[发明专利]一种对噪声影响低敏的鸟类声学多样性指数方法

说明书

本发明公开了一种对噪声影响低敏的鸟类声学多样性指数方法，该方法首先通过短时傅里叶变换获得野外鸟声监测数据在分析时段中的时频功率谱，然后根据窄带噪声电平估计计算各频点满足局部信噪比要求的浮动检测门限候选值，并将满度相对电平门限作为下限值得到时频谱二值化处理的频变检测门限，最后通过统计各子频带内功率高于检测门限的时频点数量进行香农指数计算，得到基于频变门限检测的声学多样性指数。本发明能在有效解决ADI对噪声影响非常敏感的原理性缺陷的同时，还能完全兼容已有ADI研究的生态学解释和发现，为实现稳定可靠的鸟类物种多样性快速评估提供了一种新的工具，对生态环境声学监测具有十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及鸟类物种多样性快速评估及声信号处理领域，具体涉及一种对噪声影响低敏的鸟类声学多样性指数方法。

背景技术

面对全球生态环境变化，生物多样性监测是一项日益紧迫的任务。鸟类鸣叫活动的活跃性是反映生态区域内生物多样性及生态环境健康程度的重要指标，鸟类物种多样性快速评估对于生物多样性监测和研究具有重要意义。

随着声学监测技术的普及和音景生态学的发展，声学指数作为一种快速评估鸟类物种多样性的方法，已被广泛应用到生态监测和环境评价中。声学指数通常是针对录音设备事先在野外现场录制的鸟鸣声信号进行计算获得，但录音设备录制的数据并非纯净的鸟鸣声信号，而是含有各种噪声影响的混合信号。现有声学指数对噪声影响极其敏感，实际计算的指数结果经常与预期的生态学意义不一致，导致声学指数还无法承担稳定可靠的鸟类物种多样性快速评估任务。中国发明专利公告号为CN109714689B中公开了一种基于差分麦克风阵列的抑噪声学指数获取方法，该发明通过差分麦克风阵列构建两个指向性波束，然后采用空域滤波技术消除固定方向机械噪声对声学指数计算的不利影响。中国发明专利申请号为CN202111072342.0中公开了一种声学指数确定方法、装置及存储介质，该发明在通过降噪处理消除风声、蝉鸣声、溪流声等常见环境噪声的同时，对录制的鸟鸣声信号失真进行补偿处理，从而降低录音设备性能差异导致的声学指数结果变化。

然而在实际应用中，即使是在没有非鸟鸣声噪音的安静生态区域内，并且录音设备引起的信号失真也可被忽略的理想条件下，录音数据中也必然存在固有的背景噪声。这种固有背景噪声即使很弱，但由于实际录取的鸟鸣声信号强度人为不可控，录音数据中的鸟鸣声信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)高低也是不确定的，而现有声学指数在设计上都存在未考虑噪声影响的原理性缺陷，导致声学指数的实际数值会随着鸟鸣声SNR的下降而越来越偏离纯净鸟鸣声信号对应的理想值。因此，为实现稳健可靠的鸟类物种多样性快速评估，必须从原理上修正现有声学指数的设计方案，得到对噪声影响低敏的新的声学指数方法。但对于不同的声学指数，提高其对噪声影响鲁棒性的原理和方法一般也不同。

发明内容

本发明目的在于提供一种对噪声影响低敏的鸟类声学多样性指数方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种对噪声影响低敏的鸟类声学多样性指数方法，步骤如下：

步骤1、对在分析时段中采集的野外鸟声监测数据进行短时傅里叶变换，获取其时频功率谱；

步骤2、利用步骤1获取的鸟声监测数据时频功率谱估计各频点内的窄带噪声平均功率；

步骤3、利用步骤1获取的鸟声监测数据时频功率谱和步骤2获取的窄带噪声平均功率分别计算各频点的二值化检测门限；

步骤4、利用步骤1获取的鸟声监测数据时频功率谱和步骤3获取的二值化检测门限分别对各频点中的鸟声监测数据时频点功率进行0-1判决处理，然后分别统计各子频带内功率高于检测门限的值1时频点数量；

步骤5、利用步骤4得到的各子频带内的值1时频点数量进行香农指数计算，得到基于频变门限检测的声学多样性指数。