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引言4 \2 V B% S0 C2 q. m( v
我国的自然保护区建设经过长期努力，已经取得了很大的发展，大部分保护区已初步具备数字化管护的基础条件。但由于受到传输网络及设备终端功能的限制，目前数据收集方式还较为传统，如科研本底资源调查需通过工作人员现场采集、巡护数据到管理处才能上传、红外相机数据需要定期更换存储卡等，自然保护区的日常管护工作需要保护区付出极大的人力、物力，而收集到的信息不能及时整合、分析及共享。因此，有必要广泛运用5G技术，在自然保护区实现智慧管护，提升我国自然保护智慧管护水平。
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2 A& a' n" ]+ H) r, n& @ r2 t自然保护区管护现状及智慧管护的重要意义
) q) [4 @- a7 J: N0 D% v4 L 2.1 自然保护区管护现状自然保护区在建设过程中，由于受到资金、基础网络、采集设备及相关技术的限制，整个管护体系缺乏统一规划，如无人机、视频监控、巡护终端、红外相机、电子围栏等由于不同年份、不同品牌、不同系统独立建设，各个系统所采集的数据独立存放，缺乏数据整合共享，无法基于大数据分析实现自然保护区实时动态监测、统一调度、科学决策的智慧管护体系。
3 Z+ X$ c0 k R4 a2 g- T 2.2 建设自然保护区智慧管护系统的重要意义通过自然保护区建设集空中、地下全方位的监测网络防护体系，并利用云计算和物联网等先进的技术手段，对自然保护区的各类信息和数据进行精准分析和应用，真正掌握自然保护区内的生态系统的结构、生物分布情况及动态的变化信息，对可能存在的生态风险进行精准评估和预警，定时形成生态环境状况监测评估报告。最新的《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》指出：建立以国家公园为主体的自然保护地体系，是贯彻习近平生态文明思想的重大措施，是党的十九大提出的重大改革任务。2 O+ Y' I P, H9 C& A/ }+ X
现代化的管护理念和管护手段是当前自然保护地体系建设的重要保障，要将新技术、新理念、新设备运用到保护区的管理中，建立现代化的智慧管护体系。随着5G技术的成熟运用，5G智能终端越来越丰富，利用5G技术及人工智能（AI）分析技术相结合，在自然保护区中打造一套联动防护、智能分析、统一调度的智慧管护体系成为可能。8 Q% X3 R @2 Z7 n* I# J
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■ 滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区智慧管理平台 ! s3 G; Z% _% [$ e8 [' [
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# e3 G" l8 S( ?8 J 5G技术及其特征
$ D) T/ x. K( ?1 u5G技术与4G技术相比，具有传输速率更快、覆盖更广，以及传输时延更低等特点，可提供更高的上下行速率、更便捷的移动性能、毫秒级时延和超高密度连接。
9 E/ U5 Q9 H7 z( w' k国际电信联盟（ITU）对5G的三大应用场景进行了定义，即增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器通信（mMTC）以及低时延高可靠通信（uRLLC）。与4G网络相比，5G网络传输速率提升10～100倍，峰值理论传输速率达到10Gbit/s，端到端时延达到ms级，连接设备密度比4G增加100倍，流量密度提升1000倍，频谱效率提升10倍，能够在500km/h的行驶速度下保证稳定的下载速率。
4 Z0 F5 @: j, {" _1 d7 V5G网络信息技术与实体经济的深度融合，将全面加速各行各业向信息化、智能化、数字化转型，也将为自然保护区智慧管护的实现提供强有力的技术基础。" _2 `# F" m) Y' h* S5 S" u- l
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自然保护区智慧管护系统架构及建设目标
{, k' S/ G# M4 H$ F* Q" n& M 4.1 自然保护区智慧管护系统的架构自然保护区智慧管护系统总体架构图如图1所示。
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/ r+ V0 \- I9 Q b) l图1 自然保护区智慧管护系统总体架构图
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整个智慧管护系统共分为六层：7 M' q* {" F* L j5 ^! H
（1）感知层：感知层是智慧管护系统的眼睛和触手，是融合遥感技术、视频实时监控技术、自动传感技术、卫星精确定位技术、人工智能图像识别技术等构建智能管护体系的神经末梢，用于对各类数据的监测、采集及分析处理。
( C8 F& ?$ f8 M（2）传输层：传输层是连接系统前端采集设备与后端数据中心的重要纽带，承担着数据传输、融合通信、控制指令上传下达的任务。5G技术是整个智慧管护体系数据传输的核心技术。
4 Z+ i8 I2 U) F8 S+ m1 s5 E3 L3 q1 q（3）数据层：即对标各类数据的要求，将各种对自然资源进行实时监控检测取得的数据、日常业务管护收集的数据以及外部共享的数据进行统一汇聚、整合并分析处理，从而达到对常态管理的集成化。各类数据信息和资源信息无缝对接共享，增强了数据服务能力，为上级的决策提供数据服务。数据中心是数据分析应用的基础，是整个系统的心脏。
& j8 {- V7 ?* S W& Z（4）平台层：是为整个自然保护区数据的展示、分析、挖掘及业务应用提供标准化、科学化、智能化的基础支撑服务，包括提供地图服务、数据可视化服务、视频数据接入及分发服务、多媒体调度服务等，是实现AI分析技术的基础。同时为存量软硬件平台的整合接入提供接口，充分整合利用自然保护区现有的设施，避免重复投资建设造成投入资源的浪费。
! G; \" i$ p y. Y, l（5）应用层：主要关注业务规则的制定和业务流程的实现。它是以自然保护区领域相关的业务需求进行设计，是体现整个系统架构核心价值的关键部分。根据自然保护区的日常管护特性，共设计五大子系统，分别为综合管理系统、科研监测系统、巡护管理系统、灾害防控系统、科普宣教系统，全面覆盖日常所需的功能模块。5 ^1 x5 n: _" Z% }
（6）展示层：负责结果的展示，实现视频监控、无人机拍摄、红外相机、卡口等回传数据及后台驾驶仓数据的实时展示，支持大屏、PC和移动端等设备。/ H n7 H, {0 F, M! G
4.2 自然保护区智慧管护的建设目标建立以“一个中心、五个系统”应用为核心的自然保护区智能管控平台，构建可感知、互联、分析的综合业务系统。通过天、空、地立体防护体系，实现自然保护区各类数据资源的统一管理、信息共享及数据应用与分析，增强行政服务、资源监管、应急处置、智慧调度的决策能力，为实现保护区现代化精细管理、科学化决策、高效化办公、精准化服务奠定基础，全面提升保护区管理水平和服务质量，全面实现“建设标准化、管理规范化、监测科学化、宣教多元化、社区和谐化”的建设目标。 y3 G0 t' e% Z- N- h
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5G技术在自然保护区智慧管护中的运用' M/ N8 }, b/ [, e/ o
5.1 实现保护区立体防护5G网络的覆盖，能够有效解决保护区中最后一千米的无线通信传输速率问题。通过卫星、无人机、智能卡口、高位监控以及巡护设备等5G智能采集终端，可以实现自然保护区出入口、周界、道路、禁区等多道防护屏障，构建天、空、地融合一体的防控体系。' t5 i4 O6 u8 }; {( `$ Z. f- J- u/ ^
通过内置5G智能模组，前端智能监测设备能够在5G网络高速率低时延传输数据。后台部署的AI算法对回传的数据进行实时分析与反馈，结合不同场景的预警技术手段优势，实现全方位、立体化的全域覆盖综合预警。使得保护区通过安防监控系统，从事后取证为主的传统方式，转变为事前的预警布控、事中的实时跟踪指挥调度、事后的总结分析方式，从而为保护区防护体系做出更快速、更精确、更有效的安全防范决策。& Y+ m+ w% |' C G! S; c
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■保护区安防监控系统安装现场/广为海洋供图
. L0 U4 M, U$ {% R' e7 L, B4 w( z 5.2 实现智能巡护在自然保护区中，对自然保护区进行日常巡护是所有工作中最基本、最重要、最有成效的工作，是自然保护区巡护人员的主要日常职责。巡护的工作目标：一是及时发现并制止非法偷猎、采伐、放牧和土地开垦，确保自然保护区相关保护规章和条例得以有效实施；二是监测与收集自然保护区生态系统的变化情况。/ K5 W* z, H- i4 L! |' G
通过5G网络无人机的巡护，不仅可以实现对保护区进行全天候的巡查和监控，还可以实现在指定的目标上进行仔细查看。它可以充分利用保护区内的前端监测设备，实时获取巡护路线及周围环境的详细情况，若发现天气或温度等信息出现异常，马上预警；若出现异常目标，马上起飞无人机锁定异常目标并进行详细调查，并利用远程喊话器，及时进行制止和现场取证。$ W- y& t8 }# W# ^0 T2 l9 N
无人机巡护还可以用在对情况复杂、风险及隐患大的线路进行巡护，特别是对悬崖地势、边坡坡度大等危险地段。这些路段如果是传统人工巡护，不仅耗时长，还对人身安全造成重大威胁。而无人机巡护可以规避这些风险，只需要在巡护前对路线进行规划，既可以设置自动巡航，也可以通过人工控制，具有高效率、低风险、低成本的优势。8 f R6 C4 ]* t# z ^9 E
■滨州贝壳堤保护区智能巡护App端 " F0 g% n% f: O
5.3 实现智能应急指挥调度应急指挥调度是一项复杂、涉及面广、应用要求高、技术难度大的工作，在突发事件发生后，现场信息反馈的及时性、准确性，将直接影响指挥中心的快速评估和组织方案的制定，利用5G网络大带宽、低时延、高可靠的特性，融合后端AI深度学习能力，将极大地提升无人机用于应急调度场景的效率。
- x- V- h, Q/ @& H& B5G网络与无人机结合应用，可达到全方位实时调度：一是控制中心人员通过虚拟现实（VR）眼镜的4K高清视频呈现实时画面，及时了解现场发生的情况；二是控制中心人员通过5G网络对无人机机载摄像头的转向、飞行状态及路线进行远程控制，实时锁定目标，追踪事态发展；三是后端监控平台通过无人机回传的前端场景数据进行AI自动识别、分析，并给出解决的建议及措施，为指挥人员的决策提供有效的辅助数据。真正实现快速响应、安全稳定、视频高清、实时通信、指挥有力、资源保障等全面协同的视讯联动智能应急指挥调度。" o0 O' t) d" D8 Q% v+ ]
5.4 实现VR直播过去，VR摄像机用于内容采集和在线直播已拥有超高清能力，但因受到传输网络带宽的限制，无法实现高清VR视频的实时传输，用户终端的在线观看和互动体验均未达到理想的效果，导致VR直播应用推广缓慢。随着5G网络的不断发展，将彻底改变这一现状。5G网络可实现单用户上行速率达100Mbit/s以上，空口时延低于10ms，使得VR直播将更加流畅、更加清晰，用户体验将得到前所未有的提升。# O0 A5 ?& W7 g, u: f
利用在无人机机体上装载360°的全景相机拍摄4K全景视频，通过5G网络将4K全景视频传输到流媒体服务器中，用户再通过VR眼镜从该服务器拉流观看，让用户足不出户即可实现身临其境游览、体验保护区的美丽风景。这也将成为未来科普宣教的重要手段。
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结束语
& w9 x/ V* Z# n* Z未来5G网络与AI智能技术在自然保护区智慧管护上的应用仍要从管护实际出发，结合现有的资源和新技术，建设成能实时反馈、数据精准、智能可靠的智慧管护平台，从而提升我国自然保护区的智慧管护水平。/ I# _9 G$ ]9 K8 k2 _, I
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