CN112637557A - 一种生态监测预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于生态检监测技术领域，提供一种生态监测预警系统，包括后台中心，所述后台中心连接有若干集中器，每个集中器连接有多个监测桩，所述监测桩从下至上依次是支撑立柱、监测装置和收集装置。本系统为主动式系统，通过音频响应吸引动物靠近，能够更好拍摄到动物视频和图像；而且能够监测360度范围的动物是否经过，提高了监测效率；同时通过图像处理技术，计算等效长度，通过等效长度对动物图像进行分类，基本上大致相同体型的动物归为一类，有利于后续查看和处理。

Description

一种生态监测预警方法及系统

技术领域

本发明属于生态检监测技术领域，尤其涉及一种生态监测预警方法及系统。

背景技术

目前生态监测预警系统一般通过在合适的位置布置野保相机，来拍摄固定 位置的图像。一般通过红外感应检测视野范围内是否有动物经过，然后自动抓 拍图像或者视频上传至后台。

目前的生态检测预警系统的野保相机位置安装固定，一般安装于树干上， 摄像头朝向固定，只能拍摄单一方向的动物，监测范围有限，而且也是被动式 监测，只能等待动物自己到来，监测效果不佳。同时生态检测预警系统只完成 图像抓拍和上传，不对所拍摄的图像进行动物识别，长时间工作后，所拍摄的 动物的图像比较杂乱，不便于后续处理。虽然现有算法可以根据根据图像识别 具体动物种类，一般采用神经网络的深度学习方法，首先通过成千上万图像作 为训练样本，神经网络进行学习和分类，使用时，对于当前拍摄的照片进行处 理，根据训练能力，给出最大概率的结果判断。这种方式虽然能够细分各种动物，但是过程比较复杂，需要对升级野保相机的计算能力，明显会提高生态监 测预警系统的建设成本。而且实际中，我们也不要求将所有图像所有动物都准 确识别出来，仅需简单分类即可，也便于后续后台图像处理。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种生态监测预警方法及系统，旨 在解决现有生态监测预警系统监测效果不佳、无法对图像进行简单分类的技术 问题。

一方面，所述生态监测预警系统包括：后台中心，所述后台中心连接有若 干集中器，每个集中器连接有多个监测桩，所述监测桩从下至上依次是支撑立 柱、监测装置和收集装置，所述监测装置包括圆柱壳体，所述圆柱壳体顶部为 顶盖，内部有支撑板，所述支撑板底部有控制板，所述顶盖和支撑板之间有旋 转摄像头，所述圆柱壳体正对所述旋转摄像头高度位置有一圈透明亚克力环板， 所述圆柱壳体周向还布置有若干红外距离探头，所述旋转摄像头顶部与顶盖直 接通过转动组件连接，所述旋转摄像头底部中央有立杆，所述支撑板中央有支 撑轴承，所述立杆底部安装至所述支撑轴承，所述立杆中部有大齿盘，所述支 撑板上有转动电机，所述转动电机的输出轴有与所述大齿盘啮合的小齿盘，所 述支撑板下方空间有扬声器，所述收集装置包括上下支架，所述上下支架间周 向布置有若干抛物面，所述抛物面开口朝外设置内焦点位置设有拾音器，所述 顶盖中心向上设有安装架，每个拾音器均安装在所述安装架上。

进一步的，所述圆柱壳体分成上粗下细的两段，上下两段通过锥面过渡， 且上段底部边缘露出一部分，所述锥面且下段靠近锥面位置均开有声孔，下段 内底部还设有圆环，所述扬声器设于所述圆环内，所述圆环外周还有一圈密封 环，所述密封环顶部有接水槽，所述接水槽底部连通穿出圆柱壳体外。

进一步的，所述支撑立柱包括下筒体和上筒体，所述上筒体插入所述下筒 体内且通过螺栓锁紧，所述上筒体底部四周有固定肋片，所述监测装置底部固 定至所述上筒体顶部。

另一方面，所述生态监测预警方法包括下述步骤：

收集装置拾音器收集音频信号发送至控制板，控制板分析音频信号特性， 当满足动物音频特性时，将音频信号幅度最大一路拾音器收集的音频信息进行 滤噪和放大，并输出至对应方向的扬声器播放；

当其中有红外距离探头检测到动物靠近时，旋转电机驱动旋转摄像头转至 当前红外距离探头方向，并触发录制视频，视频录制过程中定时间隔抓取若干 帧图像，每抓取一帧图像同时通过红外距离探头获取动物的距离，并将距离与 图像绑定；

针对每帧图像，首先计算归一化距离d＝d_x/d₀，其中d_x为当前图像对应 的距离，d₀为d₀为预设的标准距离，通过轮廓检测算法检测图像中连续的动物 轮廓，计算动物轮廓的归一化高度h_x＝d×(h_max-h_min)以及归一化宽度 w_x＝d×(w_max-w_min)，其中h_max和h_min分别是动物轮廓所占像素的高度最大 下标和最小下标，w_max和w_min分别是动物轮廓所占像素的宽度最大下标和最 小下标,计算等效长度L_x＝k₁×h_x+k₂×w_x，其中k1大于1，k2小于1；

取最大等效长度，根据最大等效长度的大小进行分类，将录制的视频以及 抓拍的图像进行打包并标记分类号，然后发送至集中器；

集中器将打包数据发送至后台中心，后台中心按照分类号对应存储。

5、如权利要求4所述生态监测预警方法，其特征在于，k1的取值范围为 1-2，k2的取值范围为0.5-0.8。

本发明的有益效果是：

1、本发明生态监测预警系统包括一个后台中心、若干集中器以及多个监测 桩，形成一个组网系统，能够方便快速监测和响应。

2、本发明监测桩独立安装于动物经过路径附近，摄像头可转动，可以监测 各角度范围的动物活动，与现有不同野保相机不同，现有野保相机位置固定， 安装于树干上，监测范围有限；

3、本发明系统为主动式系统，通过收集声音并分析是否是动物声音，当为 动物声音时通过扬声器将音频放大输出，形成动物的应答声音，吸引动物靠近， 能够更好拍摄到动物视频和图像。

4、当拍摄到视频时，定时抓取图像，计算图像动物的等效长度，取最大值 分类，通过此方式将图像和视频进行大致分类，在后台分类存储，这样基本上 大致相同体型的动物归为一类，有利于后续查看、预警和处理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的生态监测预警系统的结构图；

图2是本发明实施例提供的监测桩的结构图；

图3是本发明实施例提供的监测桩的局部放大图；

图4是本发明实施例提供的生态监测预警方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的生态监测预警系统的结构，为了便于说明 仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的生态监测预警系统包括后台中心，所述后台中心连接有若 干集中器，每个集中器连接有多个监测桩。

本实施例中，多个监测桩与一个集中器组成一组，监测桩由集中器供电， 同时进行双向数据和信号传输。监测桩用于安装在动物行走路径附近，监测桩 分布式布置，可以采用多出的视频和图像数据。数据采集后发送至集中器，由 集中器统一推送至后台中心分类存储。

如图2、3所示，所述监测桩从下至上依次是支撑立柱1、监测装置2和收 集装置3，所述监测装置2包括圆柱壳体21，所述圆柱壳体21顶部为顶盖22， 内部有支撑板23，所述支撑板23底部有控制板24，所述顶盖22和支撑板23 之间有旋转摄像头25，所述圆柱壳体21正对所述旋转摄像头高度位置有一圈 透明亚克力环板26，所述圆柱壳体周向还布置有若干红外距离探头27，所述旋 转摄像头25顶部与顶盖22直接通过转动组件28连接，所述旋转摄像头25底 部中央有立杆29，所述支撑板23中央有支撑轴承210，所述立杆29底部安装 至所述支撑轴承210，所述立杆29中部有大齿盘211，所述支撑板上有转动电 机212，所述转动电机的输出轴有与所述大齿盘211啮合的小齿盘213，所述支 撑板23下方空间有扬声器214，所述收集装置3包括上下支架31，所述上下支 架31间周向布置有若干抛物面32，所述抛物面32开口朝外设置内焦点位置设 有拾音器33，所述顶盖中心向上设有安装架34，每个拾音器33均安装在所述 安装架34上。

监测桩通过抛物面收集声音，抛物面有多个，朝不同方向设置，比如设置 四个，当声音从不同方向穿过来是，同一时刻，不同的抛物面收集到的声音强 度是不同的。每个抛物面焦点位置有一个拾音器，拾音器将采集到的音频数据 发送至控制板，由控制板进行音频分析，取音频强度最大的一路抛物面所对方 向作为动物方向，然后控制板对该路音频数据进行将滤噪和音频放大，然后通 过对应的扬声器对外播放。本实施例扬声器内置有多个音频喇叭，音频喇叭和 抛物面的朝向一一对应，这样对应喇叭输出音频，与动物形成一种语音交互， 有利于吸引动物靠近。

红外距离探头与抛物面的数量和朝向也一一对应。当动物靠近后，其中的 红外距离探头可以检测到动物靠近监测桩且可以测量动物的距离，然后控制旋 转摄像头转至当前检测的红外距离探头相同朝向，旋转摄像头拍摄视频和定时 抓怕照片，通过照片的识别处理对当前动物进行大致分类，最后将数据打包发 送出去保存。

图示中，所述圆柱壳体21分成上粗下细的两段，上下两段通过锥面过渡， 且上段底部边缘露出一部分，所述锥面且下段靠近锥面位置均开有声孔215， 下段内底部还设有圆环216，所述扬声器设于所述圆环内，所述圆环外周还有 一圈密封环217，所述密封环顶部有接水槽，所述接水槽底部连通穿出圆柱壳 体外21。此结构中，圆柱壳体上粗下细，而且上段底部边缘露出一部分，这样 雨水会顺着边缘滴下，且边缘能起到挡水作用，避免进入声孔。而且即便是声 孔进水，圆环也可以挡水防止进入扬声器。另外，雨水也会通过接水槽以及通 道排出。

进一步的，所述支撑立柱1包括下筒体11和上筒体12，所述上筒体12插 入所述下筒体11内且通过螺栓锁紧，所述上筒体底部四周有固定肋片13，所 述监测装置底部固定至所述上筒体12顶部。这种结构安装牢固，下筒体下部分 埋设于土内，保证稳定性，同时整个支撑立柱高度可调。

本实施例还提供了一种生态监测预警方法包括下述步骤：

步骤S1、音频收集输出步骤。收集装置拾音器收集音频信号发送至控制板， 控制板分析音频信号特性，当满足动物音频特性时，将音频信号幅度最大一路 拾音器收集的音频信息进行滤噪和放大，并输出至对应方向的扬声器播放。

环境噪音和动物声音存在明显差异，环境噪音一般都是持续性的，或者偶 发性，没有规律，而动物声音在音频以及持续时间与环境噪音存在明显差异， 因此通过检测声音的频率以及持续时间、声音强度的起伏变化即可区分出环境 噪音和动物声音。然后将信号幅度最大的一路音频信息滤噪放大，可以输出模 仿动物的声音，形成交互，主动吸引动物靠近。

步骤S2、图像获取步骤。当其中有红外距离探头检测到动物靠近时，旋转 电机驱动旋转摄像头转至当前红外距离探头方向，并触发录制视频，视频录制 过程中定时间隔抓取若干帧图像，每抓取一帧图像同时通过红外距离探头获取 动物的距离，并将距离与图像绑定。

当检测到动物靠近时，旋转摄像头转至对应方向并录制视频，同时抓拍图 像。每次抓拍图形时，红外距离探头可以获取动物的距离。

步骤S3、等效长度计算步骤。针对每帧图像，首先计算归一化距离 d＝d_x/d₀，其中d_x为当前图像对应的距离，d₀为预设的标准距离，通过轮廓 检测算法检测图像中连续的动物轮廓，计算动物轮廓的归一化高度 h_x＝d×(h_max-h_min)以及归一化宽度w_x＝d×(w_max-w_min)，其中h_max和h_min分 别是动物轮廓所占像素的高度最大下标和最小下标，w_max和w_min分别是动物 轮廓所占像素的宽度最大下标和最小下标,计算等效长度L_x＝k₁×h_x+k₂×w_x，其中k1大于1，k2小于1。

本步骤通过图像处理将图像动物大致根据体型大致分类，无需经过复杂算 法进行动物智能识别。由于距离不同，动物在图像中展现出的覆盖面积存在偏 差，因此本步骤将图像当前动物距离进行归一化，得到归一化距离，具体的用 当前距离处于标准距离，比如标准距离预设为5米，当前检测的距离为10米时， 那么归一化距离为2，本质上归一化距离为一个比例系数。

图像的动物轮廓检测算法是现有方法，比如直接用图像减背景就可以直接 得到，也有其他算法，这里不一一列举。如果有图像中有两个或更多动物轮廓， 则这些动物轮廓相互独立，每个动物轮廓计算归一化高度和归一化宽度，并进 行后续处理，各动物轮廓均要计算最大等效长度。

归一化高度就是当前动物轮廓的高度所占像素数量乘以归一化距离，归一 化宽度就是当前动物轮廓的宽度所占像素数量乘以归一化距离。通过用归一化 距离修正后，可以修正动物在图像上近大远小的误差。

最后计算等效长度，等效长度为归一化高度和归一化宽度分别乘以一个调 整系数进行结果相加。一般来说，在不同的视觉角度，大部分动物的高度变化 较小，而长度变化比较大，比如动物面部正对摄像头和侧身正对摄像头的宽度 轮廓是不一样的，而高度基本不变，因此在计算等效长度时，将归一化高度乘 以要给大于1的调整系数，而归一化宽度乘以一个小于1的调整系数，这样使 得计算的等效长度在不同视角是误差不会过大。

步骤S4、图像分类打包步骤。取最大等效长度，根据最大等效长度的大小 进行分类，将录制的视频以及抓拍的图像进行打包并标记分类号，然后发送至 集中器。

由于会抓拍数张图像，每张图像均可计算动物的等效长度，取最大的等效 长度作为当前抓拍图像和录制视频的分类依据。用最大等效长度对图像的动物 进行分类，虽然无法准确分类出各种动物，但是基本上还是可以将超大型、大 型、中大型、中型、中小型、小型动物进行分类，能够实现动物的初步分类。 将视频和抓拍图像打包后，用对应的分类号进行标记，发送至集中器。

步骤S5、数据发送保存步骤。集中器将打包数据发送至后台中心，后台中 心按照分类号对应存储。

最后将数据统一发送至后台中心分类存储。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生态监测预警系统，其特征在于，所述系统包括后台中心，所述后台中心连接有若干集中器，每个集中器连接有多个监测桩，所述监测桩从下至上依次是支撑立柱、监测装置和收集装置，所述监测装置包括圆柱壳体，所述圆柱壳体顶部为顶盖，内部有支撑板，所述支撑板底部有控制板，所述顶盖和支撑板之间有旋转摄像头，所述圆柱壳体正对所述旋转摄像头高度位置有一圈透明亚克力环板，所述圆柱壳体周向还布置有若干红外距离探头，所述旋转摄像头顶部与顶盖直接通过转动组件连接，所述旋转摄像头底部中央有立杆，所述支撑板中央有支撑轴承，所述立杆底部安装至所述支撑轴承，所述立杆中部有大齿盘，所述支撑板上有转动电机，所述转动电机的输出轴有与所述大齿盘啮合的小齿盘，所述支撑板下方空间有扬声器，所述收集装置包括上下支架，所述上下支架间周向布置有若干抛物面，所述抛物面开口朝外设置内焦点位置设有拾音器，所述顶盖中心向上设有安装架，每个拾音器均安装在所述安装架上。

2.如权利要求1所述生态监测预警系统，其特征在于，所述圆柱壳体分成上粗下细的两段，上下两段通过锥面过渡，且上段底部边缘露出一部分，所述锥面且下段靠近锥面位置均开有声孔，下段内底部还设有圆环，所述扬声器设于所述圆环内，所述圆环外周还有一圈密封环，所述密封环顶部有接水槽，所述接水槽底部连通穿出圆柱壳体外。

3.如权利要求2所述生态监测预警系统，其特征在于，所述支撑立柱包括下筒体和上筒体，所述上筒体插入所述下筒体内且通过螺栓锁紧，所述上筒体底部四周有固定肋片，所述监测装置底部固定至所述上筒体顶部。

4.一种生态监测预警方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

收集装置拾音器收集音频信号发送至控制板，控制板分析音频信号特性，当满足动物音频特性时，将音频信号幅度最大一路拾音器收集的音频信息进行滤噪和放大，并输出至对应方向的扬声器播放；

当其中有红外距离探头检测到动物靠近时，旋转电机驱动旋转摄像头转至当前红外距离探头方向，并触发录制视频，视频录制过程中定时间隔抓取若干帧图像，每抓取一帧图像同时通过红外距离探头获取动物的距离，并将距离与图像绑定；

针对每帧图像，首先计算归一化距离d＝d_x/d₀，其中d_x为当前图像对应的距离，d₀为d₀为预设的标准距离，通过轮廓检测算法检测图像中连续的动物轮廓，计算动物轮廓的归一化高度h_x＝d×(h_max-h_min)以及归一化宽度w_x＝d×(w_max-w_min)，其中h_max和h_min分别是动物轮廓所占像素的高度最大下标和最小下标，w_max和w_min分别是动物轮廓所占像素的宽度最大下标和最小下标,计算等效长度L_x＝k₁×h_x+k₂×w_x，其中k1大于1，k2小于1；

取最大等效长度，根据最大等效长度的大小进行分类，将录制的视频以及抓拍的图像进行打包并标记分类号，然后发送至集中器；

集中器将打包数据发送至后台中心，后台中心按照分类号对应存储。

5.如权利要求4所述生态监测预警方法，其特征在于，k1的取值范围为1-2，k2的取值范围为0.5-0.8。

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