文｜李迪强 刘芳 贾茹 张国钢 唐小明
1.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所
2.中国林业科学研究院资源信息研究所
中国是生物多样性特别丰富的国家。植物物种37699种，高等脊椎动物8042种，特有属种多，起源古老。在森林、荒漠等偏远地区，野生动物活动区域距离人活动区域远，传统4G/5G信号在野生动物栖息地内覆盖极少，需要解决野生动物监测信息的传输问题。如果建设信号传输铁塔，不仅供电困难，还可能造成原始植被环境景观的破坏，影响动物的栖息地质量和分布，资金投入和维护费用巨大。
北斗定位技术和短报文技术已经广泛应用，采用自主研制的北斗卫星通信技术，成为解决野生动物研究和监测数据传输的不二选择。通过北斗卫星定位和短报文将有效地解决偏远地区监测设备定位和数据回传问题，短报文可以将数据及时传回，从而实现实时监测野生动物的活动情况，极大提高野生动物监测的实效性、可行性。本文结合已有的研究和监测工作，在综述应用场景和关键技术之后，对北斗在野生动物研究和保护中的应用进行了展望。基于北斗定位、互联网等技术实现野生动物实时跟踪、巡护、栖息地环境调查、监测等业务，提升野生动物保护水平。
结合北斗导航定位技术，遥感、GIS定位技术，无线信号定位技术，传感器定位技术，传感器数据采集技术等多种技术组合，根据野生动物保护不同业务要求，研制了9类野生动物保护北斗应用终端，主要包括：巡护型终端、智能型终端、勘界测量型终端、车载型终端、应急指挥型终端、RD通信终端、跟踪定位终端等。野生动物保护北斗终端解决方案如图1所示。
图1 野生动物保护北斗终端解决方案
1.保护地管理
保护地巡护：利用专门保护地管理APP，实时地位置回传和相关信息回传，实时了解保护地管理人员状况。
生态监测信息和定位信息实时传输：保护地监测信息包括红外相机实时监控的缩略图，或者经过边缘服务器识别的野生动物信息、人员信息等，通过短报文实时传输给平台。生态监测信息如水文、气象、生态质量相关信息传送给服务器后台，实现保护地管理信息的实时传输。
2.野生动物的追踪监测
利用定位标识器和短报文系统实时将标识动物的位置、生理状态信息如体温、脉搏，运动状态等信息实时回传，通过专门后台处理平台，利用APP实时提供这些状态，进行系统跟踪分析（图2）。
图2 卫星野生动物监测和保护应用
卫星追踪器总体结构框架具体包括微处理器、卫星定位模块、行为传感模块、通信模块、系统永不失效监控模块、数据存储及管理模块以及能源模块。卫星定位模块获得定位信息；
行为传感模块获得野生动物的活动信息；
通信模块将获得的数据传输至服务器；
永不失效监控模块防止系统死机，确保设备在野外复杂的强干扰环境中能够正常工作；
数据存储及管理模块保存系统重要的参数设置数据，确保数据准确。能源模块由太阳能电池、改进型MPPT控制电路、锂电池以及节能优化管理模块组成，采用太阳能和锂电池结合的能源供给方法：在阳光充足时太阳能电池发生主导作用，给系统供电以及根据需求给锂电池充电；
当光照不足无法达到供电及充电条件时，锂电池为系统供电。
建立了基于北斗定位的实时野生动物生态信息采集系统，监测设备中部分设备利用了北斗的短报文数据，建立了生物多样性监测的大数据处理平台。生物多样性监测平台的系统框架由三个层级、七个层面、两大保障体系共同构成（图3）。其中三级为国家级、省（自治区、直辖市）级和保护地级。保护地级主要重在生物多样性监测数据采集、数据分析、决策支持以及宣传教育展示；
省（自治区、直辖市）级主要为辖区内所有保护地综合信息管理和数据分析；
国家级主要为全国数据综合分析、数据挖掘和决策分析、展示等，为全国保护地有效监管提供基础数据。七个层面包括数据采集层、网络传输层、基础平台支撑层、大数据资源层、应用层、展示层和用户层。两个保障体系包括标准体系和信息安全体系。
图3 生物多样性监测平台系统架构
数据采集层基于北斗终端等各类设备或人员活动进行信息采集；
网络传输层包括北斗短报文、4G无线网络传输、自组网无线传输系统、宽带网络以及基于卫星的网络传输；
基础平台支撑层包括标准化机房、云存储、云计算、大数据管理平台以及地理信息系统平台等；
大数据资源层包括由采集终端所提供的各类数据；
应用层在对生物多样性监测大数据进行处理、分拣和分析的基础上开展多方面的业务应用；
展示层则对应用层的结果进行可视化展示。数据采集层和基础平台支撑层的选型、采购、安装为基础工作，应当快速有效地完成，同时保证其功能的实现。其他五项系统建设工作同步进行，通过数据库的建设完成对数据的获取、管理和分析；
通过应用层分类整合和汇集相关业务信息；
结合成熟的软件开发技术和系统设计思路，完成应用系统的建设工作，保障系统功能实现。
通过生物多样性监测平台的应用，实现：
1）野生动植物保护全量全要素的连接，包括天、空、地连接，软、硬、数连接，动物、植物、人连接；
2）实时获取和汇聚数据，让数据“说话”，让它们能够随时被调取，甚至不用调取就主动呈现，成为能够被用户看到、感知到的数据；
3）实时采取保护行动，获取野生动物受到威胁等问题，提出保护管理对策。
1.北斗鸟类迁徙监测
为了开展鸟类迁徙监测，设计了不同的基于北斗定位追踪器（图4），创新性设计了追踪器的外壳形状（适宜于鸟类飞行特点）、太阳能板充电模式（多重充电，针对森林鸟类充电不足）等，为成功获得候鸟迁徙路线提供技术保障。开发了北斗定位和电信传输鸟类定位器和北斗短报文定位器，开展了多种鸟类的研究。针对不同动物种类体重和大小设计了20多款追踪器，成功追踪了包括东方白鹳、丹顶鹤、蓑羽鹤、白尾海雕、白额雁、青头潜鸭、黄嘴白鹭、黑尾鸥、中杓鹬、麋鹿、雪豹、扬子鳄、企鹅、蝙蝠等13000多个动物个体（图5），设备在野外能稳定运行最长时间超过7年，采集有效数据5000多万条。
图4 四种基于北斗的鸟类追踪器
图5 佩戴北斗定位器的赤颈鸭
2.野骆驼监测应用
野骆驼生存的荒漠戈壁处于无人区，因其生性机警、远离人类，给了解和认识野骆驼带来了极大的困难。在罗布泊阿奇克谷地和库姆塔格沙漠交界处，开展了野骆驼佩戴卫星定位项圈。这种卫星跟踪项圈可以利用GPS的定位功能确定野骆驼的位置，并通过卫星通信系统传回位置数据以及当时的温度、气压等环境信息。目前，我国北斗系统的短报文功能，也能够完成定位数据及其他信息传输的能力。此外，项圈还具有自动脱落功能，可以根据需要，通过指令使项圈自动脱落。脱落后的项圈可回收后继续使用。通过北斗定位的野骆驼研究，可以了解野骆驼的活动节律、活动范围与迁徙途径（图6 -图7）。关键栖息地研究可解决不同骆驼群之间的联系廊道问题、是不是能穿越沙漠的问题，解决了繁殖、交配、产子等关键栖息地选择问题，为野骆驼保护提供了关键信息。对人为活动影响进行系统研究，提出野骆驼保护关键措施。
图6 通过定位器获取的野骆驼活动轨迹
图7 为野骆驼安装北斗定位器
北斗定位已经广泛应用到生物多样性监测监管系统中，基于北斗定位的移动终端广泛应用于野生动物的调查研究、巡护与自然保护区管理等数据采集过程中。
基于北斗定位的野生动物数据采集生物多样性大数据平台已经建成。针对野生动物监测和保护需求，通过北斗项圈、物联网传感器等设备监测采集野生动物活动、行为和环境信息，实现对野生动物和自然保护地智慧监管，为保护效果提供综合分析与评估数据支撑，建立以野生动物管理为核心的决策平台。
很多新设备有待进一步研发，研发基于图像和视频野生动物识别的红外相机，利用人工智能物种识别，利用北斗短报文传输野生动物出现数据，实现对自然保护区、特别是野生动物和人为干扰智能化监测、调查与管理。
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