基于被动声学的对虾摄食行为研究进展

被动声学监测(Passive acoustic monitoring, PAM)技术可在对水生生物不造成干扰或损害的情况下获取水生生物的声音信息,并利用这些信息进行各种生态研究和养殖活动管理。随着对虾养殖技术的不断提高和进步,对虾的养殖密度持续增加,但是饲料利用率低、水质恶化等问题严重制约对虾养殖的快速发展。利用被动声学监测技术可实现智能化的自动投饲,提高饲料利用率和缓解水质恶化。文章主要阐述了对虾的摄食过程及其影响因素,总结了近年来被动声学监测技术在对虾摄食声信号的研究进展和应用情况,分析了被动声学监测技术的优缺点,并针对存在的问题提出未来的发展趋势,以期为自动投饲系统走向智能化提供参考。

基于压电超声换能器的被动声学发展及应用综述

深入探讨了微电子机械系统(MEMS)在被动声学领域的应用,特别关注了压电效应、常用压电材料和传感结构设计三方面。阐述了压电效应的基本概念,介绍了石英、PZT(锆钛酸铅)和ZnO(氧化锌)等主要的压电材料,这些材料因其出色的压电特性而被广泛用于MEMS技术。同时详细分析了悬臂梁、薄膜等传感结构,这些结构能够高效地将声波能量转换为电信号。特别介绍了MEMS麦克风、MEMS水听器和MEMS声发射传感器3种具有代表性的MEMS声学器件,并详细说明其工作原理及其在不同领域的应用。最后对MEMS声学器件在消费电子、工业检测、环境监测、军事及医疗等领域的应用进行总结,并对其未来发展趋势进行了展望。

长江生态考核指标: 基于被动声学监测的长江江豚数量

长江是复杂的生态系统,但是随着长江生态环境的持续变化,尤其是人类扰动所致的变化,长江中的几种极其重要的大型物种先后因此而走向“灭绝”,或“极可能灭绝”,或“极度濒危”,因此在现阶段有必要以现存于长江中的大型物种的生存状况为核心,建立一项新的生态考核指标,以综合表征长江生态系统的健康状况和生物多样性的完整性,为“十年禁捕”和《长江保护法》的顺利实施提供科技支持。长江江豚(Neophocaena asiaeorientalis asiaeorientalis)仅分布于长江中下游及洞庭湖、鄱阳湖,是长江中极可能仅存的大型水生哺乳动物,多年来一直受到社会各界的高度关注,已成为长江“明星”物种。长江江豚种群分布和数量的变化与长江生态环境和鱼类资源的变化密切相关,具有综合表征生态环境质量和生物多样性及其变化的基本属性。在复杂的水下声环境中,长江江豚的声纳信号具有独特的时频特征,具有较强的可监测性和可量化特征,并且已被广泛应用于长江江豚的被动声学监测、实时识别和群体估算。同时,在自然水域对长江江豚进行被动声学监测是一项方便和高效的工作。在沿江和沿湖设置一些样地水域,布置水下声学仪器,开展长期被动声学监测,不但可以掌握长江江豚的分布规律、群体规模及其变化,而且可以为定量分析样地水域生态环境质量和鱼类等水生生物的丰度提供可信的依据,继而可以为定量评价所监测水域人类活动对生态环境及水生生物扰动提供长期数据支撑。因此,基于被动声学监测的长江江豚种群数量,可作为一项重要的生态考核指标,用于定量评价长江生态环境质量和水生生物多样性及其在时间和空间上的变化,并用于考核相关保护工作的落实情况和实际的保护效果。

基于被动声学技术的海洋生物测量研究进展

综述了开展基于被动声学技术实现海洋生物测量的重要性;介绍了国内外被动声学技术用于海洋鱼类测量的研究背景、发展现状、存在的问题和发展趋势。列举了常用的被动测量设备以及被动声学数字信号处理方法,包括数据采集、预处理、端点检测、特征提取和识别技术;分析了采用上述测量技术可以研究海洋鱼类的栖息地、生活习性以及人类活动对鱼类的影响。通过列举石首鱼和鳕鱼的发声研究,提出今后被动声学技术研究的重点应集中于各种被动鱼目标特征库的建立和完善,鱼类、海豚等海洋生物的被动声辐射机理的分析,具有代表性的声特征参数以及鱼类发声和特殊行为之间的关联的研究。

被动声学监测技术在国家公园生物多样性保护中的作用及发展趋势

我国正着手打造全球最大的国家公园体系,迫切需要开展大尺度的生物多样性调查和监测,从而为国家公园建设发展提供重要支撑。新兴的被动声学监测(PAM)技术,是开展大尺度生物多样性研究的良好手段,近年来受到越来越多的关注。对PAM技术的概念、发展和优势进行了概述,并从声景的动态变化监测、生物多样性研究、生物与环境关系、人为活动对生物影响以及声景的生态服务和生态保护5个方面,介绍了PAM技术在国家公园生物多样性保护中的作用。从构建大尺度声景监测网络、助力濒危物种保护、改进声学存储分析技术以及声景资源的开发利用和保护4个方面,探讨了国家公园声学调查和监测的发展趋势。讨论了PAM技术当前所面临的挑战,并对其发展前景进行了展望。综上所述,PAM技术未来会成为开展生态保护和自然资源利用的重要手段,并在我国国家公园建设和管理中发挥重要作用。

一种适用于被动声学监测系统的海豚回声定位信号快速检测方法

被动声学监测仪已成为海豚的声信号研究的重要手段。为解决监测系统计算速度慢、检测正确率低等问题,满足低功耗长期工作的需求,文章结合海豚回声定位信号的时域特征,提出了一种快速检测方法。该算法不需要进行快速傅里叶变换和频域分析,因此大大提高了计算速度并有效降低了系统算力需求,进而延长被动声监测系统的工作时间和提高工作效率。使用野外和室内采集的中华白海豚以及宽吻海豚声信号数据进行测试。测试结果表明,检测速度大幅提高,且检测正确率达到90%以上。

被动声学监测技术在九里湖湿地公园鸟类监测中的应用研究

该文以徐州九里湖采煤塌陷地国家湿地公园自然栖居野生鸟类为对象,基于生物声学记录仪实采的野外鸟鸣声数据,开展了基于鸟鸣声的物种识别试验性研究。在构建徐州地区塌陷地湿地公园14种常见鸟类鸣声数据库的基础上,对比分析了物种识别试验结果和相应人工野外调查情况,结果表明所研物种识别系统可实现95%以上的鸟类物种识别准确率,并且能够在植被茂密的栖息地环境下弥补人工调查监测盲区,从而显著提高鸟类监测工作的有效性和便利性。研究成果对于被动声学监测技术在鸟类物种多样性监测与保护领域的广泛应用具有良好的推动作用。

AI辅助识别的鸟类被动声学监测在城市湿地公园中的应用

为了探究基于AI识别的鸟类被动声学监测手段在城市湿地公园中的应用效果,同时对比其与传统人工样线调查结果的差别,本研究于2023年3–5月在广州市湾咀头湿地公园开展了为期3个月的同期监测。样线法为每月调查两次;声学监测法通过安装两台声纹监测仪,全天开启触发录制模式,通过4G网络回传音频文件并使用以珠三角鸟类名录构建的AI识别模型进行鸟种识别,再对结果进行置信度筛选和人工复核。样线法累计记录鸟类2,200只次;声学监测法共采集音频96,848条,筛选验证获得有效记录34,117条。两种方法共记录鸟类70种,其中样线调查记录鸟类48种,声学监测记录49种,两种调查方法都记录到的鸟类有27种。两种调查方法重叠的物种比例不足总物种数的一半,说明在此类湿地公园生境下这两种方法尚无法互相取代。样线调查结果相对准确、便于估算种群密度,但对调查者的认鸟水平和工作量要求较高;声学监测可自动化运行,便于扩大监测规模,但后期数据处理难度较大,结合AI物种识别和人工校正可以提高数据处理效率。综上,基于机器学习的AI识别技术的鸟类被动声学监测方法大大提高了数据处理效率,但仍需要结合传统的样线调查方法,两者结合将有更高的准确率和更广阔的应用前景。

基于音节聚类分析的被动声学监测技术及其在鸟类监测中的应用

被动声学监测通过分析鸟鸣声信息来实现物种识别,为鸟类多样性监测提供了一种切实可行的技术方案。由于鸟种的鸣声复杂多变,如何通过声纹快速准确辨别物种,分析鸟类丰度,降低对人工操作的需求等技术难题,成为基于声纹的鸟类多样性监测所面临的挑战。本文提出了基于音节聚类的鸟类鸣声监测框架:首先通过音高、频率平坦度等音频特征在声纹数据中提取音节,然后通过无监督表征学习与狄利克雷过程(Dirichlet process)混合模型对音节进行深度无监督聚类训练,完成音节聚类和自动音节种类推断。分析结果表明,本文提出的基于音节聚类的鸟类鸣声监测框架在处理开源数据集白腰文鸟(Lonchura striata)的曲目时可获得接近90%的聚类准确率。在此基础上,本研究对2022年4-5月在广州市白云山公园固定监测点所录制的10种鸟类鸣声进行了无监督的音节聚类分析,验证了本文所提出的基于音节聚类的鸟类鸣声监测框架的有效性:本技术不仅可以支持快速鸟类物种识别,还可以统计和分析不同物种鸟鸣在时间、频度、数量上的变化。这些结果表明,基于音节聚类的鸟类鸣声监测框架可以显著降低对人工标注训练数据的要求,克服传统鸟鸣物种识别框架在处理重叠鸟鸣时难以处理多物种识别的缺点,为基于被动声学监测的鸟类多样性监测提供了一个快速物种识别、音节序列分析和精细化种群丰度分析的综合解决方案。

被动声学监测技术在西黑冠长臂猿监测中的应用

近年来,被动声学监测技术被广泛应用于陆生哺乳动物的监测,它能以较低的价格和非侵入的方式在特定区域进行野生动物无人值守监测,面临的主要问题是需要人工收回数据和后期数据分析整理较为困难。本研究设计了一套被动声学监测系统用于西黑冠长臂猿(Nomascusconcolor)监测,监测系统在野外由太阳能供电,使用自研的指向性拾音器阵列采集鸣声数据,并通过无线网桥实时传输数据至管护局办公楼的服务器进行存储,通过后台的鸣声数据管理系统辅助研究人员识别鸣声和辨认鸣声来源方向,简化数据采集和处理流程。该系统在哀牢山国家级自然保护区枇杷箐科研监听点对两个西黑冠长臂猿群体进行了351天的连续监测,特点为:系统运行长期稳定,数据通过无线方式传输便捷高效且不受季节天气影响。指向性拾音器阵列能有效分辨长臂猿鸣声来源方向,弥补了传统监测设备难以分辨鸣声方向的缺陷。该系统与现有人工监测方法相比在数据采集的持续性、连续性、完整度以及鸣声数据处理智能化和监测成本方面均具有一定优势,符合西黑冠长臂猿持续长期监测需求,未来可作为西黑冠长臂猿自动化监测的解决方案进行推广应用。

被动声学监测技术在陆生哺乳动物研究中的应用、进展和展望

被动声学监测(passive acoustic monitoring,PAM)技术指将自动录音机安装在自然环境中收集野生动物及其所在环境的声音信号的监测方法。20世纪90年代以来,PAM技术陆续被应用于翼手目和灵长目等陆生哺乳动物的监测和研究,探究了陆生哺乳动物行为学、生态学和保护生物学等方面的科学问题。然而,当前缺乏对这些研究的系统性总结和展望。本文从活动规律和时间分配、栖息地利用、物种分布、种群大小与密度、生物多样性、人为干扰的影响等领域综述了PAM技术在陆生哺乳动物中的研究进展,并列举了相关应用实例。总体上,PAM技术涉及到生物学、生态学、声学、计算机科学等多学科的交叉融合,其应用受限于声学数据的储存和管理、物种或个体自动化识别以及声学指数评估的普适性,设备价格也相对昂贵,这些可能是导致该技术在我国陆生哺乳动物监测和研究方面的应用还相对滞后于其他国家的原因。最后,本文对未来研究方向进行了展望,并建议尽快建立和完善我国陆生哺乳动物PAM网络和数据共享平台、组织开展面对面访问调查或生物多样性保护相关的知识竞赛等公民科学项目、向更多科研机构或保护区推广PAM技术的应用,使该技术成为陆生哺乳动物行为学、生态学、生物多样性保护等领域不可或缺的技术手段,进一步服务于我国的生物多样性保护和生态文明建设。

弹丸落点双基阵声学定位技术研究

声测被动定位是弹丸落点定位技术的重要研究内容。传统的单基阵定位定距性能较差,而采用双基阵定位则可以有效解决这一缺陷。研究了双五元十字阵的平面交叉定位算法,对其定向和定距精度进行了理论推导和仿真分析,并进行了模拟实验。试验结果表明,双基阵定位相对定距和定向误差均小于2.5%,部分结果达到了理论分析的水平,性能较单基阵有了很大提升。

基于声学指数监测北京小龙门林区鸟类多样性

基于被动声学监测(PAM)收集到的声学数据,通过Spearman相关性分析,研究了6种常用声学指数对百花山国家级自然保护区小龙门林区鸟类物种多样性的指示性能.结果表明:声学复杂性指数(ACI)、生物声学指数(BI)、声学多样性指数(ADI)、声学均匀度指数(AEI)等4种声学指数与繁殖期内鸟类多样性的相关性较高;与鸟类物种数的相关系数ρ>0.3,与鸣唱量的相关系数ρ>0.4;显著性水平P<0.01;相关性趋势表明声音多样性及强度与鸟类多样性呈正相关.研究结果证实了声学指数能够有效反映小龙门林区的鸟类多样性,肯定了声学指数作为一种快速评估手段对鸟类多样性的监测效果,并在录音点位数量与录音时长的选择上为同类型的声学研究提供了建议.

长江江豚对孤立栖息地斑块利用规律研究及潜在因子分析

为研究长江江豚(Neophocaena asiseorientalis asiseorientalis)对人类干扰包围下孤立栖息地斑块的利用规律,采用目视考察和声学监测两种方法研究了不同季节江豚在被航运、航道整治、大型码头等包围的何家洲水域的分布及概率。并与江豚对长江自然岸滩牛屯河边滩的分布及概率做比较,揭示江豚对被高强度人为干扰包围的孤立栖息地斑块利用规律并定性分析潜在影响因子。丰水期和枯水期目视考察平均单次观察到的江豚分别为(10.00±2.35)和(15.60±8.17)头次,主要集中分布在何家洲水域及牛屯河边滩,两个季节平均单次观察到的江豚头次没有显著差异。丰水期和枯水期在何家洲和牛屯河边滩水域几乎每天都能声学监测到江豚分布。丰水期何家洲水域浅滩、汇流区及牛屯河边滩的江豚探测概率分别为0.377±0.074、0.06±0.036和0.140±0.081;枯水期何家洲水域浅滩、汇流区及牛屯河边滩的江豚探测概率分别为0.137±0.102、0.216±0.087和0.495±0.098。江豚在研究水域3个监测点的昼夜分布节律表现出随机性,表明江豚在该水域昼夜活动相当。可见,江豚对何家洲水域仍有较高的利用率,尤其是在丰水期。枯水期江豚对何家洲水域浅滩水域利用率明显降低,低水位导致浅滩萎缩和航运对近岸水域的占据可能是重要的影响因子。鉴于江豚对何家洲水域的高利用率和何家洲外围被较大的人类干扰所包围,研究建议在何家洲水域设置江豚重要栖息地标志及控制何家洲左汊的船只数量和船只间距。

黄河口及其邻近水域春季东亚江豚分布规律

东亚江豚(Neophocaena asiaeorientalis sunameri)是渤黄海水域仅有的常见鲸类动物,为我国二级保护水生野生动物,在世界自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)物种名录中被列为濒危级。渤海黄河口及其邻近水域是东亚江豚重要分布区,但对其分布特征了解十分有限,因而,在该水域开展东亚江豚种群分布调查研究具有必要性和紧迫性。采用被动声学监测技术,通过确认东亚江豚和发声鱼类声信号出现的时间和地点,实现了对春季渤海黄河口及其邻近水域东亚江豚和发声鱼类空间分布的观测。结果表明,春季东亚江豚对该水域的利用具有选择性,主要分布于黄河口北部及莱州湾中部两个区域。此外,也仅在这两个区域探测到鱼类的声信号,特别是莱州湾中部出现大量鱼类发声所形成的“合唱”。该结果为探究东亚江豚在渤海水域的种群分布特征、栖息地选择偏好和影响因素提供了基础数据,强调了水下人为噪声和发声鱼类资源的管理在东亚江豚保护工作中的重要性,对该水域东亚江豚的保护政策制订至关重要。

长时间序列声音指数在鸟类物种丰富度评价中的应用

以神农架国家公园体制试点区为例,根据长时间序列声音数据,提取多种声音指数,并评估这些声音指数与该地鸟类物种丰富度之间的相关性,同时分析相关性良好的声音指数在长时间范围内的表现差异,探究神农架不同季节鸟类活动变化情况及每日变化的关键时刻。结果表明:声音复杂度指数、生物声学指数、归一化声景指数与神农架鸟类物种丰富度相关性显著。神农架鸟类声学活动在春夏秋季都表现出相似的日变化规律。在夏季时鸟类声音活动强度及持续时间均大于其余2季,冬季鸟类声音活动较少。在神农架进行被动声学监测时,需要注意排除天气、人类活动、其他物种对于声音指数分析结果的影响。

海南长臂猿鸣叫节律及其与气象因子的关系

【目的】海南长臂猿(Nomascus hainanus)是世界上最濒危的灵长类动物之一,研究海南长臂猿鸣叫节律及其与气象因子的作用对理解他们的社会行为及进化具有重要意义。【方法】利用被动声学监测技术,采集海南长臂猿连续9个月的声音数据,提取其鸣叫节律,分析了鸣叫节律与温度、湿度、降水量和太阳净辐射4个气象因子之间的关系。【结果】1)海南长臂猿的鸣叫行为开始于清晨4—5点,高峰期为7点左右,每天鸣叫0~6次,每次鸣叫持续14 min;2)每年旱季鸣叫开始时间比雨季晚,且具有显著性差异;3)通过对气象因子与日鸣叫节律的相关性分析发现,湿度因子相关性最高,温度、太阳净辐射次之,降水量最低,其中,湿度与鸣叫持续时间和日鸣叫频次呈显著正相关,与鸣叫开始时间呈显著负相关;4)气象因子与季鸣叫节律的分析结果表明,相较旱季,雨季的鸣叫节律受气象因子影响较大,尤其对于鸣叫行为开始时间的影响最显著,旱季影响较小。【结论】研究结果可为海南长臂猿鸣声研究提供基础资料,并为其长期动态监测及保护工作提供支撑。

时频特征的海豚发声端点检测方法研究

为在复杂的海洋环境噪声场中检测出目标海豚的某类声信号,设计了一种基于海豚声学特征的端点检测方法。根据海洋环境中噪声能量大且分布频率范围广,而海豚声音的时频特征具有持续时间短、频率高且集中、发声行为持续时间长的特点,将采集到的海洋声音进行分帧,计算单帧信号短时能量、谱质心和谱质心二阶偏移率,当海豚发出声信号时,谱质心和能量相应发生突变,截取发生突变的信号实现端点检测。通过与门限法等其他常见端点检测方法进行对比,结果表明,此方法在低信噪比的海洋环境下对单一海豚的某一类声信号检测准确度更高,同时具有较强的抗干扰能力。

海南长臂猿生境的声景观与声学活动评估

海南霸王岭自然保护区是中国唯一保护海南长臂猿及其生存环境的国家级自然保护区,具有海南长臂猿(Nomascus hainanus)声音、鸟类声音等丰富的声景资源。探究海南长臂猿生境内的声景构成及声学活动,旨在为该区域的生态保护提供技术支撑。利用被动声学监测技术采集该保护区的声音数据,通过分析不同频率范围内的声景功率分布,描述了保护区声景观的特征与日变化;基于广泛使用的4个声学指数ACI(acoustic complex index)、ADI(acoustic diversity index)、BI(bioacoustic index)、NDSI(normalized difference soundscape index)来评估海南长臂猿声音,并利用随机森林算法,以4个声学指数为预测变量,有无海南长臂猿声音为响应变量,对声音数据进行分类。结果表明:(1)不同频率范围内的声景功率反映了研究区不同的声学群落信息,具有显著的时间变化特征,表明了鸟类、海南长臂猿等动物的黎明和黄昏合唱活动,其中,1~2 kHz符合海南长臂猿的黎明合唱,2~5 kHz符合鸟类等动物的生活规律;(2)有海南长臂猿与无长臂猿鸣叫时声学指数的变化趋势存在明显差异,其中,NDSI的变化差异最大;(3)4个声学指数对于海南长臂猿声音数据的分类结果较好,交叉验证后的AUC值为0.9764。本研究基于声景观有效地获取了试验区动物的活动特征,并证明了利用声学指数评估海南长臂猿鸣叫的可行性,为海南霸王岭地区及海南长臂猿的声学监测奠定基础。

巡航导弹雷达预警技术述评

雷达探测是对巡航导弹预警的重要措施之一。讨论了常规雷达对巡航导弹的预警技术可行性及现状;探讨了高频地波超视距雷达、天波超视距雷达的探测和对巡航导弹预警的原理及发展状况;对被动式声学雷达用于超声速巡航导弹预警进行了分析;介绍了目前可探测巡航导弹的新型雷达及发展现状。