江蘇鎮(zhèn)江長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

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，堅持高起點規(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保護(hù)鳥類活動軌跡，構(gòu)建全要素、多方位、實時動態(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。總體來看，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)控攝像機(jī)3 種。智能識別攝像機(jī)對長江江豚和濕地鳥類進(jìn)行實時監(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)控攝像機(jī)對周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，同時對非法行為進(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)，實現(xiàn)保護(hù)區(qū)生態(tài)實時監(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，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，實現(xiàn)智能監(jiān)控和無人機(jī)自主巡檢聯(lián)動，實時傳輸監(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、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)實時監(jiān)控畫面，記錄和統(tǒng)計各項監(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 計算卡。

2.3.4 圖像識別

智慧化建設(shè)的重點難點在于對主要保護(hù)對象（長江江豚、濕地鳥類等）實現(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，畫面實時傳輸至監(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，建成長江豚類省級自然保護(hù)區(qū)“生態(tài)哨兵”，實現(xiàn)全天候?qū)崟r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保護(hù)鳥類，鳥類種類覆蓋保護(hù)區(qū)已記錄的國家重點保護(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

實時傳輸保護(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，為分析江豚活動時空分布及人類活動對江豚活動影響累計數(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頻特征與水下噪聲的時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，實現(xiàn)保護(hù)區(qū)三維全景可視化，助力精準(zhǔn)保護(hù)[5]。