CN113624279B - 基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统，其中，所述系统包括多个现场采集点和一个数据中心，其中，现场采集点与数据中心通讯连接，现场采集点包括声景大数据采集单元和声景大数据传输单元，其中，声景大数据采集单元用于采集生态系统的环境参数、声音和图像数据，声景大数据传输单元用于将声景大数据采集单元所采集的各种数据传送至数据中心，数据中心包括声景大数据分析单元和声景大数据可视化单元，其中，声景大数据分析单元用于对接收到的各种数据进行处理和分析，以及声景大数据可视化单元用于对声景大数据分析单元的处理和分析结果进行展示，以实现对生物多样性实时监测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统。
背景技术
生物多样性在传统研究中通常是通过物种丰度、物种全基因组或物种功能特征等相关的指标来衡量，但这些指标的获取往往需要耗费大量的人力和物力。声景作为一个综合性很强的生态指标，包含着丰富的生态学信息，如雀鸟鸣叫、风吹水流，以及城市的各类噪音，具有大数据的典型特征，同时具有易得，易记录的特点，随着录音技术的发展，为生物多样性的实时监测带来了新思路。
目前国内外对声景数据的采集多以手持设备进行采集，如便携式录音机，或者通过在野外布设录音设备进行声音采集，录音结束后取回实验室进行分析。声景相关参数，如声场中的温湿度、辐照、风速、气压等环境参数缺乏采集，而这些环境参数都对生物有着直接或者间接的影响。同时声音文件作为一种高密度数据，其数据容量远高于常规环境参数数据，对其进行远程传输，在野外对有限的网络带宽带来了极大的挑战。
在借助声景来分析生物的多样性的研究方面，尽管有各类型的声音指数为生物多样性评价提供了帮助，但是受制于不同场景，使得指数的通用性差，缺乏可移植性，目前还没有一个单独的声音指数能够准确地描述生物多样性。
发明内容
本发明旨在提供一种基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：
基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统，其可包括多个现场采集点和一个数据中心，其中，现场采集点与数据中心通讯连接，现场采集点包括声景大数据采集单元和声景大数据传输单元，其中，声景大数据采集单元用于采集生态系统的环境参数、声音和图像数据，声景大数据传输单元用于将声景大数据采集单元所采集的各种数据传送至数据中心，数据中心包括声景大数据分析单元和声景大数据可视化单元，其中，声景大数据分析单元用于对接收到的各种数据进行处理和分析，以及声景大数据可视化单元用于对声景大数据分析单元的处理和分析结果进行展示，以实现对生物多样性实时监测和分析。
进一步地，声景大数据采集单元包括环境参数传感器、声音传感器、摄像头和微型电脑，微型电脑上集成RS485通信接口和USB接口，环境参数传感器与RS485通信接口连接，声音传感器和摄像头与USB接口连接。
进一步地，摄像头集成在声音传感器上。
进一步地，现场采集点还包括供电单元，所述供电单元包括在线电源、应急供电电池和监测模块，监测模块用于监测在线电源的运行状态，若运行状态不正常则及时启用应急供电电池，以确保系统正常运行。
进一步地，声景大数据传输单元包括4G或WIFI模块和传输协议，其中，微型电脑和数据中心通过4G或WIFI模块通讯连接，传输协议包括MQTT协议和FTP协议，环境参数数据封装为Json格式，通过MQTT协议进行传输，声音和图像数据通过FTP协议传输。
进一步地，声景大数据分析单元包括特征提取模块、CNN卷积网络、UMAP降维模块以及随机森林模块，根据获得的声景数据，在特征提取模块的协助下，提取声音的梅尔频谱图，并将生成的梅尔频谱图转化成128维的特征向量，然后输入CNN卷积网络进行分类，分类完成后借助UMAP降维模块将128维的声学特征降至2维空间，然后借助随机森林模块进行特征聚类，来实现不同特征声音的集聚或者分散呈现。
进一步地，梅尔频谱图采用Kaiser窗口进行采样分析，以及CNN卷积网络采用VGGish架构。
进一步地，声景大数据可视化单元包括静态统计结果可视化模块和实时动态信息可视化模块，其中，静态统计结果可视化模块用于展示声景大数据的分析结果，包括归档数据的统计报表，生物多样性分析图和历史分析报告，实时动态信息可视化模块用于实时展示在线现场采集点的联网情况、声音事件的侦测情况以及声场内的各类环境参数实时数据和实景图片。
进一步地，环境参数包括光照、辐照、风速、大气温湿度、土壤温湿度和大气压力。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明借助传感器、边缘计算和网络技术，通过对声景大数据的实时采集和分析，有助于降低生物多样性的定期监测或调查所需要的成本，同时也有助于我国国家公园等重要自然风景名胜地区中声景资源的保护和管理工作。
附图说明
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
图1是本发明的基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统的方框图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统可包括多个现场采集点1和一个数据中心2，其中，现场采集点1与数据中心2通讯连接，现场采集点1可包括声景大数据采集单元11、声景大数据传输单元12和供电单元13，其中，声景大数据采集单元11用于采集生态系统的环境参数、声音和图像数据，声景大数据传输单元12用于将声景大数据采集单元所采集的各种数据传送至数据中心2，供电单元13用于提供声景大数据采集单元11所需电力。数据中心2可包括声景大数据分析单元21和声景大数据可视化单元22，其中，声景大数据分析单元21用于对接收到的各种数据进行处理和分析，以及声景大数据可视化单元22用于对声景大数据分析单元的处理和分析结果进行展示，以实现对生物多样性实时监测和分析。下面对各个单元模块进行详细说明。
声景大数据采集单元11可包括光照、辐照、风速、大气温湿度、土壤温湿度、大气压力等环境参数传感器、声音传感器和摄像头，通过这些传感设备来实现相关信息的采集。声景大数据采集单元22借助微型电脑来进行，微型电脑集成有RS485通信接口和USB接口，其中多个环境参数传感器通过RS485通信接口来实现同时接入，而声音传感器和摄像头则借助USB接口来实现数据的通信。优选地，摄像头可以集成在声音传感器上，以减少布线。
声景大数据传输单元12主要包括4G或者WiFi模块，以及通信协议。通过各类传感器采集的数据不仅包括结构化的环境参数数据(光照、辐照、风速、大气温湿度、土壤温湿度、大气压力)，也包括非结构化的声音和图像数据。对这两类数据采取不同的传输策略：声景大数据采集单元11采集到传感器数据后，进行数据的封装，其中环境参数封装为Json格式，通过MQTT协议进行传输到数据中心2的MQTT服务器，声音和图像数据则借助FTP协议来进行传输。在传输前对声音和图像数据进行压缩，降低数据量，也可以借助采集端的边缘计算能力对数据进行初步特征分析来降低数据容量。在传输过程中对通信认证和数据进行加密，防止数据被篡改，提高安全性。在数据中心2中，针对两类结构不同的数据，采取不同的存储策略：对于结构化数据(环境参数数据)采用关系型数据库进行存放，而对于非结构化数据(声音和图像数据)则采用文件形式进行存放，并依据时间和站点对文件进行组织，以便后续对非结构数据的高效检索。
供电单元13主要包括在线电源、监测模块以及应急供电电池。监测模块主要通过电能表监测在线电源的电能、电压以及功率等指标，从而监测在线电源是否正常运行，若运行状态不正常，则能够及时启动应急供电电池，保证系统的正常运行。
声景大数据分析单元21主要包括特征提取模块、CNN卷积网络、UMAP降维模块以及随机森林模块等。根据获得的声景数据，在特征提取模块的协助下，提取声音的梅尔频谱图，梅尔频谱图采用Kaiser窗口进行采样分析，并将生成的梅尔频谱图转化成128维的特征向量，然后输入CNN卷积网络进行分类，CNN采用VGGish架构。分类完成后借助UMAP降维模块将128维的声学特征降至2维空间，然后借助随机森林模块进行特征聚类，来实现不同特征声音的集聚或者分散呈现。通过聚类结果的分散或者集聚特征来判断生物多样性信息，再结合采集的光照、辐照、风速、大气温湿度、土壤温湿度和大气压力等环境数据，采用相关性统计方法，分析生物多样性聚类结果与其相关关系。
声景大数据可视化单元22主要包括静态统计结果可视化模块和实时动态信息可视化模块。可视化模块主要由静态和动态数据调用函数、图表呈现函数、页面更新函数，以及HTML页面控制样式CSS构成，实现数据的静态统计结果展示以及实时采集分析数据的展示。静态统计结果可视化模块主要展示声景大数据的分析结果，包括归档数据的统计报表，生物多样性分析图和历史分析报告，方便用户查看系统分析了各类结果。实时动态信息可视化模块则实时展示在线站点的联网情况、声音事件的侦测情况、声场内的各类环境参数实时数据和实景图片，方便系统管理人员实时监测系统的运行状态。
本发明借助传感器、边缘计算和网络技术，通过对声景大数据的实时采集和分析，有助于降低生物多样性的定期监测或调查所需要的成本，同时也有助于我国国家公园等重要自然风景名胜地区中声景资源的保护和管理工作。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于声景大数据的生物多样性实时监测和分析系统，其特征在于，所述系统包括多个现场采集点和一个数据中心，其中，现场采集点与数据中心通讯连接，现场采集点包括声景大数据采集单元和声景大数据传输单元，其中，声景大数据采集单元用于采集生态系统的环境参数、声音和图像数据，声景大数据传输单元用于将声景大数据采集单元所采集的各种数据传送至数据中心，数据中心包括声景大数据分析单元和声景大数据可视化单元，其中，声景大数据分析单元用于对接收到的各种数据进行处理和分析，以及声景大数据可视化单元用于对声景大数据分析单元的处理和分析结果进行展示，以实现对生物多样性实时监测和分析；其中，环境参数包括光照、辐照、风速、大气温湿度、土壤温湿度和大气压力；声景大数据分析单元包括特征提取模块、CNN卷积网络、UMAP降维模块以及随机森林模块，根据获得的声景数据，在特征提取模块的协助下，提取声音的梅尔频谱图，并将生成的梅尔频谱图转化成128维的特征向量，然后输入CNN卷积网络进行分类，分类完成后借助UMAP降维模块将128维的声学特征降至2维空间，然后借助随机森林模块进行特征聚类，来实现不同特征声音的集聚或者分散呈现；通过聚类结果的分散或者集聚特征来判断生物多样性信息，再结合采集的环境参数数据，采用相关性统计方法，分析生物多样性聚类结果与所述环境参数数据的相关关系；
所述声景大数据可视化单元包括静态统计结果可视化模块和实时动态信息可视化模块，其中，静态统计结果可视化模块用于展示声景大数据的分析结果，包括归档数据的统计报表，生物多样性分析图和历史分析报告，实时动态信息可视化模块用于实时展示在线现场采集点的联网情况、声音事件的侦测情况以及声场内的各类环境参数实时数据和实景图片。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，声景大数据采集单元包括环境参数传感器、声音传感器、摄像头和微型电脑，微型电脑上集成RS485通信接口和USB接口，环境参数传感器与RS485通信接口连接，声音传感器和摄像头与USB接口连接。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，摄像头集成在声音传感器上。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，现场采集点还包括供电单元，所述供电单元包括在线电源、应急供电电池和监测模块，监测模块用于监测在线电源的运行状态，若运行状态不正常则及时启用应急供电电池，以确保系统正常运行。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，声景大数据传输单元包括4G或WIFI模块和传输协议，其中，微型电脑和数据中心通过4G或WIFI模块通讯连接，传输协议包括MQTT协议和FTP协议，环境参数数据封装为Json格式，通过MQTT协议进行传输，声音和图像数据通过FTP协议传输。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在数据中心中，对于环境参数数据采用关系型数据库进行存放，而对于声音和图像数据则采用文件形式进行存放，并依据时间和站点对文件进行组织，以便后续对非结构数据的高效检索。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，梅尔频谱图采用Kaiser窗口进行采样分析，以及CNN卷积网络采用VGGish架构。
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