自然保护区电子围栏应用及对策研究

王 欢 ，鲁 宁 ，徐伟恒 ，黄晓园 ，戴 杨 ，杨微微

（1.西南林业大学 大数据与智能工程学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224；3.西南林业大学 信息化技术中心，云南 昆明 650224）

自然保护区是生物多样性的核心载体，保护自然保护区对生态平衡建设和改善生态环境质量都有重要的作用[1]。由于自然保护区地形复杂、范围广、森林茂密、情况复杂人工管理的方式无法达到预期目标，经常会出现盗采、盗伐、偷猎、破坏野生动物栖息地等违法现象[2]。在自然保护区内的功能区界线作为保护的重要屏障，由于缺乏有效的防护设施，人类活动较为频繁，导致珍稀动植物造成巨大损失。传统围栏造价成本高、施工难道大，如何采用高科技手段保护生态环境不被破坏，高效监控管理自然保护区成为迫切解决的问题。通过完善自然保护区的智慧化建设，平衡保护区生态系统保护利用与区域社会协调发展。

电子围栏系统也被称为边界防护系统，是一种采用先进的无线通信原理针对目前日益增加的数据获取需求而开发的一种全新的信息捕获和数据分析手段[3]。电子围栏的发展和普及为自然保护区生物多样性保护带来了诸多机会，如何将虚拟的电子围栏应用到范围更广的、面积更大的自然保护区上，成为自然保护区亟待解决的问题。国家林业和草原局、国家发展改革委、财政部、自然资源部、农业农村部日前联合印发《国家公园等自然保护地建设及野生动植物保护重大工程建设规划（2021—2035年）》，明确了我国自然保护地建设和野生动物保护未来15年的目标任务和重点措施，将作为统筹推进自然保护地生态系统稳定和质量提升、国家重点保护物种保护的依据。电子围栏技术应用在自然保护区的智慧化建设方面，可作为野生动植物资源保护的辅助手段，也将在生态管理、自然保护区治安防控等领域发挥重要的作用。全面构建智慧自然保护区电子围栏监控系统，可以有效提高监管效率，推进自然保护地生态系统整体保护、提升国家重点保护物种保护水平、增强生态产品供给能力、维护生物安全和生态安全，提升生物多样性数字化监管水平。

1 自然保护区电子围栏应用现状与问题

电子围栏之前多用于刑侦和共享单车管理方面的虚拟电子围栏，或用于安防监控系统、畜牧养殖、交通航运物联网等方面的物理电子围栏。而将电子围栏应用在大范围防护的项目较少，尤其是自然保护区采用虚拟电子围栏的更少。

1.1 电子围栏应用现状

传统电子围栏有脉冲、张力、静电型安防电子围栏、地埋泄漏型安防电子围栏、振动光纤型安防电子围栏等[4]，但这种电子围栏技术主要应用于公共安全领域，适用范围为小区域。在野外林场、自然保护区地域宽阔，甚至很多区域存在无信号、供电困难等客观因素，如果自然保护区只是使用传统物理电子围栏技术不仅投入成本高昂，也不切合实际，很难做到推广。

共享单车电子围栏采用GPS定位+蓝牙解锁和还车模式[5]，通过划定正负清单电子围栏限制车辆违规停放[6]。共享单车电子围栏需要在每辆单车上安装GPS定位才行实现精准定位。对于自然保护区复杂的出入人员，尤其是非法闯入者，不能简单的将GPS等软件强行安装到手机上。但可以借鉴共享单车电子围栏，应用到自然保护区护林人员的管理、定位和巡查工作。

1.2 自然保护区边界管理存在的问题

自然保护区的作用主要是对自然资源以及生态系统进行保护，但自然保护区边界不清晰，基础设施和设备缺乏，建设管理经费短缺，建设管理与生产生活矛盾突显[7]，保护区周边的群众对建立自然保护区的意义和生态保护认识不足，造成自然保护区部分边界区域被周边村民侵占。另外近年来随着驴友“背包客”徒步旅游的火热，导致各类自然保护区成为了众多驴友的旅游探险地[8]，跨越保护区边界随时可能有不确定的危险发生。

部分自然保护区边界安装物理围栏或电子围栏，对野生动植物有一定的危害。研究表明物理围栏对野生有蹄类动物的威胁以及观察到的被围栏缠绕的野生动物的数量明显增加，给野生动物带来了很多负面影响,会制约它们的活动范围,妨碍其种群扩散甚至会直接导致死亡[9]。有效清除野生动物栖息地四周的障碍物、科学预留供野生动物使用的穿越通道、增设野生动物逃生通道等措施消除野生动物生存的威胁[10]，升级电子围栏智慧管理系统,推动完善生态补偿机制,最终减少人类活动对野生动植物生存造成的不利影响。

1.3 自然保护区电子围栏的应用现状

电子围栏系统能够将各监督区域内的视频监控体系、周界报警体系、电子巡更体系、门禁体系、短信报警操控体系联动整合，把防区内的音/视频画面、人员轨迹的状况、防区内的报警信号等数据及时地传回监控中心，便利建立长效监管机制。澳大利亚新南威尔士州的马利悬崖国家公园针对珍稀动物红帚尾袋鼩，保护区设置了9000 hm2多的电子围栏装置，能够屏蔽野猫、狐狸等捕食者的侵扰[11]。

国内部分自然保护区已经着手开展电子围栏的试点工作，如云南会泽黑颈鹤国家级自然保护区管护局在念湖候鸟越冬地，建立全天候鸟哨兵电子围栏，为保护区内珍稀动植物保驾护航[12]。重庆市林业局全面推进国家级自然保护区电子围栏建设，将金佛山国家级自然保护区电子界桩建设成电子围栏示范基地[13]，在自然资源监管、生物多样性监测、人类活动管控、巡护管理等方面都取得显著成效。2022年6月11日海南热带雨林国家公园建设电子围栏实现“智慧化”管护。全面推进人工巡护与智能监测相结合的自然保护区电子围栏建设，进一步提升自然保护区监督管理能力。

2 自然保护区电子围栏应用场景设计

根据中共中央办公厅、国务院办公厅《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》，将自然保护区“三区变两区”[14]（即由原来的核心区、缓冲区、实验区转变为核心保护区和一般控制区)一般情况下，将自然保护区原核心区、缓冲区转为核心保护区，将原实验区转为一般控制区。自然保护区电子围栏依据新的两区界限进行设置。自然保护区根据保护区域特征，合理利用高科技手段，减少人工治理成本，提升保护管理能力，实现保护区内非法闯入的有效监管，才能保护生态环境不被破坏。自然保护区的虚拟电子围栏系统主要是指在保护区内的核心保护区、一般控制区等关键地点、重点地段设置安装4G视频监控、IP广播音柱、无线信号探测器、电子界桩等设备，利用图像识别、大数据分析、人工智能、GIS地图等技术[15]对自然保护区的控制区域进行实时监控和记录的系统工程。

自然保护区电子围栏系统示意图如图1所示，通过在一般控制区和核心保护区两个区域的多个进出路口和要道，以及敏感区域设置安装高清4G摄像头、IP广播音柱、红外相机、无线信号探测器等设备[16]，限制非法闯入者在自然保护区内一切开发建设活动和人员活动。通过安装监控设置电子围栏，可以监控自然保护区核心保护区内植被破坏、环境污染、人为活动干扰生态环境和资源开发超限、超域、超额等问题[17]。控制区特殊林木、饮用水水源保护区及周边生态植被破坏进行监测，重点保护的珍稀野生动植物区域可以利用无人机进行巡防，实现天地空一体化的管理[18]。将人工巡护与智能监测相结合，加大保护巡查力度，加强资源监测力度和精准度，进一步提升监督管理能力。

图1 自然保护区电子围栏系统示意图Figure 1 Schematic diagram of electronic fence system in nature reserve

3 自然保护区电子围栏应用及对策建议

如表1所示自然保护区电子围栏功能措施表，自然保护区电子围栏按照自下向上四层保护和两个区域划分，其中：一般控制区包括一层重点防控大道、小路口电子围栏，利用手机基站推送短信提示警告闯入者、4G太阳能摄像头跟踪获取图像、视频信息。二层重点保护林木、水源电子围栏，利用语音喇叭警告闯入者，太阳能摄像头跟踪获取图像、视频信息，同时将实时位置上报指挥中心，护林员巡视途中可以采取必要的防控驱赶措施。当然一、二层保护又有交叉互补，可以通过数据反推和定位跟踪闯入者。核心保护区包括三层核心区边界保护，利用电子界桩（报警器）精准检测界桩倒伏和人员入侵现象，通过入侵抓拍、越界统计分析，IP语音音柱报警，播放驱离声音，并通过无线探测设备抓取犯罪信息。四层珍稀野生动植物保护电子围栏，利用高清摄像头（太阳能）和红外相机观察分析野生动植物活动规律和情况，同时后台记录抓拍犯罪人员信息，及时反馈上报，针对每层保护对象都有相对应的电子围栏防护措施。同时各个层次防护措施又交叉互补，互相协助、相互利用。

表1 自然保护区电子围栏功能措施表Table 1 Functional measures of electronic fence in nature reserve

3.1 手机（道路路口）电子围栏

自然保护区范围广、周边各种大道小道分布较多，特别是居民居住地附近与保护区交叉部分，通过了解当地的实际地理环境、位置差异，道路建设情况和异常事件发生情况，明确交通要道，关键卡口和路线，重点要害区域等位置，设置依托运行商基站或者单独架设信息采集设备的手机电子围栏，向用户推送保护区管理要求，防火等短信。对敏感人群，可以限制其上网，获取手机定位信息，实时跟踪敏感用户。特殊敏感的大道、小路口安装4G太阳能摄像头，24小时不间断监控录像保障安全，人形追逐抓拍、声光警戒、360度全景监控道路。通过内置4G模板，实时传输到后台控制中心，并且巡防人员可以通过电脑或手机查看调取实时画面，实时对讲喊话非法闯入者。

3.2 保护林木、水源的电子围栏

自然保护区内分布的多个需要重要保护的林木和水源地，其中水源地保护地包括蓄水水域、主要汇流河道、沿岸陆域及汇水区域的耕地、林地等，布防保护林木、水源的电子围栏，凡是进入自然保护区饮用水水源一级保护区范围的手机用户，都会收到一条提醒短信。主要依托工信、环保部门和三大移动通信运营商实施的一项短信自动提醒服务，饮用水水源保护地电子围栏范围为取水口上游1000m至下游100m，该范围内禁止进行网箱养殖、垂钓、游泳、旅游等一切可能污染水体的活动。

在人们误闯入保护区林木、水源地时，在电子监控下的保护区就会形成一个虚拟的电子检测圈，此时检测圈感应到有人误闯，广播就会发出提示的声音，同时摄像头会进行自动抓拍，指挥中心会收到实时警报，此时工作人员就会进行实时喊话，安排负责该网格化管理区内的护林员前去查看情况。

3.3 边界界桩电子围栏

《“十四五”林业草原保护发展规划纲要》中提到：推进整合优化并勘界立标是国家公园等自然保护区重点项目。依托地理信息系统，在电子边界中设置虚拟电子标识，用于重要定标点的信息存储和查证，支持借助智能终端等定位设备进行现场核验和提示。在重点地段（部位)、重要拐点设置边界界桩电子围栏，在生态保护空间边界上（自然保护区、国家公园、生态保护红线等）设立统一规范的标识标牌，并进行智能化监管，对保证生态红线边界落地准确、清晰和严守生态红线具有重要意义。

电子界桩是一种沿自然保护区边界、生态保护红线区域、国有林场勘界按一定标准设立的电子地界标志桩[19]。综合运用了姿态传感、红外入侵、可见光图像传感等复合传感与人工智能（AI）技术，可精准监测界桩倒伏与人员入侵现象。电子界桩利用基于窄带物联网(NB-IoT)、4G等无线通信接入网络，通过实时现场数据回传，能够及时掌控界桩姿态、现场环境、入侵抓拍、越界信息统计等功能。电子界桩具有太阳光自供电、蜂窝组网等功能，不需市电供电、不需铺设线缆、不需人工值守[20]，具有部署灵活、安装简便、准确可靠等显著特点。

通过电子界桩，实现边界管理的信息化、智能化。设立电子界桩后，可全天候、全周期进行监管，一旦发现有人为移动、挪走或损毁等情况，及时发现并进行处理，解决人员管理存在大量盲区无法及时监管的情况。实现减少人力投入，减少巡查人员的巡逻，及时发现被损坏、破坏的界桩，有目的的进行现场了解勘察。通过重点边界区域电子界桩集成多种传感器，掌握管控区域人类活动行为，统计分析人员进入的总体数量、进入时间时段等，针对分析结果提出相应区域保护的改进措施。

3.4 珍稀野生动植物特殊电子围栏

自然保护区核心区主要生长和分布着珍稀的野生动植物，是生物多样性保护的重点区域，但核心界线作为保护的重要屏障并不能很好限制人为活动，导致珍稀动植物的安全面临着威胁。自然保护区核心区可以通过安装激光电子围栏，近地面网络无线信号探测器、IP网络广播音柱，通过供电电缆，信号传输光缆，微波网桥无线传输设备互联，综合形成互联网+物联网+GIS的系统保护电子围栏。通过建立自然保护区电子围栏信息化数字平台系统，借助防护措施的物联设备，实现对非法闯入人员或者其他物种红外探测，实时获取入侵位置并上报指挥中心，同时通过IP音柱发出警告（你已非法闯入核心区，请立即离开），进行广播驱离，后台系统自动调取指定网络摄像头对入侵位置拍照、录像，进行核实、取证。针对特殊的野生动植物，可以利用近地面网络无线信号探测器自动截取入侵人员手机MAC地址，通过公安实名登记系统核实相关人员犯罪信息，从而形成“防控为主，威慑为辅”的一体化安全监管系统。

后期可在此基础上完善增加系统管理或移动端应用管理，实现可视化的基本信息展示、监控状态监测、入侵事件监测、入侵报警通知、历史数据查询、数据统计分析。移动端手机APP实现查看抓拍照片,进行电子地图定位，查看综合状况信息、数据统计等功能，实现空间可视化分析。通过技术手段，让数据说话震慑了违规、违法人员，为自然保护区建立一个安全、和谐的家园。

4 讨论与展望

自然保护区电子围栏是个系统工程，要实现自然保护区的电子围栏，需综合应用移动通信监测缓冲区、利用电子界桩区桩监测区界、利用AI智能卡口监测要道路口、利用红外相机监测重要保护区、利用保护区人工巡护APP报送信息、利用无人飞机警示跟踪取证，把多种技术相结合，才能建立整个保护区域的电子围栏闭环，最好将人工巡护与智能监测相结合，提高保护巡查力度，保护自然资源不被破坏。

当然，本研究只是从理论角度分析了保护区电子围栏建设，离真正的实施和布控还有很大差距。自然保护区电子围栏系统怎么集成管理？各个层次是否布局合理？护林人员如何科学管理巡视？资金缺口怎么支持？都是亟待解决的问题。但是通过科学手段，虚拟化电子围栏是个趋势。从保护野生动植物入手，从试点区域着手、逐步推进、推行电子围栏，搭建天地空一体化的生态检测、资源管理系统，逐步实现智慧自然保护区。但是，自然保护区电子围栏只是一个防护手段，比防护更重要的是加大宣传力度，通过大数据平台、手机短信、微信群、村广播等载体宣传自然保护区的保护、宣传安全防护的预防，是短期见效最快的途径。真正做到预防为辅，宣传为主。