基于5G網絡在保護珍稀動物長臂猿中的應用

海南中京南方信息工程有限公司 陳耀亮

海南長臂猿天性機警、行動敏捷，而且居無定所，野外觀測十分困難，當前野外觀測的數(shù)據獲取主要依靠人工完成，工作強度大、工作環(huán)境十分艱苦，珍稀瀕危野生動物保護海南長臂猿群實時監(jiān)測項目是國家大政方針的要求，在新的生態(tài)文明建設形勢下，作為生態(tài)基礎的林業(yè)行業(yè)，必須通過建設既有創(chuàng)新性的綜合數(shù)據業(yè)務平臺適應新的建設管理要求。互聯(lián)網、大數(shù)據、云平臺、物聯(lián)網等新興技術的成熟應用，要求國家公園及自然保護區(qū)的信息化必須具備適應新的應用框架與新的運營管理模式。如何將這些投資發(fā)揮最大的功效，并讓各類信息資源可以綜合運用，為自然保護區(qū)管理轉型升級提供信息服務，需要通過全新的整合平臺來實現(xiàn)。本研究主要對5G技術進行概述，介紹了5G網絡技術在保護長臂猿的應用，通過布設紅外自動觸發(fā)照相機，可在不影響長臂猿正常生活的前提下進行隱蔽拍攝，通過5G網絡可實時在線回傳影像對掌握海南長臂猿個體、種群大小、年齡結構、性別比例、發(fā)展趨勢等各方面信息進行分析，極大提高工作效率，減輕人員工作強度，查清海南長臂猿生態(tài)、繁衍的主要生態(tài)因子以及棲息地的動態(tài)變化，為制訂切實可行性的海南長臂猿的保護計劃以及為其適生環(huán)境的恢復、營建、資源保護提供科學依據。

1 5G技術簡述

5G網絡面向增強型移動寬帶、大規(guī)模機器通信、高可靠低時延通信三大業(yè)務場景，以全新的網絡架構，提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的新時代。5G支撐應用場景由移動互聯(lián)網向移動物聯(lián)網拓展，將構建起高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施。與此同時，5G將加速許多行業(yè)的數(shù)字化轉型，并且更多用于工業(yè)互聯(lián)網、車聯(lián)網等，拓展大市場，帶來新機遇，有力支撐數(shù)字經濟蓬勃發(fā)展，而5G 700M網絡相對于中低頻段2.6GHz/4.9GHz 5G網絡網絡的優(yōu)勢在于廣度和深度覆蓋，結合700MHz頻率特性，網絡特性，覆蓋范圍廣，本次主要簡述基于700MHz 5G網絡技術結合視頻監(jiān)控對保護海南長臂猿中的應用。700MHz5G網絡在農村不同場景覆蓋半徑，如圖1所示。

圖1 700MHz5G網絡在農村不同場景覆蓋半徑Fig.1 700MHz 5G network coverage radius in different rural scenes

2 5G技術在保護海南長臂猿中的應用

在以往保護長臂猿觀察活動中，最主要的還是要靠人工蹲點觀察與布設紅外自動觸發(fā)照相機相結合方式，這樣的觀測方式導致觀察范圍窄、受到的氣候影響大，無法做到全天候觀測、工作環(huán)境艱苦、工作強度大、安全性不高、工作效率低且人工成本高，觀測相機需人工到場收回監(jiān)控影像，無法做到對監(jiān)控影像實時回傳，不利于完善制定保護長臂猿方案。目前長臂猿觀測點，如圖2所示。

圖2 目前長臂猿觀測點Fig.2 Current observation point of gibbon

隨著互聯(lián)網技術高速發(fā)展的進程中，集成化、智能化、數(shù)字化及網絡化等特點于一體的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應用越來越廣泛。隨著5G網絡的高速建設，特別是700MHZ 5G網絡在農村區(qū)域加速建設，利用700MHz網絡覆蓋廣、穿透能力強、低時延等網絡特性優(yōu)勢，整合到監(jiān)控系統(tǒng)體系中，打造出全新的智能化觀測野生珍稀動物大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了無線網絡與有線網絡互為補充的提供高效、實時有效雙結合，能夠為保護長臂猿工作者，提供高效、清晰、實時的觀測海南長臂猿的觀測系統(tǒng)平臺，為制訂切實可行性的海南長臂猿的保護計劃以及為其適生環(huán)境的恢復、營建、資源保護提供最科學依據。

2.1 700MHz 5G網絡下觀測野生動物監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

按以往觀測野生動物的手段，通常都是人工觀測或野外相機抓怕也需要過段時間，人工收回，花費大量的人力物力，后面隨著3G/4G網絡的普及，但因網絡特性，時延長，傳輸速率小、穿透能力差，無法對隱藏在大樹或灌木底下的野外相機，進行有效無線回傳監(jiān)控影像，隨著700M 5G網絡建設，在融入5G技術后，利用其傳輸速率高、低時延、繞射能力強等網絡優(yōu)勢，能夠確保攝像頭所拍攝的圖像能夠實時無線回傳到監(jiān)控中心，不僅可以顯著提高無線回傳監(jiān)控視頻的準確率，還可以在后臺實時監(jiān)控各個監(jiān)控區(qū)域的畫面，也可以進行利用手機遠程登錄查看監(jiān)控錄像，通過監(jiān)測平臺的搭建實現(xiàn)對野生動物視頻和圖像數(shù)據的采集建立相應種群樣本庫，然后將種群樣本庫中的野生動物視頻和圖像數(shù)據作為訓練樣本，采用當前最先進的深度學習算法，對野生動物的識別和檢測模型進行訓練；再利用訓練好的模型對當前視頻和圖像數(shù)據進行實時識別和檢測，從而達到野生動物的物種識別的目的。深度學習技術通過模擬大腦對物體的認知來進行物體識別、目標檢測、視頻分析等。系統(tǒng)通過收集數(shù)十個物種、百萬張圖片的樣本庫，由專為野生動物適配及訓練的人工智能算法對視頻幀進行逐層特征提取，實現(xiàn)對野生動物的精準識別、抓拍、分類。系統(tǒng)采用基于深度學習模型可以自動的學習到各個物種的體態(tài)、紋理等生物特征，從而對野保相機拍攝的視頻進行高效高精度的識別、檢測和分類。另外，模型的可擴展和可優(yōu)化性強，當訓練好基礎的野生動物識別和檢測后，隨著數(shù)據的不斷積累，可以很方便的基于擴展數(shù)據優(yōu)化模型識別和檢測的準確率，從而增加可識別和檢測的動物種類。同時，隨著數(shù)據的不斷采集積累，野生動物的種類和出現(xiàn)點位都被系統(tǒng)實時標記，大數(shù)據的統(tǒng)計和研究意義開始逐漸凸顯，系統(tǒng)功能可獲得持續(xù)拓展。為野保區(qū)域內生態(tài)變化研究、野生動物生活習性研究及野生動物保護提供強有力的支持，智能化的觀測手段，解放了人力，提高了觀測長臂猿準確率，減少人為對長臂猿的棲息地的干擾，對保護野生長臂有著重要的意義。700M 5G網絡下觀測野生動物監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖，如圖3所示。

圖3 700M 5G網絡下觀測野生動物監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖Fig.3 700M 5G network observation wildlife monitoring system topology diagram

2.2 700M 5G網絡覆蓋區(qū)域內紅外相機的布放

野生動物種群數(shù)據必須依靠監(jiān)測和調查獲得，自20世紀初第一張利用繩索絆發(fā)“陷阱”拍攝的照片問世以來，相機技術經歷了傳統(tǒng)膠片式向數(shù)字化的發(fā)展，觸發(fā)方式也經過了機械“陷阱裝置”觸發(fā)—主動紅外光束觸發(fā)—被動紅外觸發(fā)的轉變。一直以來，“陷阱”相機在迎合著使用需求和科學技術的突飛猛進，堅持而穩(wěn)步的發(fā)展著。

發(fā)展至今，當前使用的“陷阱”相機主要是依靠被動紅外監(jiān)測野生動物并觸發(fā)拍攝，并發(fā)展為利用電池長時間供電、利用存儲卡實現(xiàn)大容量的數(shù)據存儲來適應野外調查環(huán)境的特殊情況。這種應用模式雖然不能實現(xiàn)實時的數(shù)據傳遞，并帶來了大量的人工成本，但其優(yōu)點是設備本身造價低廉，布點靈活。隨著光伏產業(yè)的大力發(fā)展和5G網絡建設的普及，“陷阱”相機又迎來了新的發(fā)展。在5G網絡覆蓋范圍內紅外相機的布置，如圖4所示。

圖4 在5G網絡覆蓋范圍內紅外相機的布置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the layout of infrared cameras within the coverage of 5G network

在700MHz 5G網絡覆蓋的區(qū)域內，采用在線實時傳輸紅外相機，部署在林區(qū)長臂猿經常出沒的地區(qū)，由紅外探頭觸發(fā)，全天候均可以進行攝像和拍攝兩種動作，所有設備均為在線式管理也存儲方式支持本地存儲，供電方式采用太陽能供電，依托700MHz 5G無線網絡的特性，低時延、高速率，實時無線回傳紅外相機對野生動物圖片/視頻數(shù)據的實時回傳。基于5G網絡下對長臂猿觀測的優(yōu)勢，如圖5所示。

圖5 基于5G網絡下對長臂猿觀測的優(yōu)勢Fig.5 Based on the advantages of gibbon observation under 5G network

3 結語

海南長臂猿是國家一級保護動物，海南熱帶雨林國家公園管理局霸王嶺分局是海南長臂猿唯一棲息之地，面臨著瀕危滅絕，急需通過信息化手段全面、科學、快速的獲取、分析調查數(shù)據，形成數(shù)字化基礎，提供直觀的信息資源支撐和決策環(huán)境；需要通過信息化手段按照工作職能，實現(xiàn)自然保護區(qū)建設的系統(tǒng)化、精細化管理與尺度效益分析，為自然保護區(qū)的規(guī)劃設計、生態(tài)環(huán)境評價等業(yè)務提供有效支撐。

基于5G網絡下對長臂猿實時監(jiān)測不但是健全國家公園生態(tài)保護體制的需要，也是保持海南熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定的需要。海南熱帶雨林是我國生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域，是多種珍稀瀕危野生動植物的重要棲息地和分布區(qū)。由于人類活動影響，野生動物棲息地破壞問題突出，生物多樣性保護面臨較大壓力。通過5G網絡下開展海南熱帶雨林霸王嶺國家公園科研與監(jiān)測活動，減少人為對野外環(huán)境的干擾，研究有效修復熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)，打通動物活動遷徙廊道，增強珍稀動物棲息地的適宜性、連通性，保護和恢復野生種群，保護野生動物的棲息生境，不僅能有效促進野生動物種群的數(shù)量及生存空間擴大，還能使其他自然資源得到保護和發(fā)展，進一步維護保護區(qū)的自然生態(tài)平衡。