来源：   发布时间：2024-02-15 09:38:19   浏览：

观测青藏高原的高原鼠兔（Ochotona curzoniae）是掌握其生态行为、生态习性、物种间相互关系和环境压力等生物学和生态学信息的基础，也是制定合理防控策略的必要条件。传统的样线法、捕获法等人工记录方式仅掌握了洞口位置、数量等有限信息，无法持续长时间、无接触采集鼠兔活动节律信息。另一方面，野生动物在人类活动干扰情况下有逃避行为，必然改变其行为模式。因此，研究长周期且无接触的鼠兔活动数据采集、传输及处理方法是研究其活动节律的基础。

大数据、物联网和人工智能等技术的快速发展，促进了数字化监测系统在动物行为研究中的应用。与传统的观察方法相比，数字化监测系统可自主检测并记录监测区域中的目标，客观判断动物行为活动节律，避免了野生动物面对监测的应激反应造成的行为活动研究误差。数字化视频监控系统具有无干扰、低损伤、长周期连续监测等优势，为研究动物日常活动模式提供了数据基础，已被广泛应用于野生动物监测、调查和节律研究等动物生态学领域。将计算机视觉技术和数字化监测分析技术相结合，可连续捕捉有效视频序列中的监测目标，是识别目标动物、研究目标行为的有效方法之一。

本文提出一种适用于高原鼠兔的监测系统的改进帧差法高原鼠兔目标识别策略，远程无接触采集高原鼠兔视频数据，自动完成复杂背景下高原鼠兔运动目标识别，准确掌握其活动节律。

1 高原鼠兔监测系统设计

本文设计的高原鼠兔监测系统（图1），由现场采集视频终端、通信网络、远程监控中心组合构建而成，支持多监测点接入，具有较高的扩展性。系统整体包含前端视频数据采集模块、网络视频数据传输模块、后端视频分析处理服务器与显示终端、数据存储数据库部分组成。监测中心与监测终端连接，利用视频图像采集设备获取高寒草甸监测区域视频，对视频源码流解析处理为连续的图像序列。采用计算机视觉图像处理算法，识别检测视频图像序列中的鼠兔目标，并在终端进行数据的存储。

2 高原鼠兔监测系统构建

2.1 视频图像采集

高原鼠兔监测系统采用红外摄像机采集视频图像，通过网络视频数据传输模块、交换机、光纤收发器以及核心路由设备，将取自摄像机的码流传送至视频转发服务器；服务器获取视频图像后实现视频图像实时显示，当野外出现强雨雪等恶劣天气情况时，网络视频数据传输会出现中断状况，其数据实时性、时间同步性较弱，数据储存于MicroSD/MicroSDHC/MicroSDXC卡。

2.2 数据处理

计算模块分析、处理及保存接收的数据，展示视频监测场景的画面。服务器将视频图像码流数据进行解码处理，视频逐帧转为连续的图像序列，利用运动目标检测算法识别视频图像中的高原鼠兔，存储获取的数据信息。数据处理过程如图2所示。

3 系统测试

3.1 实验点选择

选择位于黄河二级支流流域内青海省河南蒙古族自治县克旗合滩（34°41′07″N，东经101°46′02″E，海拔3743m），选择坡向向阳，坡度3°的中度退化草甸作为研究区。设置3个面积30m×25m实验小区作为监测点，高原鼠兔密度控制区，7只高原鼠兔，3只雄性和4只雌性，采用定制的钢丝围栏材料围建，每间隔2m用长1.4m的角铁固定围栏，地面以下0.5m安装防鼠钢纱网（网孔0.8cm），地面以上0.6m安装防鼠镀锌铁皮（型号35），钢纱网和镀锌铁皮各留0.1m用铆钉连接，铆钉密度需保证鼠兔无法从钢纱网和镀锌铁皮缝隙中穿过。

3.2 视频图像采集设备安装

架设监控设备进行高原鼠兔监测系统安装之前，需要摄像头厂商提供数据手册。该手册中包含分辨率、旋转角度、红外距离、电源等参数。根据监控摄像头设备参数确定其安装方案。用TISTONG太阳能监控器（TST-Q1R-4G，图3）固定在2m高支架上拍摄。安装完成后，拍摄采集高原鼠兔活动视频数据并运行监测，验证其性能符合应用的要求。在满足验证条件的情况下，可根据应用要求调整监测时间。

3.3 数据采集

实验数据集采用基于视频的高原鼠兔监测系统数据集，包含了864段高原鼠兔活动（静止、运动等基本行为模式）视频片段，图像的分辨率为1920×1080，其中部分高原鼠兔监控画面显示如图4所示。

高原鼠兔系统监测画面时间分别为：

a.2021年4月15日12:08:53时；b.2021年7月28日16:22:26时；

c.2021年2月28日20:30:28时；d.2021年3月22日11:27:32时。

4 系统及场景测试

通过视频分析算法设计构建高原鼠兔监测系统，针对构建的系统选取野外自然实验地场景监控视频进行测试，验证高原鼠兔监测系统的有效性。实际执行系统测试时通过对视频码流进行解码处理等操作实现对监控区域成数据提取、运动目标检测汇集存储相关数据储存。测试设备运行环境与软硬配置信息数据处理作系统：采用TISTONG太阳能监控器（TSTQ1R-4G）拍摄，利用Matlab R2016b软件，在Lenovo Pro-13 2020（Inter（R） Core （TM） i7-10710U CPU@1.10 GHz，RAM 16.0 GB）64 位 windows10 中文版操作系统上实现。基于Matlab软件搭建高原鼠兔监测系统，实现运动目标检测。高原鼠兔监测系统将在相关软件的运行环境与终端软件安装配置完毕的情况下，随机选取3段视频，实测验证高原鼠兔监测系统的效果，样本1、样本2、样本3时长分别为10min、12min、15min，其中部分视频实际场景的测试效果显示如图5所示。

高原鼠兔监测系统视频实际场景画面时间分别为：

a.2020年4月23日10:56:07时；b.2020年4月23日10:56:18时；c.2020年4月23日10:57:13时；

d.2021年5月19日14:25:19时；e.2021年5月19日16:25:47时；f.2021年5月19日16:26:32时；

g.2021年5月25日18:56:16时；h.2021年5月25日18:56:35时；i.2021年5月25日18:56:40时。

5 结果

本文设计的高原鼠兔监测系统所采集的视频图像分辨率为1920×1080，图像序列清晰，满足自然环境中高原鼠兔无接触的连续观察。通过数据分析处理，分别检测样本1、样本2和样本3，以间隔24帧（1s）读取1次并保存视频帧，得到600、720、900张连续图像序列，对应检测结果见表2。

上述模型的平均精准率、召回率、F1可在野外复杂自然场景下准确识别高原鼠兔。从实验计算过程考虑，运动目标图像序列帧间差分与时空相关性分析算法，根据所选取秒集时间间隔作为帧间间隔，以24帧为间隔，增大帧间隔数，提取帧包含了高原鼠兔较长活动的时间，可避免目标在区域内静止的状况，减少目标空洞区域，避免出现空洞现象，从图像序列中获取运动目标区域位置，进一步分割阈值标记运动目标区域位置提高目标检测准确性，实现运动目标的识别。其次，帧间差分算法简单，易于实现，实时性高，程序设计复杂度低，运行速度快，动态环境适应能力强、操作简单，对场景光线变化影响较小，具有较好地抗干扰能力；假设采用全图进行背景建模，背景复杂且标在图像序列中占比小于30×60，目标与背景对比度低，冗余信息增多，计算量增大从而带来大量内存消耗，额外增加的计算开销，海量的数据信息致使计算速度降低。综合考虑高原鼠兔监测的复杂自然环境，目标辨识度低及运动目标在图像序列占比小等因素，利用高原鼠兔监测系统对鼠兔进行监测和研究是可行的，该模型符合高原鼠兔监测系统的应用要求。

本文中，摄像机有效工作日累计108d，记录高原鼠兔活动有效数据视频2592h。行为节律数据以1h为单元统计。高原鼠兔在观察期间都比较活跃，日活动行为相对丰富度曲线呈“M”字型。高原鼠兔地面活动时间从早晨6:00时至傍晚19:00时，夜晚无活动（图6），日活动中具有2个明显的活动高峰，分别出现在10:00时及16:00时段，高原鼠兔属于白昼型动物。

6 讨论

传统有效洞口调查方法存在高度依赖实验人员操作统计、极易改变高原鼠兔行为模式的问题。另一方面传统方法只能在环境相对适宜的实验地区开展特定时间、离散的监测或数据统计。而自然环境恶劣地区（如高寒高海拔大温差环境）实验监测条件差、连续监测难度高，无法满足高原鼠兔活动节律观察的数据要求。

为解决以上问题，本文综合考虑目标监测环境的复杂性和辨识需求，提出了基于改进帧差法的高原鼠兔目标自动识别策略，并设计了高原鼠兔监测系统，可有效降低实验成本，解决了恶劣自然条件环境下实验难度大、数据准确度低等问题，可推广应用于对人类活动敏感的物种监测、高寒高海拔实验困难的地区。

在本研究中，高原鼠兔日活动时间相对丰富度有两个峰值，地面平均活动时间从早上6:00时持续至傍晚19:00时。实验结果表明，啮齿类动物的活动模式与地上生物量、种间竞争、捕食风险、太阳辐射、光照水平、环境温度、相对湿度和风速等因素有关。

草地过度放牧是导致鼠害发生的重要原因，青藏高原草地约有高原鼠兔6亿只，仅青海省内受危害的草原面积就高达730万hm²，其中“黑土滩”面积则超过了330万hm²。未来研究将重点关注高原鼠兔的活动节律及行为模式与高寒草甸退化之间的耦合作用。

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参考文献：苏晓雪,李希来,孙华方等.青藏高原高原鼠兔活动节律监测方法研究[J/OL].动物学杂志,2023(04):630-639[2023-08-09].