[發明專利]基于聲景大數據的生物多樣性實時監測和分析系統

有效

• 申請號: 202110885093.0
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113624279B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 李春明;林嬰倫;王靜怡;翁辰;焦亞冉;趙景柱
• 申請（專利權）人: 中國科學院城市環境研究所
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 代理公司: 北京鵬帆慧博知識產權代理有限公司 11903
• 代理人: 祝遼原

本發明涉及基于聲景大數據的生物多樣性實時監測和分析系統，其中，所述系統包括多個現場采集點和一個數據中心，其中，現場采集點與數據中心通訊連接，現場采集點包括聲景大數據采集單元和聲景大數據傳輸單元，其中，聲景大數據采集單元用于采集生態系統的環境參數、聲音和圖像數據，聲景大數據傳輸單元用于將聲景大數據采集單元所采集的各種數據傳送至數據中心，數據中心包括聲景大數據分析單元和聲景大數據可視化單元，其中，聲景大數據分析單元用于對接收到的各種數據進行處理和分析，以及聲景大數據可視化單元用于對聲景大數據分析單元的處理和分析結果進行展示，以實現對生物多樣性實時監測和分析。

技術領域

本發明涉及一種基于聲景大數據的生物多樣性實時監測和分析系統。

背景技術

生物多樣性在傳統研究中通常是通過物種豐度、物種全基因組或物種功能特征等相關的指標來衡量，但這些指標的獲取往往需要耗費大量的人力和物力。聲景作為一個綜合性很強的生態指標，包含著豐富的生態學信息，如雀鳥鳴叫、風吹水流，以及城市的各類噪音，具有大數據的典型特征，同時具有易得，易記錄的特點，隨著錄音技術的發展，為生物多樣性的實時監測帶來了新思路。

目前國內外對聲景數據的采集多以手持設備進行采集，如便攜式錄音機，或者通過在野外布設錄音設備進行聲音采集，錄音結束后取回實驗室進行分析。聲景相關參數，如聲場中的溫濕度、輻照、風速、氣壓等環境參數缺乏采集，而這些環境參數都對生物有著直接或者間接的影響。同時聲音文件作為一種高密度數據，其數據容量遠高于常規環境參數數據，對其進行遠程傳輸，在野外對有限的網絡帶寬帶來了極大的挑戰。

在借助聲景來分析生物的多樣性的研究方面，盡管有各類型的聲音指數為生物多樣性評價提供了幫助，但是受制于不同場景，使得指數的通用性差，缺乏可移植性，目前還沒有一個單獨的聲音指數能夠準確地描述生物多樣性。

發明內容

本發明旨在提供一種基于聲景大數據的生物多樣性實時監測和分析系統，以解決上述問題。為此，本發明采用的具體技術方案如下：

基于聲景大數據的生物多樣性實時監測和分析系統，其可包括多個現場采集點和一個數據中心，其中，現場采集點與數據中心通訊連接，現場采集點包括聲景大數據采集單元和聲景大數據傳輸單元，其中，聲景大數據采集單元用于采集生態系統的環境參數、聲音和圖像數據，聲景大數據傳輸單元用于將聲景大數據采集單元所采集的各種數據傳送至數據中心，數據中心包括聲景大數據分析單元和聲景大數據可視化單元，其中，聲景大數據分析單元用于對接收到的各種數據進行處理和分析，以及聲景大數據可視化單元用于對聲景大數據分析單元的處理和分析結果進行展示，以實現對生物多樣性實時監測和分析。

進一步地，聲景大數據采集單元包括環境參數傳感器、聲音傳感器、攝像頭和微型電腦，微型電腦上集成RS485通信接口和USB接口，環境參數傳感器與RS485通信接口連接，聲音傳感器和攝像頭與USB接口連接。

進一步地，攝像頭集成在聲音傳感器上。

進一步地，現場采集點還包括供電單元，所述供電單元包括在線電源、應急供電電池和監測模塊，監測模塊用于監測在線電源的運行狀態，若運行狀態不正常則及時啟用應急供電電池，以確保系統正常運行。

進一步地，聲景大數據傳輸單元包括4G或WIFI模塊和傳輸協議，其中，微型電腦和數據中心通過4G或WIFI模塊通訊連接，傳輸協議包括MQTT協議和FTP協議，環境參數數據封裝為Json格式，通過MQTT協議進行傳輸，聲音和圖像數據通過FTP協議傳輸。

進一步地，聲景大數據分析單元包括特征提取模塊、CNN卷積網絡、UMAP降維模塊以及隨機森林模塊，根據獲得的聲景數據，在特征提取模塊的協助下，提取聲音的梅爾頻譜圖，并將生成的梅爾頻譜圖轉化成128維的特征向量，然后輸入CNN卷積網絡進行分類，分類完成后借助UMAP降維模塊將128維的聲學特征降至2維空間，然后借助隨機森林模塊進行特征聚類，來實現不同特征聲音的集聚或者分散呈現。