公安實名登記系統(tǒng)核實相關(guān)人員犯罪信息，從而形成“防控為主，威懾為輔”的一體化安全監(jiān)管系統(tǒng)。

后期可在此基礎(chǔ)上完善增加系統(tǒng)管理或移動端應(yīng)用管理，實現(xiàn)可視化的基本信息展示、監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測、入侵事件監(jiān)測、入侵報警通知、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。移動端手機APP實現(xiàn)查看抓拍照片,進行電子地圖定位，查看綜合狀況信息、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，實現(xiàn)空間可視化分析。通過技術(shù)手段，讓數(shù)據(jù)說話震懾了違規(guī)、違法人員，為自然保護區(qū)建立一個安全、和諧的家園。

4 討論與展望

自然保護區(qū)電子圍欄是個系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)自然保護區(qū)的電子圍欄，需綜合應(yīng)用移動通信監(jiān)測緩沖區(qū)、利用電子界樁區(qū)樁監(jiān)測區(qū)界、利用AI智能卡口監(jiān)測要道路口、利用紅外相機監(jiān)測重要保護區(qū)、利用保護區(qū)人工巡護APP報送信息、利用無人飛機警示跟蹤取證，把多種技術(shù)相結(jié)合，才能建立整個保護區(qū)域的電子圍欄閉環(huán)，最好將人工巡護與智能監(jiān)測相結(jié)合，提高保護巡查力度，保護自然資源不被破壞。

當(dāng)然，本研究只是從理論角度分析了保護區(qū)電子圍欄建設(shè)，離真正的實施和布控還有很大差距。自然保護區(qū)電子圍欄系統(tǒng)怎么集成管理？各個層次是否布局合理？護林人員如何科學(xué)管理巡視？資金缺口怎么支持？都是亟待解決的問題。但是通過科學(xué)手段，虛擬化電子圍欄是個趨勢。從保護野生動植物入手，從試點區(qū)域著手、逐步推進、推行電子圍欄，搭建天地空一體化的生態(tài)檢測、資源管理系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)智慧自然保護區(qū)。但是，自然保護區(qū)電子圍欄只是一個防護手段，比防護更重要的是加大宣傳力度，通過大數(shù)據(jù)平臺、手機短信、微信群、村廣播等載體宣傳自然保護區(qū)的保護、宣傳安全防護的預(yù)防，是短期見效最快的途徑。真正做到預(yù)防為輔，宣傳為主。