江苏镇江长江豚类省级自然保护区智能监控系统的建设与应用

潘 杰，王召根，邢晓勇，朱锡峰

（1.江苏镇江长江豚类省级自然保护区管理处，江苏 镇江 212000；2.江苏金坤信息工程有限公司，江苏 镇江 212000）

自然保护区是自然保护地体系建设的基础和生物多样性保护的重要手段。江苏省委办公厅、江苏省政府办公厅《关于建立健全自然保护地体系的实施意见》提出要“开展自然保护地综合监测，掌握自然保护地内的自然要素和人类活动变化情况。依托自然资源和生态环境监测结果和大数据分析等现代化技术手段，构建智慧自然保护地”。近年来，随着5G、大数据、物联网、无人机、AI 等高新技术发展水平不断提高，为保护区智慧化建设奠定了技术基础[1]。江苏镇江长江豚类省级自然保护区以“守护长江生态、监测长江江豚、提升管控能力”为管控目标，立足主流业务和需求分析，坚持高起点规划、高标准建设，对保护区业务建设进行整体布局实现。构建保护区智慧监管平台，动态监管镇江豚类保护区重要生态岸线及陆域洲滩，跟踪拍摄长江江豚及其他国家重点保护鸟类活动轨迹，构建全要素、多方位、实时动态的保护区智能监控体系。

1 保护区概况

江苏镇江长江豚类省级自然保护区位于镇江市丹徒区和畅洲长江北汊及西延至焦山北面江段及洲滩湿地，属于野生生物类型自然保护区。保护区的主要保护对象为白鱀豚、长江江豚以及重要的湿地动植物资源。保护区生态系统完整，生物资源丰富，是长江下游重要的江豚迁移和活动通道、对于维持长江下游长江江豚栖息地完整性具有重要生态学意义[2]。最新的生态科学考察共记录野生动植物946 种，其中国家一级保护野生动植物4 种；国家二级保护野生动植物37 种；长江江豚种群数量26 头，约占长江江苏段总数的21.3%。保护区滩涂湿地资源非常丰富，每年迁徙季都会迎来大批候鸟过境，保护区内已发现鸟类194 种，其中白鹤、东方白鹳、青头潜鸭等国家重点保护鸟类达32 种。

2 智能监控系统建设

2.1 建设背景

江苏镇江长江豚类省级自然保护区总面积57.3 km2，其中水域面积占比79.1%，陆域面积占比20.9%。洲滩湿地区域交通不便，巡护人员难以到达，野外巡护存在监测盲区。长江江豚为水生动物，约有95%以上时间在水下活动，依靠传统目视观察，很难获得全面准确的数据。系统建成以前，保护区主要依靠巡护船、巡护车开展日常野外巡护。巡护人员配备无人机、手持GPS 及望远镜、相机、观鸟镜等观测记录设备。总体来看，系统建成前，镇江豚类省级自然保护区绝大部分区域停留在人防阶段，信息化建设整体水平较低，保护区监测存在覆盖面不足、监测难度高、巡护手段单一等问题。

2.2 建设思路

智能化建设贯穿保护区各项业务，将大数据、人工智能等技术手段与保护区业务知识及应用体系深度融合，形成业务管理、资源监管、科研监测、科普宣教、评价评估、决策指挥等多种业务应用（图1）。平台基于SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务架构）设计思想，采用数据、管理、服务、应用相分离的架构原则，在保持灵活性和扩展性的前提下，实现保护区相关数据的整合、管理和网络化共享的在线服务，实现保护区业务数据互联互通。

图1 智能监控系统建设总体结构

图2 流程示意图

2.3 建设内容

2.3.1 前端拓扑构成

保护区智能监控系统前端感知设备由岸基摄像机、无人机、传输网络、后端服务器及监控中心构成，涵盖视频采集、网络传输、供电、防雷、环境信息采集等。根据保护区长江江豚及鸟类分布情况，选取保护对象活动频繁的位置布设监控点位，以便于前端摄像机的图像或视频抓取，为后端的识别模型提供一手影像资料。前端岸基摄像机按功能分为智能识别摄像机、夜视摄像机、生态监控摄像机3 种。智能识别摄像机对长江江豚和湿地鸟类进行实时监测，并通过后台AI 模型进行智能分析，完成识别记录；本系统采用800 万像素星光级照度激光云台摄像机，支持40 倍光学变倍、1 000 m 激光、光学透雾、巡航扫描等功能。夜视摄像机可加强夜晚无光线状态下的监控，强化夜间活动的动物和违法行为监控；本系统中采用了800 万像素黑光球机，支持35 倍光学变焦，250 m 红外补光，在0.000 4 lx 照度下能显示彩色图像。生态监控摄像机对周边生态环境进行实时监测，同时对非法行为进行抓拍和推送；本系统采用最高分辨率3 200 万像素全景拼接摄像机，水平180°超大广角，适合近距离的全方位监控。在江豚主要出没频繁区域部署环境监测系统，自动采集环境数据，实现保护区生态实时监测并开展环境因素对长江江豚的影响研究。

2.3.2 无人机自主巡检

无人机具有分辨率高、机动性强、使用便利等优点，近年来广泛应用到保护区巡护和监测等工作中[3]。自主巡检无人机搭配充电机场，具备自动起降、自主巡航、自动充电功能，实现常态化自主巡检。本系统采用大疆M300 RTK 无人机，支持8 km 图传距离，55 min 最长飞行距离，六向定位避障，IP45 等级防护。挂载23 倍混合光学变焦热成像镜头，集合多类传感器，直观呈现可见光与热成像画面，可实现广角、变焦和热成像相机画面的快速切换，满足复杂多样的作业需求。无人机根据航线和巡检任务进行日常巡检，通过后台边缘计算技术，可以自主识别非法人类行为和江豚活动信息等，对长江江豚出水进行快速识别并提取和存储精彩画面。

2.3.3 平台建设及服务器部署

开发建设基于GIS 地图的智慧监管平台，能够准确反应保护区地理地貌，实现智能监控和无人机自主巡检联动，实时传输监测区域的各类数据，进行汇总分析和直观展示。整合保护区基础数据资料，对遥感影像、总体规划、生态监测、基础设施分布等专题数据进行统一管理。功能模块包括一张图展示、数据统计、业务管理、巡护管理、物种捕捉、环境监测等模块。智慧监管系统平台展示保护区实时监控画面，记录和统计各项监测数据，着力构建科学化、精细化、智能化的智慧自然保护地管理模式。为保障系统运行，本系统配备4 台服务器，分别为综合平台服务器、无人机部署服务器、算力服务器、数据存储服务器。其中算力服务器用于建立算法模型，在后期运行过程中通过前端识别摄像机获取的影像资料对长江江豚、鸟类等识别算法进行训练，实现生物物种及人类活动识别要求。本系统算力服务器配置了2 块Tesla T4 计算卡。

2.3.4 图像识别

智慧化建设的重点难点在于对主要保护对象（长江江豚、湿地鸟类等）实现图像识别，图像识别技术的基本过程分为信息的获取、预处理、特征抽取和选择、分类器设计和分类决策等。本系统建设内容包含识别模型构建、识别模型训练、识别模型平台应用三个主要部分。

3 系统应用

3.1 全天候监测

黑光级照度摄像机24 h 巡逻拍摄，昼夜图像效果清晰，画面实时传输至监控平台。前端监控设备及无人机自主巡检填补保护区监控盲点，建成长江豚类省级自然保护区“生态哨兵”，实现全天候实时监测，提升自然保护区监管能力。

3.2 资源保护

开发的动物识别模型，能够准确识别长江江豚及重点保护鸟类，鸟类种类覆盖保护区已记录的国家重点保护野生鸟类。保护区管理机构进一步了解物种资源丰富度及分布情况，做到分区分类、精准保护，提高生物多样性保护能力。

3.3 联动执法

加强对非法进入、非法捕捞、开发建设等破坏自然保护区行为的主动发现。具备机载喊话器，保护区管理机构可在监控中心第一时间对非法人类活动进行有效制止，提升保护区执法效能。

3.4 科研监测

实时传输保护区监测数据并进行汇总分析，建档保存高清影像，为分析江豚活动时空分布及人类活动对江豚活动影响累计数据基础，提高保护区科研能力。

4 展望

长江江豚为水生动物，依靠高频声学信号进行通信，长江江豚声纳信号的时频特征与水下噪声的时频特征有较明显的不同，具备较强的可监测特征[4]。近年来，一些科研单位及保护区管理机构已经利用固定声学系统开展了水下江豚声学信号的监测和研究。下一步保护区信息化建设中，应加强水下被动声学监测，可获取长江江豚的种群数据和分布规律等数据，并监测船舶航行及施工过程中的水下噪声，另外可尝试将数字孪生、电子围栏等新一代信息技术应用于保护区管理，实现保护区三维全景可视化，助力精准保护[5]。