文｜李迪強 劉芳 賈茹 張國鋼 唐小明

1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所

2.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所

一、引言

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

北斗定位技術和短報文技術已經(jīng)廣泛應用，采用自主研制的北斗衛(wèi)星通信技術，成為解決野生動物研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟欢x擇。通過北斗衛(wèi)星定位和短報文將有效地解決偏遠地區(qū)監(jiān)測設備定位和數(shù)據(jù)回傳問題，短報文可以將數(shù)據(jù)及時傳回，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測野生動物的活動情況，極大提高野生動物監(jiān)測的實效性、可行性。本文結合已有的研究和監(jiān)測工作，在綜述應用場景和關鍵技術之后，對北斗在野生動物研究和保護中的應用進行了展望?；诒倍范ㄎ弧⒒ヂ?lián)網(wǎng)等技術實現(xiàn)野生動物實時跟蹤、巡護、棲息地環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測等業(yè)務，提升野生動物保護水平。

二、野生動物保護北斗終端研制

結合北斗導航定位技術，遙感、GIS定位技術，無線信號定位技術，傳感器定位技術，傳感器數(shù)據(jù)采集技術等多種技術組合，根據(jù)野生動物保護不同業(yè)務要求，研制了9類野生動物保護北斗應用終端，主要包括：巡護型終端、智能型終端、勘界測量型終端、車載型終端、應急指揮型終端、RD通信終端、跟蹤定位終端等。野生動物保護北斗終端解決方案如圖1所示。

圖1 野生動物保護北斗終端解決方案

三、場景應用

1.保護地管理

保護地巡護：利用專門保護地管理APP，實時地位置回傳和相關信息回傳，實時了解保護地管理人員狀況。

生態(tài)監(jiān)測信息和定位信息實時傳輸：保護地監(jiān)測信息包括紅外相機實時監(jiān)控的縮略圖，或者經(jīng)過邊緣服務器識別的野生動物信息、人員信息等，通過短報文實時傳輸給平臺。生態(tài)監(jiān)測信息如水文、氣象、生態(tài)質(zhì)量相關信息傳送給服務器后臺，實現(xiàn)保護地管理信息的實時傳輸。

2.野生動物的追蹤監(jiān)測

利用定位標識器和短報文系統(tǒng)實時將標識動物的位置、生理狀態(tài)信息如體溫、脈搏，運動狀態(tài)等信息實時回傳，通過專門后臺處理平臺，利用APP實時提供這些狀態(tài)，進行系統(tǒng)跟蹤分析（圖2）。

圖2 衛(wèi)星野生動物監(jiān)測和保護應用

衛(wèi)星追蹤器總體結構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物的活動信息；通信模塊將獲得的數(shù)據(jù)傳輸至服務器；永不失效監(jiān)控模塊防止系統(tǒng)死機，確保設備在野外復雜的強干擾環(huán)境中能夠正常工作；數(shù)據(jù)存儲及管理模塊保存系統(tǒng)重要的參數(shù)設置數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)準確。能源模塊由太陽能電池、改進型MPPT控制電路、鋰電池以及節(jié)能優(yōu)化管理模塊組成，采用太陽能和鋰電池結合的能源供給方法：在陽光充足時太陽能電池發(fā)生主導作用，給系統(tǒng)供電以及根據(jù)需求給鋰電池充電；當光照不足無法達到供電及充電條件時，鋰電池為系統(tǒng)供電。

四、平臺應用

建立了基于北斗定位的實時野生動物生態(tài)信息采集系統(tǒng)，監(jiān)測設備中部分設備利用了北斗的短報文數(shù)據(jù)，建立了生物多樣性監(jiān)測的大數(shù)據(jù)處理平臺。生物多樣性監(jiān)測平臺的系統(tǒng)框架由三個層級、七個層面、兩大保障體系共同構成（圖3）。其中三級為國家級、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）級和保護地級。保護地級主要重在生物多樣性監(jiān)測數(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）級主要為轄區(qū)內(nèi)所有保護地綜合信息管理和數(shù)據(jù)分析；國家級主要為全國數(shù)據(jù)綜合分析、數(shù)據(jù)挖掘和決策分析、展示等，為全國保護地有效監(jiān)管提供基礎數(shù)據(jù)。七個層面包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、基礎平臺支撐層、大數(shù)據(jù)資源層、應用層、展示層和用戶層。兩個保障體系包括標準體系和信息安全體系。

圖3 生物多樣性監(jiān)測平臺系統(tǒng)架構

數(shù)據(jù)采集層基于北斗終端等各類設備或人員活動進行信息采集；網(wǎng)絡傳輸層包括北斗短報文、4G無線網(wǎng)絡傳輸、自組網(wǎng)無線傳輸系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)絡以及基于衛(wèi)星的網(wǎng)絡傳輸；基礎平臺支撐層包括標準化機房、云存儲、云計算、大數(shù)據(jù)管理平臺以及地理信息系統(tǒng)平臺等；大數(shù)據(jù)資源層包括由采集終端所提供的各類數(shù)據(jù)；應用層在對生物多樣性監(jiān)測大數(shù)據(jù)進行處理、分揀和分析的基礎上開展多方面的業(yè)務應用；展示層則對應用層的結果進行可視化展示。數(shù)據(jù)采集層和基礎平臺支撐層的選型、采購、安裝為基礎工作，應當快速有效地完成，同時保證其功能的實現(xiàn)。其他五項系統(tǒng)建設工作同步進行，通過數(shù)據(jù)庫的建設完成對數(shù)據(jù)的獲取、管理和分析；通過應用層分類整合和匯集相關業(yè)務信息；結合成熟的軟件開發(fā)技術和系統(tǒng)設計思路，完成應用系統(tǒng)的建設工作，保障系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

通過生物多樣性監(jiān)測平臺的應用，實現(xiàn)：

1）野生動植物保護全量全要素的連接，包括天、空、地連接，軟、硬、數(shù)連接，動物、植物、人連接；

2）實時獲取和匯聚數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)“說話”，讓它們能夠隨時被調(diào)取，甚至不用調(diào)取就主動呈現(xiàn)，成為能夠被用戶看到、感知到的數(shù)據(jù)；

3）實時采取保護行動，獲取野生動物受到威脅等問題，提出保護管理對策。

五、應用案例

1.北斗鳥類遷徙監(jiān)測

為了開展鳥類遷徙監(jiān)測，設計了不同的基于北斗定位追蹤器（圖4），創(chuàng)新性設計了追蹤器的外殼形狀（適宜于鳥類飛行特點）、太陽能板充電模式（多重充電，針對森林鳥類充電不足）等，為成功獲得候鳥遷徙路線提供技術保障。開發(fā)了北斗定位和電信傳輸鳥類定位器和北斗短報文定位器，開展了多種鳥類的研究。針對不同動物種類體重和大小設計了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、揚子鱷、企鵝、蝙蝠等13000多個動物個體（圖5），設備在野外能穩(wěn)定運行最長時間超過7年，采集有效數(shù)據(jù)5000多萬條。

圖4 四種基于北斗的鳥類追蹤器

圖5 佩戴北斗定位器的赤頸鴨

2.野駱駝監(jiān)測應用

野駱駝生存的荒漠戈壁處于無人區(qū)，因其生性機警、遠離人類，給了解和認識野駱駝帶來了極大的困難。在羅布泊阿奇克谷地和庫姆塔格沙漠交界處，開展了野駱駝佩戴衛(wèi)星定位項圈。這種衛(wèi)星跟蹤項圈可以利用GPS的定位功能確定野駱駝的位置，并通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳回位置數(shù)據(jù)以及當時的溫度、氣壓等環(huán)境信息。目前，我國北斗系統(tǒng)的短報文功能，也能夠完成定位數(shù)據(jù)及其他信息傳輸?shù)哪芰Α４送?，項圈還具有自動脫落功能，可以根據(jù)需要，通過指令使項圈自動脫落。脫落后的項圈可回收后繼續(xù)使用。通過北斗定位的野駱駝研究，可以了解野駱駝的活動節(jié)律、活動范圍與遷徙途徑（圖6 -圖7）。關鍵棲息地研究可解決不同駱駝群之間的聯(lián)系廊道問題、是不是能穿越沙漠的問題，解決了繁殖、交配、產(chǎn)子等關鍵棲息地選擇問題，為野駱駝保護提供了關鍵信息。對人為活動影響進行系統(tǒng)研究，提出野駱駝保護關鍵措施。

圖6 通過定位器獲取的野駱駝活動軌跡

圖7 為野駱駝安裝北斗定位器

六、結語

北斗定位已經(jīng)廣泛應用到生物多樣性監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)中，基于北斗定位的移動終端廣泛應用于野生動物的調(diào)查研究、巡護與自然保護區(qū)管理等數(shù)據(jù)采集過程中。

基于北斗定位的野生動物數(shù)據(jù)采集生物多樣性大數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)建成。針對野生動物監(jiān)測和保護需求，通過北斗項圈、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等設備監(jiān)測采集野生動物活動、行為和環(huán)境信息，實現(xiàn)對野生動物和自然保護地智慧監(jiān)管，為保護效果提供綜合分析與評估數(shù)據(jù)支撐，建立以野生動物管理為核心的決策平臺。

很多新設備有待進一步研發(fā)，研發(fā)基于圖像和視頻野生動物識別的紅外相機，利用人工智能物種識別，利用北斗短報文傳輸野生動物出現(xiàn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對自然保護區(qū)、特別是野生動物和人為干擾智能化監(jiān)測、調(diào)查與管理。