自然保护地生物多样性监测网络传输模式研究①

王梦犀，易小理，李 玥，付元祥，苏 琴,张冠湘

(1.国家林业和草原局西南调查规划院，云南 昆明 650000；2.云南北纬数据技术有限公司，云南 昆明 650000)

自然保护地是由政府依法划定或确认，对重要的自然生态系统、自然遗迹、自然景观及其所承载的自然资源、生态功能和文化价值实施长期保护的陆域或海域。自然保护地是生态建设的核心载体、中华民族的宝贵财富、美丽中国的重要象征，在维护国家生态安全中居于首要地位[1]。生物多样性监测体系建设是实现生态系统健康稳定和生态文明建设的重要途径，为加强生物多样性保护、拯救珍稀濒危物种、实现生态系统稳定、促进人与自然和谐可持续发展，运用高科技手段实现生物多样性监测成为助力信息化建设的重要力量[2]。

以近年来各自然保护地建设的生物多样性监测内容为契机，对项目设计和实施过程中面临的技术难点，尤其是监测设备的网络传输问题加以剖析、研究，在结合当前国内技术的条件下，总结形成几套可复制、可推广的网络传输模式。

1 研究背景

近年来，中央和地方政府坚持绿水青山就是金山银山的理念，大力保护生态环境，促进人与自然和谐可持续发展，在林草生态项目中陆续投入大量资金致力于生物多样性监测，尤其是通过信息化建设改变传统单一的人工巡护监测现状，提升生物多样性监测水平，在国家公园、自然保护区、湿地公园、森林公园、风景名胜区等自然保护地布设视频监控、红外相机、监控基站等监测设施设备，在网络传输过程中采取有线或无线的方式，连通数据采集、信号汇集与数据信息综合展示和控制指挥的桥梁。不同的自然保护地，其自然环境各不相同，受气温、海拔、温湿度、日照以及极端天气等客观因素的干扰，网络传输方式各不相同，将直接影响数据传输的容量大小、稳定性和可靠性。此外，供电条件、供电方式、传输距离等前端因素也导致了传输模式的差异化。目前，各自然保护地在生物多样性监测传输网络建设时，面临着可选择的超高科技设备不多、设计理念不同以及设备供应商参差不齐等问题，导致传输网络在投产初期出现了信号不稳定、供电不足、信号丢失等网络传输问题，有些可以短期解决，有些是传输思路出现了差错，不能保证预期的理想传输效果。因此如何解决此技术问题或现实冲突，选择合适匹配的网络传输模式显得尤为重要。

2 总体思路

总体思路上，自然保护地常见的生物多样性监测网络传输架构基本相似(图1)。

图1 生物多样性监测网络传输架构Fig.1 Network transmission architecture of biodiversity monitoring

3 传输模式研究

生物多样性监测网络传输模式整体上分为有线和无线两种方式。有线传输，主要是光纤传输；无线传输，主要是微波、4G、5G、自组网等模式。基于不同传输模式的优缺点，以参与设计和研究的国内部分有代表性的自然保护地案例为基础，再次梳理分析在监测网络设计和应用方面的区别，总结研究出几套有价值的传输模式，并形成结论建议。

3.1 光纤传输

光纤传输，指通过光纤专网把前端基站的数据和信号传输到监测中心。光纤传输的最大优点是信号传输最稳定，且光纤容量可根据数据流量大小可控调节；缺点也很明显，如费用成本高、维护成本大、建设审批手续难等。

以重庆石柱森林火灾高风险区的林火视频监控系统为例[3]，该区域位于森林公园的外围，森林面积较大，林冠高大密集，且重庆多雾阴雨时节较长，但林区道路和电网资源丰富。鉴于此，设计单位建议建设单位租用中国铁塔公司的现有铁塔和中国移动公司的专线光纤进行传输。现有铁塔直接为移动信号服务，铁塔地下已埋设光纤，建设初期该设施已通过审批手续，因此不需再为敷设光纤办理占用林地或穿越自然保护地的相关手续，这是第一个优势；林火视频摄像头安装在铁塔上，铁塔基站直接为其供电，安装高度距地面20～25 m，高于林冠，以林火监测、大型动物活动轨迹监测、森林植被面貌监测为主，数据和信号通过铁塔下面的光纤直接传送到监测中心，前端通信租用≥30 M VPN专线，监测中心通信租用≥100 M互联网专线，信号传输质量好，光纤带宽充足，这是第二个优势；租用专业公司的基础设施，由对方负责前端设备、传输宽带的维护，不用担心网络传输的故障问题，这是第三个优势；另外，充分整合和利用公共资源，便于打造统一高效的一体化物联网基础设施。缺点是租赁费用高，以1个点为例，建设单位每年需承担的租赁及维护费用约5.3～5.5万元。

综上所述，自然保护地生物多样性监测网络传输选择光纤传输模式必须考虑自身条件，首先要关注是否已布设铁塔、点位分布和覆盖范围，因为新建光纤或铁塔设施须考虑审批事宜，如自然保护区核心区、缓冲区严格禁止开展任何开发建设活动、建设任何生产经营设施，实验区不得建设污染环境、破坏自然资源或自然景观的生产设施[4]；故自然保护区采用光纤传输模式通常不太适合。另外，建设单位对于后期租赁费用是否能够长期承担，这又是一个重要因素。因此，已具备以上这两方面条件的自然保护地选择光纤传输模式较为合适。

3.2 微波传输

微波传输，指使用波长在0.1 mm至1 m范围的电磁波—微波进行的无线通信。为便于免费利用，这里通常特指国家面向公共开放的民用2.4 G和5.8 G无线微波频段。微波传输的最大优点是频带宽、容量大，适合大空间远距离无线传输，传输通道免费，缺点是传输线路要基本可视，尽量不能有遮挡，线路实在过长或避开不了遮挡时，可以适当增加中继点增强传输信号或改变传输路径；微波传输还会受大气条件的影响，导致传输通道出现信号损耗，存在不确定性或干扰性。

利用微波传输模式的自然保护地较多，如江西鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区、云南轿子山国家级自然保护区、云南会泽黑颈鹤国家级自然保护区、云南剑湖湿地省级自然保护区、西藏雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区等。以雅鲁藏布大峡谷国家级自然保护区为例，该保护区位于西藏林芝，区域特点为海拔高、空气稀薄但气候稳定、视野开阔、植被遮挡较少，设计单位立足多元化的监控对象和复杂的立地条件，基于微波传输建立了一套完整的视频监控系统[5]。此外，大部分湿地类型，特别是湖泊湿地类型的自然保护地，湖面视距广阔、遮挡极少、高差变化极小，比较适合远距离传输的微波方式，信号比较稳定。

微波传输模式适宜于高海拔、林冠遮挡小、视野开阔的森林草甸型或者湿地型自然保护地，成本低，信号稳定，基本能够满足网络传输的需要。

3.3 4G传输

4G传输，指基于先进的4G(TD-LTE)无线宽带接入技术的传输方式，通常采用1.8 GHz专网通信频段，上行吞吐量可达50 Mbps，下行吞吐量达100 Mbps。4G传输的最大优点是技术成熟，应用广泛，具备高带宽、低延时、大容量特性；缺点也很明显，受4G信号覆盖区域的限制，低延时不代表不延时，容易出现图像、视频信号卡顿、滞后、空白的现象。

以云南香格里拉普达措国家公园为例，管理机构借助中央预算内保护利用基础设施建设项目，在尼汝片区运用了服务林火监测、安防监控、人为因素监测的4G视频监测网络，借助国际重要湿地保护监测项目在碧塔海片区布设了水、土、气、声等因子的4G生态环境监测、水下中甸叶须鱼的视频监测以及野生动物的红外相机监测等，采集的信号和数据最终汇集到位于普达措国家公园大数据中心的综合管理信息化服务平台上集中展示。由于国家公园内的地形地貌复杂，范围面积大，自然保护地类型交织分布，且国家投入的资金时序、项目类型不一致，分期、分片建设的因素不可回避；加之分监控中心远离前端基站或数据信号采集点，微波传输视距影响较大，光纤直接敷设到前端的条件不具备，因此，管理机构按照分期建设理念，选择在4G信号覆盖区域，采用4G网络+跳网链式传输的方式(部分林火视频信号采用微波传输)，将视频信号汇聚到各片区的分监控中心，再由分监控中心通过租赁电信公司≥100 M互联网专线回传到大数据中心(指挥中心、监测中心和监控中心)。针对生态环境监测的传输网络，区别于常规4G传输网络，采用前端设备自带4G网络上传模式，即在设备上安装一张4G手机卡，数据信号直接上传到云端服务器，分监控中心和大数据中心只需网页登录下载即可。针对红外相机的传输网络，通常以4G信号为基础，配以中继基站点对点传输，最后把图片信号传输到分监控中心，再汇集到大数据中心。生物多样性监测在该区域的数据和信号传输，要求支持多媒体集群语音、视频调度，高清无线视频监控以及宽带数据传输，且大部分区域4G信号能够承载，因此选择4G网络传输模式是合适的。

选择4G传输模式的自然保护地，一般是布设前端基站的区域不具备光纤或微波传输的可能，或者是监测的点位较分散，建网成本太大；同时，4G信号要能保证基本覆盖且信号稳定，这是重要条件。4G传输网络的具体方式又分为3种：第一种是自带4G手机卡信号直传云端，第二种是4G网络+跳网链式传输，第三种是4G网络+基站点对点传输，均属于比较成熟的技术模式，可根据实际情况自主选择。

3.4 5G传输

5G传输，除利用中国移动、中国联通、中国电信和中国广电4家运营商拥有的5G专有频段外，此处指基于频段71～86 GHz 毫米波的无线通信方式，最大传输容量可达10 Gbps。广义上，5G和4G一样也属于微波传输的一种，但通常情况下按使用频段区分指代。5G技术应用于生物多样性监测领域是一个重要的突破，华为联合中国科学院已试验成功自主研发全套E波段毫米波芯片，目前已商业化。5G传输的最大优点在于传输容量大，速度快，而且毫米波的波束很窄，指向性很好，具有较高的抗干扰和抗截获性能优势。相伴而来的缺点在于5G频率高，波长短，通信的覆盖范围常常受到限制，除了本身在微波频段的路径损耗，还容易受大气吸收和降雨衰落的“大气损耗”(常见的71～86 GHz的大气损耗为0.35 dB/km)；此外，5G基站密度比4G基站通常大3～6倍，因为频率越大，衰减就会越快，总体来说覆盖范围反而不如4G的大，相对后者只是传输速度和容量有所提升。

目前，海南全岛已全面接通5G网络，5G建设不断取得新成果，致力于立体打造智能网联示范岛[6]。占海南全岛国土面积1/5的海南热带雨林国家公园，其核心资源热带雨林作为世界热带雨林的重要组成部分，是热带雨林和季风常绿阔叶林交错带上唯一的“大陆性岛屿型”热带雨林，是我国分布最集中、保存最完好、连片面积最大的热带雨林[7]。海南热带雨林国家公园在4G基站升级的基础上，高起点、大跨越建设5G网络，在尖峰岭等九大板块的入口社区和生态旅游服务区大量新建5G基站，致力于用最新的5G技术构建国家公园生物多样性监测传输网络模式，成为一大特色和亮点。另外，云南白马雪山国家级自然保护区地处滇西北高海拔地区，在传统的微波和4G传输的基础上，在南北片区的数据汇集点建设5G基站，把前端汇集的成果数据通过5G基站快速传输到保护区外围的监测中心，正是采用71～86 GHz频段，频段高，干扰源很少，带宽资源丰富，极大地提高了毫米波的通信容量，保证了信号传输速度和质量流畅稳定，成为高海拔自然保护区数据汇集传输的一种新尝试。

因此，自然保护地生物多样性监测网络若选择5G传输模式，原则上城区和乡镇建设基站较为容易，便于集中建设和信号覆盖，野外区域由于5G技术覆盖范围限制、建设成本高、审批手续困难等问题，不适宜大面积布设基站。但从外围数据汇集点到监测中心，可以选择增加5G基站替代光纤、微波、4G等方式，把大量的前端数据快速传回到监测中心，不失为一种创新的有效手段；或者针对外围个别重要的前端监测基站到监测中心，选择1～2路信号采用5G基站直传，与其它传输方式在质量和效果上建立对比，值得有条件的自然保护地尝试。

3.5 自组网传输

自组网传输，是除以上4种网络传输模式之外的一种新的传输方式。自组网的最大优点是不依赖传统信号和网络中继设备即可解决大量原始的自然保护地封闭传输问题；缺点在于新技术，产品偏贵，部分偏远地区难以支撑。

目前，国内的自组网技术主要来自军转民技术，主要是支持无公网信号的红外相机或视频摄像头。从自然保护地生物多样性监测领域来看，有两种产品可以选择：一种是小锅，如同鞋盒大小，在前端监测设备或基站附近布设一个小锅，接收整个片区的数据和信号，亮点在于其传输路径不通过地面和地下，也不依赖空空传播，而是直接发射光束以光波形式打向大气层，通过光学反射原理，定点反射到监测中心所在大楼顶部，定向发出，定点接收，信号传输极其稳定，光波容量充足，适合大多数大型自然保护地，如云南香格里拉普达措国家公园，布设在碧塔海片区纵深地带的红外相机由于没有公网信号，无法通过4G或微波等方式传递出来，除非采取数据卡离线存储，间隔时间自取的方式，一般的技术难以实现，已通过小锅产品技术试验成功，实现了在国家公园大数据中心接收；另一种是卫星通信，不依赖空地的设施和技术，直连卫星信号，通过某卫星实现与监测中心的连通，目前已不存在技术难题，但费用成本较为昂贵。

选择自组网传输模式，对自然保护地的地理位置、公网信号覆盖无要求，但一次性投入的建设费用比较高，维护成本相对较低。在论证采取自组网传输的必要性后，自然保护地管理机构应根据各自的财力情况斟酌考虑。

3.6 其它模式

除光纤、微波、4G、5G、自组网等方式，还有通过数据卡离线存储，间隔一段时间后派专人取回的方式，但其影像和数据严重滞后，不具备实时性，且耗费人力、交通成本等。此外，还可采取任意组合的方式，除在终端数据汇总链路广泛采用光纤模式外，中间链路经常采用双传输或三传输等模式，如4G—5G组合、微波—4G—5G组合、微波—5G组合、微波—自组网组合等，保证信号传输的稳定和可靠性。如云南会泽黑颈鹤国家级自然保护区采用了微波—4G的组合模式，香格里拉普达措国家公园采用了微波—4G—自组网的组合模式，云南白马雪山国家级自然保护区采用了微波—4G—5G的组合模式，均是利用自身特点在总链路上分段组合传输，或者单点多备用传输，不拘泥于单一传输模式，最大程度地整合现有技术方案，为生物多样性监测提供网络传输新模式。

此外，电源方面，由于自然保护地的电网条件较弱，通常只有靠近村镇区域有低压电网覆盖，基站供电除小部分可考虑就近接自农村电网外，其余基本上要考虑自备小型电源，可选用自带太阳能(或风光互补)[8]、租用移动电信公司铁塔基站电源或多种电源的组合，形成双电源或双回路供电，保证供电质量的可靠性和稳定性。

4 结论与建议

通过对生物多样性监测过程中传输模式的研究，表明不同自然保护地应结合各自的保护地类型、自然条件、基础设施条件以及经费保障等情况，选择适合自己的主要传输模式，以构建可靠的传输网络，实现数据和信号的汇集和传输；不能实现单一传输网络时，建议中间链路增加双传输或三传输等模式，加以双电源或三电源等多重保障，为整个传输网络的稳定性、可靠性、快速性奠定坚实的技术支撑。