基于“智慧保护区”的资源监控系统案例应用研究

王梦犀

(国家林业和草原局昆明勘察设计院，云南 昆明 650216)

“智慧保护区”，即运用高科技智慧“武装”自然保护区，为自然保护区的保护、管理和巡护监测提供智力保障和技术支撑。“智慧保护区”的概念最早由国家林业局“十二五”期间提出的“智慧林业”演变而来，致力于林业信息化水平建设。视频监控系统作为智慧保护区的落地项目，经历了由传统的防火监控向资源监控转变，特别是面临国家机构改革的要求和自然保护区保护的历史使命，以新角度、新使命保护自然资源，将自然保护区内森林、草甸、雪山、河流、湿地资源以及野生动物等资源纳入视频监测保护范围，升级为“智慧保护区”资源监控系统，从而为自然保护区建设提供有效技术支撑。

以雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区(以下简称“大峡谷自然保护区”)五期工程为例，立足多元化的监控对象和复杂的立地条件，从技术层面整合建立一套资源监控系统，为青藏高原“智慧保护区”的建设提供案例实践，具有实际意义。

1 背景

雅鲁藏布大峡谷是举世闻名的世界第一大峡谷，是世界上生物多样性最丰富的山地，被誉为“植被类型的天然博物馆”、“天然的动植物博物馆”、生物资源的基因宝库”。在世界生物多样性保护方面具有极其重要地位。大峡谷自然保护区地处西藏自治区林芝地区，跨墨脱、波密、米林、巴宜4县(区)，地理坐标为北纬29°05′～30°20′，东经94°39′～96°06′，总面积 916 800 hm2，其中核心区面积为 320 000 hm2，缓冲区面积 37 000 hm2，实验区面积 559 800 hm2。自然保护区拥有全部核心区和缓冲区、绝大部分实验区土地的经营权和管理权。其主要保护对象为喜马拉雅—哽日嘎布山脉南翼地区热带北缘湿润山地生态系统和喜马拉雅—哽日嘎布山脉北翼地区亚热带半湿润山地生态系统以及生存于该区的珍稀濒危物种。大峡谷自然保护区记录有高等植物 3 000 多种，约占全国的 1/10，国家重点保护野生植物21种，以墨脱命名的模式种有40多种，在野生动物中，其中哺乳类63种，鸟类232种，爬行类25种，两栖类19种，昆虫2000余种，仅国家重点保护野生动物有40多种，可以看出，无论从生态系统还是从物种多样性或遗传多样性标准来衡量和评价，大峡谷自然保护区无疑是我国生物多样性最为丰富的地区之一。

大峡谷自然保护区通过前四期基础设施的建设，完成了管理局—管理分局—管理站—管理点的建设，配备了管理人员以及交通、通讯等设施，使保护区基础设施初具规模，为保护区资源的有效管理提供了保障。但大峡谷自然保护区的保护面积大、管理任务重、管护人员不足，尤其受所在区域社会经济发展水平和保护区投资规模等条件的限制，信息化建设极为滞后，直接制约着自然保护区的有效保护管理。比如：在资源管理上，保护区的动植物资源及森林资源仅停留在供文本查阅，保护管理人员无法直观获取保护区资源信息；在资源监测上，保护区在日常工作中获取的数据仅进行片面的文字、图像记录，无法形成系统化的数据库；在森林防火上，保护区依靠传统的瞭望台进行观测，难以及时发现热点位置，或者发现后不能及时上报预警信息。随着经济社会的快速发展和科学技术的不断进步，国内越来越多的自然保护区逐步建立了可视化管理系统、智能巡护系统、监测数据管理平台等保护区综合信息管理体系，极大地促进了自然保护区保护管理的有效性、便利性，提升了保护管理成效。因此，要实现总体规划中“保护区典范”的目标[1]，就必须与时俱进，借助先进的视频监控技术、巡护管理技术、监测无人机、综合信息平台等多种技术手段，构建基于“智慧保护区”的资源监控系统来提升保护区资源管护管理和生物多样性保护的能力，加大对保护区资源和保护成果的宣传展示，扩大保护区的社会知名度和影响力，十分必要。

2 资源监控系统总体框架

2.1 智慧保护区的内涵

大峡谷自然保护区“智慧保护区”建设，充分运用云计算、物联网、移动互联网等技术，构建集保护管理、预警防控、生态监测、协调指挥、科普宣教等职能的一体化综合信息管理体系，实现自然保护区资源动态监管、日常巡护、人为活动等数据的信息采集、网络传输、标准化处理、可视化应用，实现自然保护区信息资源共享、政务协同，同时借助公众服务系统对自然保护区管理工作和珍稀资源进行宣传，提升大峡谷自然保护区的生态价值。

“智慧保护区”资源监控系统采用“六横两纵”总体架构，包括感知层、传输层、数据资源层、应用支撑层、应用系统层和展示层6个层面及安全与信息安全体系和综合管理体系(图1)。

图1 资源监控系统总体框架

2.2 资源监控系统的组成

大峡谷自然保护区“智慧保护区”资源监控系统包含4个组成部分：野外视频监控预警模块、野外智能巡护模块、综合监测无人机模块、自然保护区综合信息平台模块。视频监控预警模块通过建立先进的网络视频监测系统，成为记录自然保护区内生态环境、开展科学研究与安全防护的强有力手段；野外智能巡护模块主要是为了加强对自然保护区巡护人员的监测管理和人工数据采集，提高巡护工作的效率和成效；综合监测无人机模块是针对大峡谷自然保护区地域广阔、覆盖面积大、地理环境复杂、气候多变，加之管理巡护人员相对有限等状况，通过无人机对车、人无法到达地带进行森林防火巡护、人为活动及防盗猎行为监测和野生动物监测等；自然保护区综合信息平台模块是自然保护区各类信息系统和服务的统一窗口，综合体现自然保护区建设情况和建设成果，对自然保护区信息进行综合管理和自然宣教(图2)。

3 资源监控系统设计

3.1 野外视频监控预警模块

野外视频监控预警模块作为“智慧保护区”资源监控系统4个组成部分之一，是资源监控系统的核心模块，以资源监测信息为主要对象，以地理信息为基础，基于成熟的传输技术、IP技术的网络视频系统和数字定位技术，集保护区信息管理、资源信息管理、生态建设管理为一体，为自然保护区建设和管理直接服务的基础应用系统。

3.1.1视频监控布局思路

根据大峡谷自然保护区五期工程建设项目的规划和资金限制，以及结合近远期建设的迫切需求和实际情况，在墨脱县、米林县(派镇)、波密县和巴宜区共设置30个野外视频基站(基站附设6个微波中继站)；在林芝市林业局设立市局监控中心，在4个县级管理分局设立分局监控中心。各片区的视频监控图像及信号采用微波(无线)传输方式，传回到各分局监控中心，各分局监控中心通过光纤网络(有线)方式汇总到市局监控中心。市局监控中心采用视频监控管理平台管理，采用大屏显示前端监控视频图像等信息，并集成来自野外智能巡护监测模块和保护区综合信息平台的相关数据和信息。分局监控中心采用小型视频监控管理服务器和显示终端，便于分级管理和总体控制。

图2 资源监控系统拓扑结构

大峡谷自然保护区野外视频监控预警模块的整体传输路径：野外监控点—中继站(如有)—分局监控中心—市局监控中心。具体区域线路分4段。第1段：从墨脱县(保护区)—中继—墨脱分局监控中心；第2段：从巴宜区(保护区)—中继—巴宜分局监控中心；第3段：从米林县(保护区)—中继—米林分局监控中心；第4段：从波密县(保护区)—中继—波密分局监控中心。

3.1.2视频监控拓扑构成

大峡谷自然保护区野外视频监控预警模块由前端智能监测基站、传输网络、后端监控中心构成，涵盖视频采集、信号传输、供电、防雷、预警、精确定位、辅助决策、气象信息采集等。视频监控拓扑构成(2种路径)如图3所示。

1)前端智能监控基站

前端智能监控基站主要包括：重型数字云台、可见光高清摄像机、热成像高清摄像机、设备自身的防盗报警系统、太阳能供电系统、5.8G无线数字微波系统、基站控制系统、铁塔、防雷接地系统等构成，是野外视频监控预警系统的前端视频图像采集、自动报警和自动定位数据采集的重要站点。

大峡谷自然保护区的前端智能监控基站共30套，每个基站新建铁塔15 m，主要布设在视野开阔的山顶或河谷区域，大范围广视距的24 h巡航监控，不间断地保护大峡谷自然保护区内森林、草甸、雪山、河流、湿地资源以及野生动物资源，防止人员流动进入自然保护区带来的破坏和干扰；由于自然保护区野外的电网供电条件较差，但高原地区光照条件较好，野外供电均采用小型光伏供电系统。铁塔由当地铁塔公司负责建设和维护，设备由设备厂家负责安装、调整和后期免费维护。

图3 视频监控拓扑结构

2)传输网络

传输网络采用基于IP网络的数字化传输网络，网络主要包括：有线光缆和无线数字网桥系统2种方式，有线光缆由单模多芯光缆和光纤收发器构成，无线数字微波系统由前端数字网桥系统、数字网桥中继系统、监控中心机房数字网桥系统构成，传输网络是实现前端监测点视频图像、数据采集传输到监控中心机房的必须链路，是构成视频监控模块的重要组成部分。

大峡谷自然保护区的野外传输网络属于远距离传输，优先采用5.8 G无线数字微波系统，抗干扰能力强，而且不受限于地形地势，一次性投入，施工简便，维护成本低，图像实时传输、清晰；分控制中心通过政务网接入市局监控中心[2]，采用有线光缆，传输信号稳定。

3)后端监控中心

大峡谷自然保护区的视频监控后端监控中心由无线数字网桥系统、视频联网监测管理平台软件、GIS管理平台软件、PC服务器、磁盘阵列、视频矩阵、监测计算机、指挥中心大屏幕构成，通过传输网络实现资源智能监测的数据采集、分析、自动定位、自动报警、指挥调度等功能，可实现工作人员日常在监控中心对资源进行远程集中监测和管理。

3.2 卫星导航和野外智能巡护模块

卫星导航和野外智能巡护模块作为“智慧保护区”资源监控系统4个组成部分之一，是资源监控系统的辅助模块，采用巡护管理手持设备配套巡护管理、卫星导航、数据采集，在巡护过程中随时上报问题，接收、核实、核查任务。通过对巡护人员的出勤及野外作业情况进行规范化管理，提供巡护人员在巡护过程中填报“巡护记录”、“巡护日记”和“巡护数据收集表”等功能，实现对各管护站巡护计划执行、巡护报告填写、生物资源保护情况检查、巡护工作监督等，提高巡护工作效率，保护管理好保护区自然资源，保证各种灾害和有害的人为经济活动得到及时反馈，同时保证巡护人员的人身安全。

大峡谷自然保护区资源监控系统的卫星导航和野外智能巡护模块分为巡护监管子系统和野外采集子系统。巡护监管子系统主要针对巡护人员的巡护监管，包括标准化作业管理、卫星导航服务、巡护管理、用户管理等。野外采集子系统主要针对环境要素的监测，如地面自动气象站、空气负离子监测仪、在线水位测定等，包括终端信息采集、监测数据处理、无线传输模块等(图4，图5)。

3.3 综合监测无人机模块

综合监测无人机模块作为“智慧保护区”资源监控系统4个组成部分之一，是资源监控系统的扩展模块，即利用无人机成熟的技术和产品，在对车、人无法到达地带进行资源环境监测、森林火灾监测、人为活动监测等。

大峡谷自然保护区地域广阔，覆盖墨脱、米林、波密、巴宜4县(区)，其中，雅鲁藏布大峡谷长504.9 km，平均深度 5 000 m，最深处达 6 009 m，是世界第一大峡谷。整个峡谷地区冰川、绝壁、陡坡、泥石流和巨浪滔天的大河交错在一起，环境十分恶劣，许多地区至今无人涉足。由于覆盖面积大、地理环境复杂、气候多变等因素成为保护区全域综合管理的桎梏，限制了自然保护区开展日常巡护、野外调查、科研监测等工作。因此，大峡谷自然保护区五期工程为墨脱、米林、波密、巴宜4个县级管理分局和市管理局共配备5台小型民用综合监测无人机(图6)。

图5 野外智能巡护模块拓扑结构

大峡谷自然保护区资源监控系统的综合监测无人机模块，运用无人机综合监测平台，搭载红外可见光监测摄像机、林业综合数据分析处理软件等，可将监测数据实时传输至地面监测工作站，实现对森林火灾的及时识别、定位、动态监测，对进出自然保护区内人员活动、人为干扰、偷盗猎、盗伐林木等行为调查取证[3]，以及通过遥感影像数据积累、人工判读等，调查野生动物活动轨迹、重要植物物种生长区域、主要植被类型分布地带、森林病虫害演变趋势、外来入侵物种分布状况等生态环境变化因子，为自然保护区生物多样性管理和巡护监测起到重要的支持作用。

3.4 自然保护区综合信息平台模块

自然保护区综合信息平台模块作为“智慧保护区”资源监控系统4个组成部分之一，是资源监控系统的扩展模块，包括网站建设、自然环境和资源综合可视化管理系统、资源监测数据管理系统、规范化管理系统、生态资源公众服务。

网站建设，即建设大峡谷自然保护区的官方网站，以实现宣传自然保护区，提升自然保护区形象，促进保护管理工作，更好地提供公众服务等目的。自然环境和资源综合可视化管理包括保护区基础信息管理、综合数据分析、生态影像管理、规划决策、监测巡护管理、实时视频监测管理、无人机监测管理。资源监测数据管理是针对大峡谷自然保护区的自然资源与生物多样性进行生态监测数据的管理平台，可采用已有监测数据，从时间、空间等不同角度进行统计汇总，实现监测数据的管理、展示和应用。规范化管理包括基础信息发布模块、计划管理模块、人员管理模块、行政管理模块、维护管理模块和项目管理模块。生态资源公众服务主要针对大峡谷自然保护区的生态保护、自然教育、互动体验等信息数据进行提炼、处理、挖掘、内容加工与交互式展示，以新媒体电子书的形式互动，或者通过接口提供大峡谷自然保护区生态信息资源以丰富相关的应用软件内容(图7)。

图7 自然保护区综合信息平台模块展示

4 结论

通过雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区五期工程的建设，依托空域的视频监控预警技术和无人机监测技术、天域的卫星导航和野外智能巡护技术以及地域的视频监控基站、手持巡护仪、野外监测仪器、综合信息平台等技术和手段，形成了基于“智慧保护区”的“空、天、地”一体化资源监控系统，改变了传统单一或者分散的监控格局，填补了在重要植物物种、主要植被类型、环境要素(水文、气象、土壤)、森林病虫害、外来入侵物种等监测要素的不足，实现自然保护区内资源监控和生物多样性的智慧监控，为资源监控、自然教育、巡护管理、应急指挥等信息化建设起到示范作用。