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陆地生物声学数据采集设备的进展及展望
生物多样性
2024, 32 (10):
24265-.
DOI: 10.17520/biods.2024265
生物多样性是人类赖以生存和发展的重要基础, 生物多样性监测对生物多样性保护至关重要。被动声学监测是近年来迅速发展的一种生物多样性监测技术, 通过分析声音特征来获取物种的分布、行为和相互作用等信息。声学数据采集设备是被动声学监测中一个被广泛关注的关键部分。其中, 陆地生物声学数据采集设备是用于在陆地环境中记录生物声音信号的工具, 它为陆地生物多样性监测和保护提供数据支持。然而, 声学数据采集设备种类繁多, 性能参数各异, 给被动声学监测技术的实际应用带来困扰。本文通过对文献及相关资料的整理, 对国内外陆地声学数据采集设备作了系统性总结, 对比了国内外设备的发展现状, 论述了设备选型需要考虑的关键因素, 列举了几个常见的被动声学监测实验方案, 并根据不同的设备性能要求提供了几个设备选择方案, 提出了设备的应用指引建议。本文旨在为研究人员选择或研发陆地生物声学数据采集设备提供参考, 促进陆地生物声学数据采集设备在生物多样性研究和保护中的应用。
表1
商用设备与自制设备特点比较
正文中引用本图/表的段落
(2)录音参数。附录1给出了国内外商用陆地生物声学采集设备的汇总表, 在该表展示的技术参数中, 设备选型时主要考虑的录音参数包括录制格式、采样率、位深度、增益等。录制格式即存储的音频文件格式, 主要有无压缩音频文件格式WAV (waveform audio file format)、无损压缩音频文件格式FLAC (free lossless audio codec)和有损压缩音频文件格式MP3 (MPEG audio layer 3)。附录中展示的商用设备都支持WAV文件格式, 避免了压缩音频可能存在关键信息丢失的问题, 但需要的存储空间更大。FLAC文件格式能在不损坏音频质量的同时压缩音频文件大小, 虽然降低了内存需求, 但需要在分析之前转换为另一种格式, 导致工作流程中增加了额外的处理步骤, Frontier Labs公司生产的两款商用设备支持FLAC格式。MP3文件格式虽然是有损压缩, 会带来一定的信号失真, 但数据量减少了很多, 能够保证足够的码率且不影响信息提取, 因此也是一种可供选择的音频文件格式。采样率是指每秒钟采集的音频数据样本数量, 根据时域采样定理, 采样率至少是信号最高频率的两倍, 因此目标声音的频率决定了录制选用的采样率, 例如目标声音的最高频率是16 kHz, 则采样率至少设为32 kHz。位深度指的是模拟声音信号转为数字声音信号时每个声音样本用多少比特表示, 反映了声音信号模数转换的信噪比, 理论上每增加1比特, 信噪比增加6 dB。现有设备的位深度基本都为16比特, 即模数转换的信噪比理论上达到96 dB, 能满足实际应用需求。增益是对麦克风模块采集进来的数据进行放大的参数, 用dB表示。设放大系数为A, 则增益为20log10(A) dB, 例如对数据放大一倍, 放大系数A为2, 增益为6 dB。如何设置增益与设备部署的环境有关, 正确设置增益能提高信噪比、增强信号、减少噪声, 因此被监测区域的声音信号较强时应设置较小的增益, 而声音信号较弱的场景应设置较大的增益才能采集到较高信噪比的目标声音信号。
尽管市面上已出现性能较为完善的自动录音单元, 但是对于声源定位、实时监测等实验需求, 这些商用设备仍无法完全满足, 为此研究人员基于麦克风阵列、Raspberry Pi单板计算机、传感器、GSM等技术设计了一系列陆地生物声学数据采集设备。附录2给出了2018年至今已通过实验验证的自制陆地生物声学数据采集设备, 这些自制设备相较于商用设备, 不仅具备声源定位和实时监控等特殊功能, 还能根据实验需求灵活定制设备参数。然而, 这类设备需要用户进行后期维护, 因此更适用于特定科研探索而非大规模部署。从表1可以看出, 自制设备最大的优势在于能够灵活根据特定实验需求定制设备参数以及选择所需功能, 因此在选择自制设备时, 设备支持的功能是首要考虑因素, 以下将对这些设备的特殊功能进行简要介绍。
本文的其它图/表
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