一只斑头雁的IT故事

标签:IT故事视频监测

访客:11912  发表于:2012-09-03 10:51:12

如果没有网络视频监测系统,青海湖的生态保护者们,也许仍旧无法了解各种水鸟的生活习性。

“斑斑”是青海湖近万只斑头雁中的一只。4月初,完成了配偶工作的斑头雁们,陆续向青海湖的蛋岛和三块石岛集中,开始繁殖和孵化下一代。

“斑斑”随着它的家族来到了蛋岛。它们在蛋岛的某个区域,集中筑巢,并构建起一个协同防御的体系:家族中所有成员的巢与巢之间,形成共同的防御区域,一旦有其他的鸟类进入到这个区域,“斑斑”的兄弟姐妹们,就会群起而攻之。

像其他的斑头雁一样,在大的防御区域内,“斑斑”以自己的巢为原点,构建了个体防御范围。倘若其他的鸟类进入,它便会发起攻击,即便是配偶以外的家族成员。这时候,对于“斑斑”而言,没有什么事情比顺利繁殖出下一代更为重要的了。

侯元生是青海湖国家级自然保护区管理局的信息化负责人,他的主要工作职责之一,就是日常维护中科院为青海湖保护区建设的各种信息化系统。

他说,“如果没有科研信息化,青海湖保护区的大量保护和科研工作是做不起来的。”对斑头雁行为的研究,正是以野外探头收集的海量鸟类视频图像为基础开展的。

20万年前,青海湖是与黄河相通的淡水湖。由于地壳的剧烈运动,13万年前,青海湖被隆起的山地,围成了闭塞湖。而随着气候逐渐变干,青海湖最终转变为咸水湖。

青海湖是鸟的王国。每年,平均约有5万到6万只鸟,来到青海湖,在此栖息和繁殖。这些鸟的种类共有221种。3到4月,雁、鸭、鹤、鸥等夏候鸟陆续从南方迁徙到青海湖,择地营巢;5到6月,鸟类们开始繁殖;9月底,夏候鸟开始南迁;12月中旬冬候鸟迁来。

虽然青海湖的保护者们,能够描绘出青海湖鸟类来去的规律,但是对于青海湖的鸟类从何处来,到哪里去,各种不同鸟类的种群数量为何有时多,有时少,如何更好地保护鸟类等问题却一筹莫展——直到科研信息化在青海湖实施,而最初的由头却是禽流感的爆发。

追踪鸟的迁徙

2005年5月,在青海湖蛋岛上筑巢的“斑斑”忽然发现,身边的同伴们一只一只地离开了鸟群,有的颤巍巍地走向湖边,一头栽倒,再也没有起来;有的则远离筑巢地,将头扎到沙滩中,奄奄一息。

5月3日,青海湖的游客们发现了鸟类的异常情况。生病的鸟不仅仅限于“斑斑”的种群斑头雁,青海湖夏候鸟四大种群的另外三个:棕头鸥、鱼鸥和鸬鹚也开始出现类似的病症。

随后的调查结果震惊了全球,世界首例迁徙野生鸟间传播的高致病H5N1型禽流感,在青海湖爆发。“不到两周,死亡鸟类的数量高达6000多只,其中斑头雁死亡近千只,当时青海湖鸟类的总量约为4.8万只。”青海湖国家级自然保护区管理局副局长何玉邦回忆道。

禽流感爆发后,青海湖保护区除了按照要求对死亡鸟类进行处理外,并没有更多的办法去研究,野生鸟类为何会感染禽流感。

中科院信息化专家委员会主任阎保平说,已有研究表明,迁徙的候鸟有可能是高致病H5N1禽流感病毒传播的携带者,青海湖是候鸟中亚迁徙路线中最重要的繁殖地和经停地之一,那么,候鸟与家禽之间是否存在潜在的禽流感传播威胁?候鸟的迁徙路线与禽流感爆发之间的关系又如何呢?

在青海湖国家级自然保护区管理局副局长何玉邦的心中,在禽流感爆发后第一时间,率领学生和同事赶到青海湖的阎保平,是比珍稀动物还要稀少的科学家。“自带干粮干活,科研成果共享,在青海湖做应用,在青海湖做示范,推进青海湖的科研信息化。”他评价道。

为获得候鸟迁徙路线数据,在多次前往青海湖考察后,阎保平所在的中科院网络中心牵头与青海湖自然保护区、中科院动物所、病毒所、遥感所、寒旱所、微生物所以及西北高原所联合,并与美国地质勘探局(USGS)等机构合作,开展了青海湖候鸟迁徙的GPS跟踪研究。

从2007年到2008年,共有67只鸟类安装了GPS定位系统,包括29只斑头雁,“斑斑”便是其中的一只。安装的GPS系统在两年后,也就是2010年之后,将自动脱落,按照何玉邦的描述,这相当于给鸟背了一个很轻的书包。

侯元生介绍说,此前保护区也曾经给鸟类装上过GPS,但当初设备的地理精度和续航能力都比较差,研究效果并不理想。

这67个凭借太阳能续航的GPS定位系统,每两个小时会记录一次GPS数据,每两天会向卫星跟踪采用的Argos系统上传一次数据。67只鸟持续发回数据,在中科院建立的卫星跟踪数据库中,研究结束后,经整理,总记录数达到817173条。

Argos系统由数据发射平台、卫星上的DCS(数据采集系统)有效载荷、地面接收处理站和数据处理中心3部分组成。科研人员同时使用Google Earth,对跟踪数据进行展示,从而获得候鸟的迁徙路线。

他们看到,“斑斑”和它的同伴们在离开青海湖后,在玛多县附近的湖泊河流,如鄂陵湖、黑河等湿地附近较长停留后,经玉树进入西藏境内,并集中在拉萨河谷地带过冬。因为那里的农田在冬天有粮食遗留,而当地藏民,既不杀生也不容许他人杀生;同时,当地冬季气候温和。“斑斑”们找到了安全、适宜的湿地环境过冬。而“斑斑”的一个伙伴,甚至在12月的时候,飞跃了喜马拉雅山,在印度过了冬——那里曾经发生过禽流感,但中科院计算机网络信息中心李健说,这并不能证明野生鸟类的禽流感是由家禽传染的,除非有新的技术手段能够监测到鸟类身体内部的病变,例如,何时携带病毒?

随后,青海湖保护区按照GPS记录的数据,对67只候鸟迁徙的13个主要停经地、6个越冬地,展开了地面调查,发现这些地方有着相同的特点:有大量的食物资源,同时又远离人类聚居区。“鸟类迁徙的关键是食物和隐蔽场所。”何玉邦总结道。

虽然到现在为止,究竟是家禽传染了野生鸟,还是野生鸟传染了家禽,这一命题仍旧无法解答,但是青海湖生态保护者们通过对鸟类迁徙的研究获得了另一个收获,就是更加了解了鸟类的习性,从而能够更好地保护它们,以保障它们的种群更好地繁衍下去。

来年春天的3月,“斑斑”们将再次回到青海湖,配偶、繁殖,生态保护区要做的事情是,确保这些鸟类在繁殖的季节有安全、适宜的筑巢地。

“远离”鸟类

禽流感过去了,鸟类们周而复始的迁徙活动仍在继续。

“斑斑”再次回到蛋岛,进入新一轮的繁殖周期。困扰它繁殖的最大危险,并不仅仅是疾病和天敌,而更多的是来自于人类的干扰。

对于“斑斑”而言,在产卵时看到人,与看到狼的结果是相同的。斑头雁有很强的应急反应,在发现危险时,亲鸟会迅速离开幼鸟,这往往会造成弱小幼鸟的死亡。

事实上,青海湖保护区的工作人员必须要定期前往鸟类繁殖的岛屿检查是否安全,同时研究鸟类的习性,也需要人员监测。

阎保平说,青海湖科研项目主要围绕鸟类活动开展,人工观测环境恶劣、鸟类数据难以获得。

为了解决青海湖鸟类实时监控的难题,在禽流感发生的第二年,中科院在青海湖保护区蛋岛建立了第一个网络视频监测系统,监测鸟的孵化繁殖、哺育、疾病等行为。

此前,青海湖保护区在蛋岛曾设立了4个探头,视频传输技术手段较为落后,其主要作用是监督游客,避免游客翻越围栏。

据侯元生介绍,在过去的这几年里,青海湖野外实时视频监测范围不断扩大,监测设备也不断升级,网络也在2012年由IPv4跨越到了IPv6。

根据鸟类繁殖区域,以及珍稀动物普氏原羚的救护区域,目前,青海湖野外视频的监控范围扩展到了蛋岛、三块石、海心山、鸬鹚岛、布哈河口三角洲、普氏原羚庇护所六个保护区核心区。

由此,青海湖视频监测系统形成了一张独立的网络,包含6个局域网,除蛋岛核心枢纽外,其他5个局域网通过微波,将数据汇聚到蛋岛监控室,蛋岛监控室则通过光缆与保护管理局网络信息中心互联,现在保护区的工作人员不用上岛就可以实时监控鸟类的状况了。

在侯元生看来,视频监控系统在监测鸟类习性的同时,另一个重要作用就是防止渔民、野兽与鸟的接触。

过去,渔民会去布哈三角洲、三块石岛等地打渔,一方面他们会捡拾鸟蛋,另一方面也会给鸟的繁殖造成骚扰。打渔目前在青海湖是被禁止的。青海湖湟鱼是很多鸟类的主要食物,近年来湟鱼数量急剧减少,这有可能会使得鸟类没有粮食而影响到其种群的生存。“安装了监控设备之后,渔民就不敢再去鸟类繁殖地了,探头具有威慑作用,现在,鸟类繁殖地非常安静。”侯元生说。

侯元生的另一个故事,来自于狐狸。在上一个冬天,青海湖湖面结冰的时候,有一只狐狸登上了三块石岛,在湖面化开之后,这只狐狸并没有离开,也没有办法离开了,此时大批候鸟回迁,开始繁殖。侯元生从探头发现了狐狸,当他们到岛上驱赶狐狸时,已经有20多只鸟被狐狸咬死。“如果不及早发现,等到小鸟出来的时候,不知道会咬死多少鸟。”他说。

自从青海湖视频监控系统安装以来,青海湖管理局,通过探头在青海湖新发现了32种鸟类,将青海湖鸟类的数量由原来的189种,更新到了221种。

“斑斑”们也获得了前所未有安宁的繁殖环境。

科研与挑战

青海湖网络视频监测系统为科研打开了一扇窗户,通过摄像头获取的视频数据,对“斑斑”等鸟类繁殖期间各种习性的研究,一直在进行中,很多研究者也凭此发表了多篇论文。

而青海湖视频监测系统的图像,也由普清逐步升级到了标清,并最终部分跨越到了高清;后端系统,也从最初的没有服务器,依靠光盘存储数据,发展到了所有视频数据均有当地存储和远程异地(北京,中科院)存储备份。

何玉邦希望这些升级能够在未来,帮助网民在网上直接观看青海湖鸟类的实时视频。

据李健介绍,整个青海湖视频监测网络目前租用了20兆带宽,以与互联网实现连接。事实上,目前每天6个区域的视频探头,形成的高清图像数据,高达60~70G。

令侯元生高兴的是,视频图像资料目前已经实现了智能获取、自动录入、自动入库、自动传输和自动分类——不同的探头对着不同的鸟类,这些探头收集回来的数据,会按照不同的鸟类分类入库。

令侯元生困扰的是,到目前为止,还没有一种有效的办法,针对视频图像资料进行分析,从而实现对鸟类习性的自动研究。

侯元生现在用的还是土办法,即设定一个视频数据分析的流程,首先快速浏览,其次将有需求的视频画面分组,然后再由不同的研究小组对视频中鸟类的行为进行记录,最后放在模版中进行分析,这样即费时又费力。

“这是一个国际性的难题,中科院正在开展此类的研究,研究也仅仅处于对鸟类的识别阶段。”中国科学院计算机网络信息中心张海明说,将来海量视频放在网上,发挥大量网民的力量,相信会产生不错的研究成果。

事实上,青海湖视频监测系统除了能够提供科研服务外,本身就是一个科研项目。

该系统是一个典型的物联网应用。未来,物联网对地址的海量需求,被看作是推动IPv4向IPv6发展的一个重要原因。今年,该监控系统内所有的前端设备、网络设备、传输设备,均满足了IPv6协议标准。中科院的专家们在这一系统内做了大量有关IPv4与IPv6互通的实验。

在视频监测系统之外,还有另一个科研项目,即“青海湖国家级自然保护区联合科研基地数据基础平台”,该平台面向中科院很多研究所提供服务。数据库涵盖了鸟类资源调查数据库、候鸟监测视频数据库、环湖植被样地数据库、保护区生物多样性数据库、禽流感数据库、候鸟迁徙GPS数据库、基础地理数据库等相关科研资料库。

每个月侯元生都会前往环湖地区设置的24个鸟类监测样地,统计鸟类的种群数量、种类,巢区位移等数据,然后录入数据库。

通过数据分析,侯元生发现,青海湖的另一种主要夏候鸟棕头鸥,近几年来种群数量起伏不定,这与近8年来青海湖水位持续上升有很大关系。棕头鸥原来的巢区在蛋岛,由于与斑头雁的争巢,巢区位移到了布哈河三角洲;然而,两年之后,湖水上涨,巢区被淹掉了;于是,巢区又移到蛋岛边上的一些小岛;今年这些地方,又被淹掉,巢区又移到了鸬鹚岛东面较大的沙地里。

“在大自然面前,人终归是渺小的,湖水上涨对青海地区的气候是个好事情,但是对鸟类反而是件坏事情,因为鸟类的繁殖地都被淹掉了。到底是好事情?还是坏事情呢?”何玉邦疑问道。

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