聲紋識(shí)別技術(shù)支持下自然保護(hù)地鳥類多樣性節(jié)律特征及監(jiān)測有效性研究
——以黃龍自然保護(hù)區(qū)為例

許曉青 余楚萌 徐榮林 劉 頌*

（1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，自然資源部國土空間智能規(guī)劃技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，成都 611130；3.黃龍國家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局，松潘 623306）

生物多樣性是人類賴以生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是地球生命共同體的血脈和根基。聲紋識(shí)別技術(shù)正在成為輔助生物多樣性監(jiān)測的重要手段，由于聲紋數(shù)據(jù)采集的特征及計(jì)算性生物聲學(xué)的發(fā)展，聲學(xué)技術(shù)在物種鑒別、種群研究、環(huán)境成因研究方面正表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。以黃龍自然保護(hù)區(qū)為例，以指示性物種鳥類的鳴聲為對(duì)象，通過保護(hù)區(qū)中較高人為影響（黃龍景區(qū)）和較低人為影響（張家溝）這兩個(gè)區(qū)域的被動(dòng)式監(jiān)測，采集了6 303 min聲音數(shù)據(jù)。通過經(jīng)典聲學(xué)指數(shù)計(jì)算、人工智能物種識(shí)別與樣線調(diào)查相結(jié)合的方法，研究得出：（1）人工智能技術(shù)下鳥類多樣性及鳴聲時(shí)間分布特征；（2）聲紋識(shí)別技術(shù)較之于傳統(tǒng)調(diào)查方法更具有效性；（3）聲學(xué)指數(shù)計(jì)算對(duì)環(huán)境的響應(yīng)程度與有效性辨析。研究試驗(yàn)性地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析闡釋，以黃龍自然保護(hù)區(qū)為例作為方法的探索，為此類保護(hù)地保護(hù)管理提供借鑒。

聲紋識(shí)別；鳥類多樣性；自然保護(hù)地；聲景；保護(hù)管理

生物多樣性是人類賴以生存和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是地球生命共同體的血脈和根基。聲景生態(tài)作為一門新興學(xué)科，綜合了生態(tài)學(xué)、生物聲學(xué)、城市環(huán)境聲學(xué)等多門學(xué)科理論與方法。其目標(biāo)是理解和保護(hù)生物多樣性，以及管理和改善人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。聲景生態(tài)研究主要圍繞生物聲學(xué)和生態(tài)聲學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域展開?，F(xiàn)代生物聲學(xué)已有近70年的歷史，隨著計(jì)算性生物聲學(xué)的發(fā)展，使用人工智能輔助信號(hào)統(tǒng)計(jì)技術(shù)，結(jié)合聲學(xué)指數(shù)評(píng)估物種多樣性和種群密度，以及使用各種機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行物種識(shí)別正在興起[1]。

從生物聲學(xué)層面來看，聲景生態(tài)關(guān)注動(dòng)物行為，研究動(dòng)物個(gè)體間的聲信號(hào)交流，相關(guān)研究表明聲音可以作為物種分類依據(jù)，為觀察動(dòng)物行為和監(jiān)測生物多樣性提供了較好的機(jī)會(huì)[2-3]。Koehler等[4]發(fā)現(xiàn)許多鳴叫特征的定量差異在同物種個(gè)體之間存在顯著變化。也有學(xué)者從信號(hào)類型角度研究了水下生物[5-6]、蝙蝠[7-8]、鳥類[9]、蛙類[10]為代表的兩棲動(dòng)物、哺乳動(dòng)物[11]等的物種識(shí)別、豐度計(jì)算和評(píng)估方式[12]。此外，聲景生態(tài)也關(guān)注整體環(huán)境，自然與人的交互，其中包括動(dòng)物聲音、植物聲音、環(huán)境聲音等多方面對(duì)人的改變[13]。Farina[14]認(rèn)為地球物理聲、生物聲和人為聲是動(dòng)物用來導(dǎo)航、交流以及將未知環(huán)境轉(zhuǎn)化為熟悉棲息地的重要線索，聲音可以通過自主音頻記錄設(shè)備記錄，并作為定量指標(biāo)而被用來評(píng)估生物多樣性、環(huán)境健康和人類福祉。Do Nascimento等[15]在巴西羅賴馬州Viruá國家公園的研究證明聲景指數(shù)可以用來預(yù)測不同生境類型，并且提出聲景與植被結(jié)構(gòu)的最佳關(guān)聯(lián)指標(biāo)為聲音均勻度指數(shù)（AEI）和偏度指數(shù)（SKEW）；聲學(xué)指數(shù)是一種快速化解釋的工具，在進(jìn)行環(huán)境成因分析方面具有優(yōu)勢(shì)。Fuller等[16]在澳大利亞破碎森林中的研究，提出可以作為研究區(qū)域生態(tài)監(jiān)測工具的三個(gè)指標(biāo)為聲熵指數(shù)（H）、聲音均勻度指數(shù)（AEI）和標(biāo)準(zhǔn)化聲景差異指數(shù)（NDSI），它們與景觀特征、生態(tài)條件和鳥類物種豐富度相關(guān)性最高。Gasc等[17]認(rèn)為應(yīng)用聲景生態(tài)學(xué)的重點(diǎn)在于開發(fā)基于聲景的干擾指標(biāo)，其可以適用于不同生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境條件。此外，Buxton等[18]通過對(duì)36個(gè)最具指示性的指數(shù)建模，發(fā)現(xiàn)聲景指數(shù)模型能準(zhǔn)確預(yù)測生物聲的高多樣性和低多樣性，對(duì)于中等多樣性的預(yù)測可靠性有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

近年來，聲景生態(tài)的研究在國內(nèi)呈現(xiàn)出火熱的趨勢(shì)。肖治術(shù)等[19]闡述了現(xiàn)代生物聲學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵和學(xué)科特征，總結(jié)了動(dòng)物生物聲學(xué)、生態(tài)聲學(xué)、水下生物聲學(xué)、環(huán)境生物聲學(xué)、保護(hù)生物聲學(xué)、計(jì)算生物聲學(xué)在生物多樣性領(lǐng)域的應(yīng)用前景。許曉青等[20]綜述了聲學(xué)手段輔助自然保護(hù)地生物多樣性監(jiān)測現(xiàn)狀及應(yīng)用建議，指出了聲學(xué)監(jiān)測的優(yōu)劣勢(shì)。多名學(xué)者從指數(shù)與動(dòng)物多樣性、生境質(zhì)量、動(dòng)物活躍性之間關(guān)聯(lián)的方向和程度方面進(jìn)行了研究[21-22]。此外，也有研究聚焦于機(jī)器學(xué)習(xí)以及鳴聲數(shù)據(jù)庫在聲學(xué)監(jiān)測中的運(yùn)用[23]。

總之，聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢(shì)：（1）被動(dòng)式聲學(xué)監(jiān)測技術(shù)有助于解決目前遇到的長時(shí)間、大面積、全物種動(dòng)態(tài)監(jiān)測難題；（2）整合生態(tài)學(xué)、信息科學(xué)、人工智能手段，探究生物多樣性時(shí)空分布格局，在時(shí)間、物種、區(qū)域、經(jīng)濟(jì)成本等尺度上滿足生物多樣性調(diào)查的需求。但該技術(shù)還有待于在大量的自然保護(hù)地中被驗(yàn)證與應(yīng)用?；诖?，本研究以黃龍自然保護(hù)區(qū)（一期）聲紋研究回答以下幾個(gè)科學(xué)問題：（1）聲紋監(jiān)測技術(shù)在物種識(shí)別方面是否更加有效；（2）聲學(xué)指數(shù)在不同的環(huán)境條件下的適用性。

1 研究區(qū)域和方法

黃龍自然保護(hù)區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)，是世界自然遺產(chǎn)地。其獨(dú)特的地質(zhì)景觀由彩池、雪山、峽谷、森林4大景觀構(gòu)成，各類物種資源豐富，是重要的生物多樣性保護(hù)單元。黃龍自然保護(hù)區(qū)總面積14 601 hm2，包含一般控制區(qū)面積1 516 hm2，核心保護(hù)區(qū)面積13 091 hm2。區(qū)內(nèi)一部分是大熊貓的棲息地，大熊貓國家公園黃龍園區(qū)總面積53 301 hm2，一般控制區(qū)面積6 733 hm2，核心保護(hù)區(qū)面積46 568 hm2。從目前紅外相機(jī)監(jiān)測的大熊貓軌跡看，大熊貓的活動(dòng)非常頻繁。對(duì)鳥類群落的監(jiān)測也從側(cè)面反映大熊貓這個(gè)傘護(hù)種帶來的傘護(hù)效應(yīng)。另一方面，監(jiān)測區(qū)域是棕頭歌鴝已知的極少數(shù)繁殖地之一，人類對(duì)這種神秘的鳥類還是知之甚少。本研究為了解其種群動(dòng)態(tài)提供了一種新的監(jiān)測手段。

近10年來黃龍已基本形成了生物多樣性監(jiān)測的基礎(chǔ)。然而，與其他保護(hù)地類似，黃龍自然保護(hù)區(qū)生物多樣性保護(hù)工作普遍面臨生物物種資源數(shù)據(jù)庫信息缺乏、監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)不完善、調(diào)研工作實(shí)施難度大、投入資金有限等問題。目前黃龍自然保護(hù)區(qū)主要運(yùn)用的是紅外相機(jī)監(jiān)測，對(duì)于大熊貓等旗艦物種具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于鳥類等的監(jiān)測還存在一定的局限性。因此，需要結(jié)合綜合監(jiān)測工具的方式，通過多源數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步完善物種的監(jiān)測?；邳S龍自然保護(hù)區(qū)在生物多樣性監(jiān)測中的重要地位以及黃龍自然保護(hù)區(qū)作為景區(qū)在不同人為影響程度下具有一定代表性的特點(diǎn)，針對(duì)目前監(jiān)測存在的問題，本研究采取被動(dòng)式監(jiān)測的方式，對(duì)黃龍自然保護(hù)區(qū)的鳥類時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測并驗(yàn)證聲學(xué)監(jiān)測和聲學(xué)指數(shù)的適用性。

1.1 設(shè)備布設(shè)與數(shù)據(jù)采集、處理

為了加強(qiáng)對(duì)生物聲的采集，本研究選取了靈感科技國產(chǎn)被動(dòng)監(jiān)測設(shè)備L-bird，該設(shè)備具有全向麥克風(fēng)，可以24 h記錄聲音，其分辨率為16 bit。以每小時(shí)錄制前10 min休眠，用時(shí)50 min的方式進(jìn)行采樣，音頻文件通過4G網(wǎng)絡(luò)回傳到數(shù)據(jù)終端，采樣率為44.1 kHz。采樣時(shí)間為2023年4月29日–6月7日，包含完整的一個(gè)月數(shù)據(jù)并覆蓋五一黃金周，共記錄音頻6 303 min。

考慮自然保護(hù)地土地覆蓋情況、冬季鳥類游蕩性強(qiáng)的特點(diǎn)，以及4G網(wǎng)絡(luò)和太陽能供電需求，本研究選擇在自然保護(hù)區(qū)中核心保護(hù)區(qū)內(nèi)的張家溝和核心保護(hù)區(qū)外的黃龍景區(qū)各布設(shè)一臺(tái)設(shè)備（圖1）。張家溝擁有豐富的生物多樣性資源，作為嚴(yán)格保護(hù)區(qū)，其受到較少的干擾和破壞，可以更好地反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的自然狀況。偶爾產(chǎn)生的人為利用影響為放牧影響。在核心保護(hù)區(qū)張家溝中，生物聲（主要是鳥類和蛙類等動(dòng)物發(fā)出的聲音）是主要的監(jiān)測對(duì)象，這些生物聲是生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要指標(biāo)。而作為非保護(hù)區(qū)的黃龍景區(qū)則是人類活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域，該點(diǎn)位受到的人為利用噪聲包含游客的喧嘩、交談、腳步聲以及外放錄音機(jī)所產(chǎn)生的噪聲（表1）。通過兩者的對(duì)比，可以看出人為利用強(qiáng)度對(duì)鳥類多樣性的影響。

表1 設(shè)備布設(shè)選點(diǎn)環(huán)境條件、主要聲源、人為影響程度Tab. 1 Environmental conditions, main sound sources, and human impact degree of equipment location

圖1 設(shè)備布設(shè)位置和實(shí)景照片F(xiàn)ig. 1 Equipment layout

本研究通過傳統(tǒng)樣線樣方調(diào)查結(jié)合聲紋檢測的方式，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)黃龍自然保護(hù)區(qū)的生物物種的監(jiān)測。在實(shí)地調(diào)查工作包括了鳥類調(diào)查和植被調(diào)查，對(duì)于鳥類調(diào)查樣線設(shè)置，選取張家溝與黃龍景區(qū)兩條樣線，每條長度2 km，沿著樣線以1.5 ～2 km/h的速度行進(jìn)，記錄兩側(cè)50 m范圍內(nèi)觀察到或聽到的野生鳥類種類和數(shù)量。每條樣線在早上和傍晚各調(diào)查一次。對(duì)于植被調(diào)查，分別選取20 m×20 m、5 m×5 m、1 m×1 m的樣方，進(jìn)行了植物種類、高度、蓋度、數(shù)量、冠幅、胸徑、物候期、所屬層級(jí)等數(shù)據(jù)的記錄。

1.2 研究方法

本文采用了聲紋監(jiān)測法和樣線樣點(diǎn)采樣法兩種方式對(duì)張家溝和黃龍景區(qū)進(jìn)行了物種識(shí)別調(diào)查與分析：在兩條監(jiān)測樣線附近進(jìn)行采樣，并對(duì)采集的樣本進(jìn)行分類和數(shù)據(jù)分析，并計(jì)算香農(nóng)多樣性指數(shù)（H），見公式（1）。式中，Ln為自然對(duì)數(shù)，Pi為由物種i組成的整個(gè)群落的比例。

在完成聲紋數(shù)據(jù)處理與分離后，采用卷積神經(jīng)動(dòng)物網(wǎng)絡(luò)（CNN）技術(shù)提取聲音的時(shí)頻特征，并將其轉(zhuǎn)化為可以輸入到分類器中的向量，通過大量物種聲音數(shù)據(jù)為輸入進(jìn)行模型訓(xùn)練以及物種識(shí)別，最終結(jié)合大數(shù)據(jù)爬取和專家知識(shí)圖譜的方式對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行復(fù)核和校驗(yàn)（圖2）。為了更加直觀顯示數(shù)值變動(dòng)表現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)位鳥類鳴聲的時(shí)空分布規(guī)律，本研究通過Tableau進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化，在環(huán)形熱圖中以顏色變化來展示數(shù)據(jù)分布情況，其清晰地顯示出不同時(shí)間段內(nèi)張家溝核心區(qū)和黃龍景區(qū)緩沖區(qū)的生物聲和人為聲的情況，并用曲線可視化表達(dá)鳥類鳴聲規(guī)律。此外，利用點(diǎn)狀圖對(duì)周圍單位的聲學(xué)指數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值以及方差進(jìn)行表達(dá)，直觀反映指數(shù)的波動(dòng)和變異程度。本研究通過R軟件計(jì)算了經(jīng)典指數(shù)ACI、ADI、H、BIO、NDSI、AEI（表2），以進(jìn)一步研判指數(shù)所闡釋的生態(tài)學(xué)意義以及背后的成因。

表2 指數(shù)計(jì)算公式及其生態(tài)學(xué)意義Tab. 2 Formula for index calculation and its ecological significance

圖2 聲紋數(shù)據(jù)處理流程Fig. 2 Voiceprint data processing process

2 研究結(jié)果

2.1 聲紋監(jiān)測與樣點(diǎn)樣線在物種識(shí)別上的差別

經(jīng)樣線調(diào)查分析，2條樣線4次調(diào)查共記錄鳥類19種，其中黃龍景區(qū)12種，張家溝12種，5種為2條樣線均有記錄。國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物2種：橙翅噪鹛和喜山鵟；中國特有種1種：橙翅噪鹛。記錄數(shù)量最多的鳥類前5位分別為煙腹毛腳燕、戴菊、霍氏旋木雀、黑冠山雀和橙翅噪鹛（圖3）。

圖3 鳥類實(shí)地調(diào)查照片F(xiàn)ig. 3 Field survey photos of birds

收集了兩臺(tái)聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備經(jīng)AI識(shí)別和人工復(fù)核的數(shù)據(jù)，共篩選出高置信度鳥類鳴聲2 973條，共識(shí)別出鳥類43種，隸屬于2目16科；其中兩處共有的鳥類16種。國家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物2種：橙翅噪鹛和大噪鹛。鳴聲數(shù)量最多的鳥種前5位分別為橙翅噪鹛、烏嘴柳鶯、棕眉柳鶯、銹胸藍(lán)姬鹟和黃眉柳鶯。為了進(jìn)一步確定鳥類的多樣性，計(jì)算香農(nóng)多樣性指數(shù)，結(jié)合物種判斷多度。

對(duì)兩種監(jiān)測方法下的調(diào)查結(jié)果比較分析（表3），發(fā)現(xiàn)從物種角度聲紋監(jiān)測已經(jīng)展現(xiàn)出了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。聲學(xué)監(jiān)測得到的物種數(shù)（43種）多于4次樣線調(diào)查得到的物種數(shù)（19種）。樣線調(diào)查的19種中有11種在聲學(xué)監(jiān)測中也記錄到了。將兩種監(jiān)測方式進(jìn)行對(duì)比，能明顯確定的是黃龍景區(qū)和張家溝在聲紋監(jiān)測中記錄了更多的鳥類種數(shù)和個(gè)體數(shù)。比較其與樣點(diǎn)樣線方法在物種識(shí)別上的差別，發(fā)現(xiàn)雖然通過兩種研究方法得到的規(guī)律相似，但使用聲學(xué)檢測技術(shù)分析得到的種數(shù)和個(gè)體數(shù)量均遠(yuǎn)超樣線樣點(diǎn)調(diào)查法所得結(jié)果，顯示出較高的準(zhǔn)確性。因此，聲紋庫和訓(xùn)練模型是影響物種識(shí)別精準(zhǔn)性的重要因素之一，而深度學(xué)習(xí)算法則是實(shí)現(xiàn)高精度物種識(shí)別的關(guān)鍵。

表3 兩種監(jiān)測方式調(diào)查結(jié)果Tab. 3 Investigation results of two monitoring methods

2.2 不同程度人為利用影響下的鳥類聲景時(shí)空分布對(duì)比

選擇了代表物種豐富度的BIO（圖4，圖5），代表人為影響與生物聲的NDSI（圖6，圖7），以及反映聲音豐富度的ACI（圖8，圖9）進(jìn)行兩個(gè)點(diǎn)位的指數(shù)計(jì)算，并用環(huán)形熱圖的形式進(jìn)行可視化。通過對(duì)比BIO指數(shù)數(shù)值可知，黃龍景區(qū)（代表人為干擾較大）的鳴聲高峰與張家溝（代表幾乎無人為聲干擾）存在一致性，高峰都發(fā)生在6:30–9:30左右，但由于黃龍景區(qū)人為影響因素較強(qiáng)，黃龍景區(qū)內(nèi)（緩沖區(qū)）的鳴聲高峰持續(xù)的時(shí)間較張家溝（核心區(qū)）更短，大約在8:30左右結(jié)束。通過識(shí)別張家溝這個(gè)時(shí)段最多的是橙翅噪鹛、鷦鷯、銹胸藍(lán)姬鹟、烏嘴柳鶯。結(jié)合鳥類活動(dòng)節(jié)律曲線（圖10）來看，以烏嘴柳蔭為例的鳥類鳴聲整體呈現(xiàn)早晚兩個(gè)活動(dòng)高峰，符合森林生境下的鳥類活動(dòng)規(guī)律，但曲線波動(dòng)較大。但因監(jiān)測密度較低、監(jiān)測周期較短，總體有效數(shù)據(jù)量較少，日活動(dòng)節(jié)律的規(guī)律性不夠明顯，存在偶然記錄。

圖4 黃龍景區(qū)BIO值Fig. 4 BIO value of the scenic area

圖5 張家溝BIO值Fig. 5 BIO value of Zhangjiagou

圖6 黃龍景區(qū)NDSI值Fig. 6 NDSI value of the scenic area

圖7 張家溝NDSI值Fig. 7 NDSI value of Zhangjiagou

圖8 黃龍景區(qū)ACI值Fig. 8 ACI value of the scenic area

圖9 張家溝ACI值Fig. 9 ACI value of Zhangjiagou

圖10 鳥類日活動(dòng)節(jié)律Fig. 10 Bird activity rhythm on a daily basis

NDSI指數(shù)反映了生物聲和人類聲的影響。在環(huán)形熱圖中，紅色部分代表的是生物聲，藍(lán)色部分代表人為聲。張家溝和黃龍景區(qū)相比，在某些時(shí)段，生物聲更為主導(dǎo)，但是作為黃龍景區(qū)的緩沖區(qū)，幾乎沒有生物聲主導(dǎo)的時(shí)間。從聲音豐富度角度講，5月1日–9日，黃龍景區(qū)ACI的值變化波動(dòng)較大，頻譜顯示這一段時(shí)間產(chǎn)生了更為豐富的聲音變化和波動(dòng)，從時(shí)間上看，正好與黃金周黃龍景區(qū)的高到訪率吻合。

3 討論

3.1 黃龍自然保護(hù)區(qū)的鳥類時(shí)空規(guī)律

對(duì)兩個(gè)點(diǎn)位的聲學(xué)指數(shù)BIO、NDSI、ACI數(shù)值進(jìn)行可視化表達(dá)，比較發(fā)現(xiàn)黃龍景區(qū)內(nèi)，鳥類的空間活躍度由于不同人為利用梯度而呈現(xiàn)差異；共性是時(shí)間節(jié)律上呈現(xiàn)早晚兩個(gè)活動(dòng)高峰的現(xiàn)象，黃龍景區(qū)（代表人為干擾較大）的鳴聲高峰與張家溝（代表幾乎無人為聲干擾）存在一致性，高峰都發(fā)生在6:30至9:30左右，但由于黃龍景區(qū)人為影響因素較強(qiáng)，黃龍景區(qū)內(nèi)（緩沖區(qū)）的鳴聲高峰持續(xù)的時(shí)間較張家溝（核心區(qū)）更短，大約在8:30左右結(jié)束。人聲干擾程度會(huì)降低鳴聲高峰的持續(xù)時(shí)間。

3.2 指數(shù)運(yùn)用的適用性

鑒于單個(gè)物種識(shí)別的難度挑戰(zhàn)以及精細(xì)化探索產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，越來越多研究走向了數(shù)據(jù)可以被相對(duì)快速、大批量處理的聲景指數(shù)評(píng)估。但聲景指數(shù)的計(jì)算不考慮單個(gè)物種，在監(jiān)測中要求必須嚴(yán)格理解指數(shù)與生物多樣性真實(shí)測量值間的關(guān)系，即通過其他方式收集的生物群落信息對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。目前尚未形成對(duì)指數(shù)普適性應(yīng)用場景的綜合性研究，對(duì)于聲景指數(shù)的可擴(kuò)展性和廣泛適用性還存在一些爭議。

盡管如此，聲景指數(shù)仍可以被用作突顯或過濾某些聲源的指標(biāo)以幫助監(jiān)測數(shù)據(jù)的篩選和排除。由于每種聲源的特性不同，一些聲源的變化和浮動(dòng)可以在聲學(xué)指數(shù)中反映出來。例如鳥類群落的高頻快速鳴叫相比于汽車飛機(jī)等恒定頻率的人為噪聲，在ACI中會(huì)產(chǎn)生更高值[29]。本研究通過抽樣一周的聲學(xué)指數(shù)驗(yàn)證，張家溝與黃龍景區(qū)的聲紋特征形成較為鮮明的對(duì)比（圖11，圖12），黃龍景區(qū)內(nèi)各聲學(xué)指數(shù)以周為單位波動(dòng)較小，但張家溝（核心區(qū)）以周為單位的聲學(xué)指數(shù)波動(dòng)都較大。其原因可能是張家溝（核心區(qū)）幾乎是處于無人為打擾的狀態(tài)，一定程度上會(huì)導(dǎo)致聲學(xué)反映更為靈敏，指數(shù)的變異性更大。

圖11 黃龍景區(qū)各指數(shù)變化情況Fig. 11 Changes in each index of the scenic area

圖12 張家溝各指數(shù)變化情況Fig. 12 Changes in each index of Zhangjiagou

由于單個(gè)樣點(diǎn)的環(huán)境特征基本不變，聲景指數(shù)可以通過不同時(shí)間序列的數(shù)值大小比較來判斷不同時(shí)間切片下動(dòng)物群落的聲音活動(dòng)和干擾前后的聲景變化，未來可針對(duì)氣候變化，物種入侵，人為活動(dòng)干擾[30-31]，管理部門保護(hù)工作干預(yù)成效等因素對(duì)保護(hù)地所面臨問題進(jìn)行具體分析。

4 展望

本文以黃龍自然保護(hù)區(qū)為例，基于為期一個(gè)月的6 303 min的聲音數(shù)據(jù)采集作為試驗(yàn)，通過物種識(shí)別結(jié)合聲音指數(shù)分析的方式，選擇了人為干擾兩種不同梯度條件下的鳴聲特征進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)了鳴聲特征的一般規(guī)律，證實(shí)了聲紋監(jiān)測的有效性，聲學(xué)指數(shù)的使用特征，并希望未來在物種識(shí)別能力、時(shí)空規(guī)律揭示方面產(chǎn)生更新的突破。未來的研究將在以下兩方面進(jìn)行突破：

（1）物種識(shí)別的精準(zhǔn)性進(jìn)一步提升。本研究完成了岷山地區(qū)鳥類聲紋庫建立，通過大數(shù)據(jù)爬取和專家知識(shí)圖譜的方式進(jìn)行了核驗(yàn)，此工作融合了專家知識(shí)與大數(shù)據(jù)，具有不可替代性。該數(shù)據(jù)庫包含了從xeno-canto.org開源數(shù)據(jù)收集的82 406條聲音數(shù)據(jù)。從已經(jīng)收集得到6 303多條數(shù)據(jù)中選取了置信度較高的2 973條進(jìn)行物種標(biāo)簽識(shí)別。通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合人工辨識(shí)，建立了初步的置信度較高的黃龍鳥類聲紋識(shí)別模型。有研究表明，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助聲學(xué)監(jiān)測可以保證物種識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到94%[32]，但還應(yīng)通過語圖樣本集的建立和計(jì)算對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率[33]。

（2）通過聲紋識(shí)別輔助生物多樣性保護(hù)與管理。通過黃龍自然保護(hù)區(qū)的聲紋與生物多樣性研究，已經(jīng)初步證實(shí)了聲紋技術(shù)的有效性。未來將在如何通過聲紋技術(shù)輔助保護(hù)地管理方面進(jìn)一步努力，結(jié)合對(duì)自然保護(hù)地的已有研究基礎(chǔ)[34-35]，對(duì)人為產(chǎn)生的影響定量化分析，從而更為精準(zhǔn)地對(duì)保護(hù)地的人為影響進(jìn)行管控，更好地實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)與地方發(fā)展。

注：文中圖表均由作者自繪/攝。