王夢犀，易小理，李 玥，付元祥，蘇 琴,張冠湘

(1.國家林業(yè)和草原局西南調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650000；2.云南北緯數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，云南 昆明 650000)

自然保護地是由政府依法劃定或確認，對重要的自然生態(tài)系統(tǒng)、自然遺跡、自然景觀及其所承載的自然資源、生態(tài)功能和文化價值實施長期保護的陸域或海域。自然保護地是生態(tài)建設(shè)的核心載體、中華民族的寶貴財富、美麗中國的重要象征，在維護國家生態(tài)安全中居于首要地位[1]。生物多樣性監(jiān)測體系建設(shè)是實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定和生態(tài)文明建設(shè)的重要途徑，為加強生物多樣性保護、拯救珍稀瀕危物種、實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、促進人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展，運用高科技手段實現(xiàn)生物多樣性監(jiān)測成為助力信息化建設(shè)的重要力量[2]。

以近年來各自然保護地建設(shè)的生物多樣性監(jiān)測內(nèi)容為契機，對項目設(shè)計和實施過程中面臨的技術(shù)難點，尤其是監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題加以剖析、研究，在結(jié)合當前國內(nèi)技術(shù)的條件下，總結(jié)形成幾套可復制、可推廣的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式。

1 研究背景

近年來，中央和地方政府堅持綠水青山就是金山銀山的理念，大力保護生態(tài)環(huán)境，促進人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展，在林草生態(tài)項目中陸續(xù)投入大量資金致力于生物多樣性監(jiān)測，尤其是通過信息化建設(shè)改變傳統(tǒng)單一的人工巡護監(jiān)測現(xiàn)狀，提升生物多樣性監(jiān)測水平，在國家公園、自然保護區(qū)、濕地公園、森林公園、風景名勝區(qū)等自然保護地布設(shè)視頻監(jiān)控、紅外相機、監(jiān)控基站等監(jiān)測設(shè)施設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中采取有線或無線的方式，連通數(shù)據(jù)采集、信號匯集與數(shù)據(jù)信息綜合展示和控制指揮的橋梁。不同的自然保護地，其自然環(huán)境各不相同，受氣溫、海拔、溫濕度、日照以及極端天氣等客觀因素的干擾，網(wǎng)絡(luò)傳輸方式各不相同，將直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘看笮?、穩(wěn)定性和可靠性。此外，供電條件、供電方式、傳輸距離等前端因素也導致了傳輸模式的差異化。目前，各自然保護地在生物多樣性監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，面臨著可選擇的超高科技設(shè)備不多、設(shè)計理念不同以及設(shè)備供應(yīng)商參差不齊等問題，導致傳輸網(wǎng)絡(luò)在投產(chǎn)初期出現(xiàn)了信號不穩(wěn)定、供電不足、信號丟失等網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，有些可以短期解決，有些是傳輸思路出現(xiàn)了差錯，不能保證預期的理想傳輸效果。因此如何解決此技術(shù)問題或現(xiàn)實沖突，選擇合適匹配的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式顯得尤為重要。

2 總體思路

總體思路上，自然保護地常見的生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)基本相似(圖1)。

圖1 生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)Fig.1 Network transmission architecture of biodiversity monitoring

3 傳輸模式研究

生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸模式整體上分為有線和無線兩種方式。有線傳輸，主要是光纖傳輸；無線傳輸，主要是微波、4G、5G、自組網(wǎng)等模式?；诓煌瑐鬏斈Ｊ降膬?yōu)缺點，以參與設(shè)計和研究的國內(nèi)部分有代表性的自然保護地案例為基礎(chǔ)，再次梳理分析在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用方面的區(qū)別，總結(jié)研究出幾套有價值的傳輸模式，并形成結(jié)論建議。

3.1 光纖傳輸

光纖傳輸，指通過光纖專網(wǎng)把前端基站的數(shù)據(jù)和信號傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。光纖傳輸?shù)淖畲髢?yōu)點是信號傳輸最穩(wěn)定，且光纖容量可根據(jù)數(shù)據(jù)流量大小可控調(diào)節(jié)；缺點也很明顯，如費用成本高、維護成本大、建設(shè)審批手續(xù)難等。

以重慶石柱森林火災高風險區(qū)的林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例[3]，該區(qū)域位于森林公園的外圍，森林面積較大，林冠高大密集，且重慶多霧陰雨時節(jié)較長，但林區(qū)道路和電網(wǎng)資源豐富。鑒于此，設(shè)計單位建議建設(shè)單位租用中國鐵塔公司的現(xiàn)有鐵塔和中國移動公司的專線光纖進行傳輸?，F(xiàn)有鐵塔直接為移動信號服務(wù)，鐵塔地下已埋設(shè)光纖，建設(shè)初期該設(shè)施已通過審批手續(xù)，因此不需再為敷設(shè)光纖辦理占用林地或穿越自然保護地的相關(guān)手續(xù)，這是第一個優(yōu)勢；林火視頻攝像頭安裝在鐵塔上，鐵塔基站直接為其供電，安裝高度距地面20～25 m，高于林冠，以林火監(jiān)測、大型動物活動軌跡監(jiān)測、森林植被面貌監(jiān)測為主，數(shù)據(jù)和信號通過鐵塔下面的光纖直接傳送到監(jiān)測中心，前端通信租用≥30 M VPN專線，監(jiān)測中心通信租用≥100 M互聯(lián)網(wǎng)專線，信號傳輸質(zhì)量好，光纖帶寬充足，這是第二個優(yōu)勢；租用專業(yè)公司的基礎(chǔ)設(shè)施，由對方負責前端設(shè)備、傳輸寬帶的維護，不用擔心網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓收蠁栴}，這是第三個優(yōu)勢；另外，充分整合和利用公共資源，便于打造統(tǒng)一高效的一體化物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。缺點是租賃費用高，以1個點為例，建設(shè)單位每年需承擔的租賃及維護費用約5.3～5.5萬元。

綜上所述，自然保護地生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳輸選擇光纖傳輸模式必須考慮自身條件，首先要關(guān)注是否已布設(shè)鐵塔、點位分布和覆蓋范圍，因為新建光纖或鐵塔設(shè)施須考慮審批事宜，如自然保護區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)嚴格禁止開展任何開發(fā)建設(shè)活動、建設(shè)任何生產(chǎn)經(jīng)營設(shè)施，實驗區(qū)不得建設(shè)污染環(huán)境、破壞自然資源或自然景觀的生產(chǎn)設(shè)施[4]；故自然保護區(qū)采用光纖傳輸模式通常不太適合。另外，建設(shè)單位對于后期租賃費用是否能夠長期承擔，這又是一個重要因素。因此，已具備以上這兩方面條件的自然保護地選擇光纖傳輸模式較為合適。

3.2 微波傳輸

微波傳輸，指使用波長在0.1 mm至1 m范圍的電磁波—微波進行的無線通信。為便于免費利用，這里通常特指國家面向公共開放的民用2.4 G和5.8 G無線微波頻段。微波傳輸?shù)淖畲髢?yōu)點是頻帶寬、容量大，適合大空間遠距離無線傳輸，傳輸通道免費，缺點是傳輸線路要基本可視，盡量不能有遮擋，線路實在過長或避開不了遮擋時，可以適當增加中繼點增強傳輸信號或改變傳輸路徑；微波傳輸還會受大氣條件的影響，導致傳輸通道出現(xiàn)信號損耗，存在不確定性或干擾性。

利用微波傳輸模式的自然保護地較多，如江西鄱陽湖南磯濕地國家級自然保護區(qū)、云南轎子山國家級自然保護區(qū)、云南會澤黑頸鶴國家級自然保護區(qū)、云南劍湖濕地省級自然保護區(qū)、西藏雅魯藏布大峽谷國家級自然保護區(qū)等。以雅魯藏布大峽谷國家級自然保護區(qū)為例，該保護區(qū)位于西藏林芝，區(qū)域特點為海拔高、空氣稀薄但氣候穩(wěn)定、視野開闊、植被遮擋較少，設(shè)計單位立足多元化的監(jiān)控對象和復雜的立地條件，基于微波傳輸建立了一套完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5]。此外，大部分濕地類型，特別是湖泊濕地類型的自然保護地，湖面視距廣闊、遮擋極少、高差變化極小，比較適合遠距離傳輸?shù)奈⒉ǚ绞剑盘柋容^穩(wěn)定。

微波傳輸模式適宜于高海拔、林冠遮擋小、視野開闊的森林草甸型或者濕地型自然保護地，成本低，信號穩(wěn)定，基本能夠滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?/p>

3.3 4G傳輸

4G傳輸，指基于先進的4G(TD-LTE)無線寬帶接入技術(shù)的傳輸方式，通常采用1.8 GHz專網(wǎng)通信頻段，上行吞吐量可達50 Mbps，下行吞吐量達100 Mbps。4G傳輸?shù)淖畲髢?yōu)點是技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，具備高帶寬、低延時、大容量特性；缺點也很明顯，受4G信號覆蓋區(qū)域的限制，低延時不代表不延時，容易出現(xiàn)圖像、視頻信號卡頓、滯后、空白的現(xiàn)象。

以云南香格里拉普達措國家公園為例，管理機構(gòu)借助中央預算內(nèi)保護利用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，在尼汝片區(qū)運用了服務(wù)林火監(jiān)測、安防監(jiān)控、人為因素監(jiān)測的4G視頻監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，借助國際重要濕地保護監(jiān)測項目在碧塔海片區(qū)布設(shè)了水、土、氣、聲等因子的4G生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、水下中甸葉須魚的視頻監(jiān)測以及野生動物的紅外相機監(jiān)測等，采集的信號和數(shù)據(jù)最終匯集到位于普達措國家公園大數(shù)據(jù)中心的綜合管理信息化服務(wù)平臺上集中展示。由于國家公園內(nèi)的地形地貌復雜，范圍面積大，自然保護地類型交織分布，且國家投入的資金時序、項目類型不一致，分期、分片建設(shè)的因素不可回避；加之分監(jiān)控中心遠離前端基站或數(shù)據(jù)信號采集點，微波傳輸視距影響較大，光纖直接敷設(shè)到前端的條件不具備，因此，管理機構(gòu)按照分期建設(shè)理念，選擇在4G信號覆蓋區(qū)域，采用4G網(wǎng)絡(luò)+跳網(wǎng)鏈式傳輸?shù)姆绞?部分林火視頻信號采用微波傳輸)，將視頻信號匯聚到各片區(qū)的分監(jiān)控中心，再由分監(jiān)控中心通過租賃電信公司≥100 M互聯(lián)網(wǎng)專線回傳到大數(shù)據(jù)中心(指揮中心、監(jiān)測中心和監(jiān)控中心)。針對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的傳輸網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別于常規(guī)4G傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用前端設(shè)備自帶4G網(wǎng)絡(luò)上傳模式，即在設(shè)備上安裝一張4G手機卡，數(shù)據(jù)信號直接上傳到云端服務(wù)器，分監(jiān)控中心和大數(shù)據(jù)中心只需網(wǎng)頁登錄下載即可。針對紅外相機的傳輸網(wǎng)絡(luò)，通常以4G信號為基礎(chǔ)，配以中繼基站點對點傳輸，最后把圖片信號傳輸?shù)椒直O(jiān)控中心，再匯集到大數(shù)據(jù)中心。生物多樣性監(jiān)測在該區(qū)域的數(shù)據(jù)和信號傳輸，要求支持多媒體集群語音、視頻調(diào)度，高清無線視頻監(jiān)控以及寬帶數(shù)據(jù)傳輸，且大部分區(qū)域4G信號能夠承載，因此選擇4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模式是合適的。

選擇4G傳輸模式的自然保護地，一般是布設(shè)前端基站的區(qū)域不具備光纖或微波傳輸?shù)目赡?，或者是監(jiān)測的點位較分散，建網(wǎng)成本太大；同時，4G信號要能保證基本覆蓋且信號穩(wěn)定，這是重要條件。4G傳輸網(wǎng)絡(luò)的具體方式又分為3種：第一種是自帶4G手機卡信號直傳云端，第二種是4G網(wǎng)絡(luò)+跳網(wǎng)鏈式傳輸，第三種是4G網(wǎng)絡(luò)+基站點對點傳輸，均屬于比較成熟的技術(shù)模式，可根據(jù)實際情況自主選擇。

3.4 5G傳輸

5G傳輸，除利用中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電4家運營商擁有的5G專有頻段外，此處指基于頻段71～86 GHz 毫米波的無線通信方式，最大傳輸容量可達10 Gbps。廣義上，5G和4G一樣也屬于微波傳輸?shù)囊环N，但通常情況下按使用頻段區(qū)分指代。5G技術(shù)應(yīng)用于生物多樣性監(jiān)測領(lǐng)域是一個重要的突破，華為聯(lián)合中國科學院已試驗成功自主研發(fā)全套E波段毫米波芯片，目前已商業(yè)化。5G傳輸?shù)淖畲髢?yōu)點在于傳輸容量大，速度快，而且毫米波的波束很窄，指向性很好，具有較高的抗干擾和抗截獲性能優(yōu)勢。相伴而來的缺點在于5G頻率高，波長短，通信的覆蓋范圍常常受到限制，除了本身在微波頻段的路徑損耗，還容易受大氣吸收和降雨衰落的“大氣損耗”(常見的71～86 GHz的大氣損耗為0.35 dB/km)；此外，5G基站密度比4G基站通常大3～6倍，因為頻率越大，衰減就會越快，總體來說覆蓋范圍反而不如4G的大，相對后者只是傳輸速度和容量有所提升。

目前，海南全島已全面接通5G網(wǎng)絡(luò)，5G建設(shè)不斷取得新成果，致力于立體打造智能網(wǎng)聯(lián)示范島[6]。占海南全島國土面積1/5的海南熱帶雨林國家公園，其核心資源熱帶雨林作為世界熱帶雨林的重要組成部分，是熱帶雨林和季風常綠闊葉林交錯帶上唯一的“大陸性島嶼型”熱帶雨林，是我國分布最集中、保存最完好、連片面積最大的熱帶雨林[7]。海南熱帶雨林國家公園在4G基站升級的基礎(chǔ)上，高起點、大跨越建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，在尖峰嶺等九大板塊的入口社區(qū)和生態(tài)旅游服務(wù)區(qū)大量新建5G基站，致力于用最新的5G技術(shù)構(gòu)建國家公園生物多樣性監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡(luò)模式，成為一大特色和亮點。另外，云南白馬雪山國家級自然保護區(qū)地處滇西北高海拔地區(qū)，在傳統(tǒng)的微波和4G傳輸?shù)幕A(chǔ)上，在南北片區(qū)的數(shù)據(jù)匯集點建設(shè)5G基站，把前端匯集的成果數(shù)據(jù)通過5G基站快速傳輸?shù)奖Ｗo區(qū)外圍的監(jiān)測中心，正是采用71～86 GHz頻段，頻段高，干擾源很少，帶寬資源豐富，極大地提高了毫米波的通信容量，保證了信號傳輸速度和質(zhì)量流暢穩(wěn)定，成為高海拔自然保護區(qū)數(shù)據(jù)匯集傳輸?shù)囊环N新嘗試。

因此，自然保護地生物多樣性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)若選擇5G傳輸模式，原則上城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)基站較為容易，便于集中建設(shè)和信號覆蓋，野外區(qū)域由于5G技術(shù)覆蓋范圍限制、建設(shè)成本高、審批手續(xù)困難等問題，不適宜大面積布設(shè)基站。但從外圍數(shù)據(jù)匯集點到監(jiān)測中心，可以選擇增加5G基站替代光纖、微波、4G等方式，把大量的前端數(shù)據(jù)快速傳回到監(jiān)測中心，不失為一種創(chuàng)新的有效手段；或者針對外圍個別重要的前端監(jiān)測基站到監(jiān)測中心，選擇1～2路信號采用5G基站直傳，與其它傳輸方式在質(zhì)量和效果上建立對比，值得有條件的自然保護地嘗試。

3.5 自組網(wǎng)傳輸

自組網(wǎng)傳輸，是除以上4種網(wǎng)絡(luò)傳輸模式之外的一種新的傳輸方式。自組網(wǎng)的最大優(yōu)點是不依賴傳統(tǒng)信號和網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備即可解決大量原始的自然保護地封閉傳輸問題；缺點在于新技術(shù)，產(chǎn)品偏貴，部分偏遠地區(qū)難以支撐。

目前，國內(nèi)的自組網(wǎng)技術(shù)主要來自軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，主要是支持無公網(wǎng)信號的紅外相機或視頻攝像頭。從自然保護地生物多樣性監(jiān)測領(lǐng)域來看，有兩種產(chǎn)品可以選擇：一種是小鍋，如同鞋盒大小，在前端監(jiān)測設(shè)備或基站附近布設(shè)一個小鍋，接收整個片區(qū)的數(shù)據(jù)和信號，亮點在于其傳輸路徑不通過地面和地下，也不依賴空空傳播，而是直接發(fā)射光束以光波形式打向大氣層，通過光學反射原理，定點反射到監(jiān)測中心所在大樓頂部，定向發(fā)出，定點接收，信號傳輸極其穩(wěn)定，光波容量充足，適合大多數(shù)大型自然保護地，如云南香格里拉普達措國家公園，布設(shè)在碧塔海片區(qū)縱深地帶的紅外相機由于沒有公網(wǎng)信號，無法通過4G或微波等方式傳遞出來，除非采取數(shù)據(jù)卡離線存儲，間隔時間自取的方式，一般的技術(shù)難以實現(xiàn)，已通過小鍋產(chǎn)品技術(shù)試驗成功，實現(xiàn)了在國家公園大數(shù)據(jù)中心接收；另一種是衛(wèi)星通信，不依賴空地的設(shè)施和技術(shù)，直連衛(wèi)星信號，通過某衛(wèi)星實現(xiàn)與監(jiān)測中心的連通，目前已不存在技術(shù)難題，但費用成本較為昂貴。

選擇自組網(wǎng)傳輸模式，對自然保護地的地理位置、公網(wǎng)信號覆蓋無要求，但一次性投入的建設(shè)費用比較高，維護成本相對較低。在論證采取自組網(wǎng)傳輸?shù)谋匾院?，自然保護地管理機構(gòu)應(yīng)根據(jù)各自的財力情況斟酌考慮。

3.6 其它模式

除光纖、微波、4G、5G、自組網(wǎng)等方式，還有通過數(shù)據(jù)卡離線存儲，間隔一段時間后派專人取回的方式，但其影像和數(shù)據(jù)嚴重滯后，不具備實時性，且耗費人力、交通成本等。此外，還可采取任意組合的方式，除在終端數(shù)據(jù)匯總鏈路廣泛采用光纖模式外，中間鏈路經(jīng)常采用雙傳輸或三傳輸?shù)饶Ｊ剑?G—5G組合、微波—4G—5G組合、微波—5G組合、微波—自組網(wǎng)組合等，保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性。如云南會澤黑頸鶴國家級自然保護區(qū)采用了微波—4G的組合模式，香格里拉普達措國家公園采用了微波—4G—自組網(wǎng)的組合模式，云南白馬雪山國家級自然保護區(qū)采用了微波—4G—5G的組合模式，均是利用自身特點在總鏈路上分段組合傳輸，或者單點多備用傳輸，不拘泥于單一傳輸模式，最大程度地整合現(xiàn)有技術(shù)方案，為生物多樣性監(jiān)測提供網(wǎng)絡(luò)傳輸新模式。

此外，電源方面，由于自然保護地的電網(wǎng)條件較弱，通常只有靠近村鎮(zhèn)區(qū)域有低壓電網(wǎng)覆蓋，基站供電除小部分可考慮就近接自農(nóng)村電網(wǎng)外，其余基本上要考慮自備小型電源，可選用自帶太陽能(或風光互補)[8]、租用移動電信公司鐵塔基站電源或多種電源的組合，形成雙電源或雙回路供電，保證供電質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與建議

通過對生物多樣性監(jiān)測過程中傳輸模式的研究，表明不同自然保護地應(yīng)結(jié)合各自的保護地類型、自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件以及經(jīng)費保障等情況，選擇適合自己的主要傳輸模式，以構(gòu)建可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號的匯集和傳輸；不能實現(xiàn)單一傳輸網(wǎng)絡(luò)時，建議中間鏈路增加雙傳輸或三傳輸?shù)饶Ｊ?，加以雙電源或三電源等多重保障，為整個傳輸網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性、快速性奠定堅實的技術(shù)支撐。