潘 杰，王召根，邢曉勇，朱錫峰
（1.江蘇鎮江長江豚類省級自然保護區管理處，江蘇 鎮江 212000；
2.江蘇金坤信息工程有限公司，江蘇 鎮江 212000）
自然保護區是自然保護地體系建設的基礎和生物多樣性保護的重要手段。江蘇省委辦公廳、江蘇省政府辦公廳《關于建立健全自然保護地體系的實施意見》提出要“開展自然保護地綜合監測，掌握自然保護地內的自然要素和人類活動變化情況。依托自然資源和生態環境監測結果和大數據分析等現代化技術手段，構建智慧自然保護地”。近年來，隨著5G、大數據、物聯網、無人機、AI 等高新技術發展水平不斷提高，為保護區智慧化建設奠定了技術基礎[1]。江蘇鎮江長江豚類省級自然保護區以“守護長江生態、監測長江江豚、提升管控能力”為管控目標，立足主流業務和需求分析，堅持高起點規劃、高標準建設，對保護區業務建設進行整體布局實現。構建保護區智慧監管平臺，動態監管鎮江豚類保護區重要生態岸線及陸域洲灘，跟蹤拍攝長江江豚及其他國家重點保護鳥類活動軌跡，構建全要素、多方位、實時動態的保護區智能監控體系。
江蘇鎮江長江豚類省級自然保護區位于鎮江市丹徒區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區。保護區的主要保護對象為白鱀豚、長江江豚以及重要的濕地動植物資源。保護區生態系統完整，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學意義[2]。最新的生態科學考察共記錄野生動植物946 種，其中國家一級保護野生動植物4 種；
國家二級保護野生動植物37 種；
長江江豚種群數量26 頭，約占長江江蘇段總數的21.3%。保護區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，保護區內已發現鳥類194 種，其中白鶴、東方白鸛、青頭潛鴨等國家重點保護鳥類達32 種。
2.1 建設背景
江蘇鎮江長江豚類省級自然保護區總面積57.3 km2，其中水域面積占比79.1%，陸域面積占比20.9%。洲灘濕地區域交通不便，巡護人員難以到達，野外巡護存在監測盲區。長江江豚為水生動物，約有95%以上時間在水下活動，依靠傳統目視觀察，很難獲得全面準確的數據。系統建成以前，保護區主要依靠巡護船、巡護車開展日常野外巡護。巡護人員配備無人機、手持GPS 及望遠鏡、相機、觀鳥鏡等觀測記錄設備。總體來看，系統建成前，鎮江豚類省級自然保護區絕大部分區域停留在人防階段，信息化建設整體水平較低，保護區監測存在覆蓋面不足、監測難度高、巡護手段單一等問題。
2.2 建設思路
智能化建設貫穿保護區各項業務，將大數據、人工智能等技術手段與保護區業務知識及應用體系深度融合，形成業務管理、資源監管、科研監測、科普宣教、評價評估、決策指揮等多種業務應用（圖1）。平臺基于SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務架構）設計思想，采用數據、管理、服務、應用相分離的架構原則，在保持靈活性和擴展性的前提下，實現保護區相關數據的整合、管理和網絡化共享的在線服務，實現保護區業務數據互聯互通。
圖1 智能監控系統建設總體結構
圖2 流程示意圖
2.3 建設內容
2.3.1 前端拓撲構成
保護區智能監控系統前端感知設備由岸基攝像機、無人機、傳輸網絡、后端服務器及監控中心構成，涵蓋視頻采集、網絡傳輸、供電、防雷、環境信息采集等。根據保護區長江江豚及鳥類分布情況，選取保護對象活動頻繁的位置布設監控點位，以便于前端攝像機的圖像或視頻抓取，為后端的識別模型提供一手影像資料。前端岸基攝像機按功能分為智能識別攝像機、夜視攝像機、生態監控攝像機3 種。智能識別攝像機對長江江豚和濕地鳥類進行實時監測，并通過后臺AI 模型進行智能分析，完成識別記錄；
本系統采用800 萬像素星光級照度激光云臺攝像機，支持40 倍光學變倍、1 000 m 激光、光學透霧、巡航掃描等功能。夜視攝像機可加強夜晚無光線狀態下的監控，強化夜間活動的動物和違法行為監控；
本系統中采用了800 萬像素黑光球機，支持35 倍光學變焦，250 m 紅外補光，在0.000 4 lx 照度下能顯示彩色圖像。生態監控攝像機對周邊生態環境進行實時監測，同時對非法行為進行抓拍和推送；
本系統采用最高分辨率3 200 萬像素全景拼接攝像機，水平180°超大廣角，適合近距離的全方位監控。在江豚主要出沒頻繁區域部署環境監測系統，自動采集環境數據，實現保護區生態實時監測并開展環境因素對長江江豚的影響研究。
2.3.2 無人機自主巡檢
無人機具有分辨率高、機動性強、使用便利等優點，近年來廣泛應用到保護區巡護和監測等工作中[3]。自主巡檢無人機搭配充電機場，具備自動起降、自主巡航、自動充電功能，實現常態化自主巡檢。本系統采用大疆M300 RTK 無人機，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。掛載23 倍混合光學變焦熱成像鏡頭，集合多類傳感器，直觀呈現可見光與熱成像畫面，可實現廣角、變焦和熱成像相機畫面的快速切換，滿足復雜多樣的作業需求。無人機根據航線和巡檢任務進行日常巡檢，通過后臺邊緣計算技術，可以自主識別非法人類行為和江豚活動信息等，對長江江豚出水進行快速識別并提取和存儲精彩畫面。
2.3.3 平臺建設及服務器部署
開發建設基于GIS 地圖的智慧監管平臺，能夠準確反應保護區地理地貌，實現智能監控和無人機自主巡檢聯動，實時傳輸監測區域的各類數據，進行匯總分析和直觀展示。整合保護區基礎數據資料，對遙感影像、總體規劃、生態監測、基礎設施分布等專題數據進行統一管理。功能模塊包括一張圖展示、數據統計、業務管理、巡護管理、物種捕捉、環境監測等模塊。智慧監管系統平臺展示保護區實時監控畫面，記錄和統計各項監測數據，著力構建科學化、精細化、智能化的智慧自然保護地管理模式。為保障系統運行，本系統配備4 臺服務器，分別為綜合平臺服務器、無人機部署服務器、算力服務器、數據存儲服務器。其中算力服務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獲取的影像資料對長江江豚、鳥類等識別算法進行訓練，實現生物物種及人類活動識別要求。本系統算力服務器配置了2 塊Tesla T4 計算卡。
2.3.4 圖像識別
智慧化建設的重點難點在于對主要保護對象（長江江豚、濕地鳥類等）實現圖像識別，圖像識別技術的基本過程分為信息的獲取、預處理、特征抽取和選擇、分類器設計和分類決策等。本系統建設內容包含識別模型構建、識別模型訓練、識別模型平臺應用三個主要部分。
3.1 全天候監測
黑光級照度攝像機24 h 巡邏拍攝，晝夜圖像效果清晰，畫面實時傳輸至監控平臺。前端監控設備及無人機自主巡檢填補保護區監控盲點，建成長江豚類省級自然保護區“生態哨兵”，實現全天候實時監測，提升自然保護區監管能力。
3.2 資源保護
開發的動物識別模型，能夠準確識別長江江豚及重點保護鳥類，鳥類種類覆蓋保護區已記錄的國家重點保護野生鳥類。保護區管理機構進一步了解物種資源豐富度及分布情況，做到分區分類、精準保護，提高生物多樣性保護能力。
3.3 聯動執法
加強對非法進入、非法捕撈、開發建設等破壞自然保護區行為的主動發現。具備機載喊話器，保護區管理機構可在監控中心第一時間對非法人類活動進行有效制止，提升保護區執法效能。
3.4 科研監測
實時傳輸保護區監測數據并進行匯總分析，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據基礎，提高保護區科研能力。
長江江豚為水生動物，依靠高頻聲學信號進行通信，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，具備較強的可監測特征[4]。近年來，一些科研單位及保護區管理機構已經利用固定聲學系統開展了水下江豚聲學信號的監測和研究。下一步保護區信息化建設中，應加強水下被動聲學監測，可獲取長江江豚的種群數據和分布規律等數據，并監測船舶航行及施工過程中的水下噪聲，另外可嘗試將數字孿生、電子圍欄等新一代信息技術應用于保護區管理，實現保護區三維全景可視化，助力精準保護[5]。
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