基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法及系统与流程

本发明涉及语音分析处理，具体涉及基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法及系统。

背景技术：

1、随着可持续发展理念的深入人心以及科学技术的不断进步，自然资源的合理利用与保护得到广泛的提倡与发展。人类活动对于自然环境和生态系统系统有着深远而广泛的影响，人类活动影响评估的目的是衡量人类活动对于生态系统的影响变化程度，以便后续相关人员采取相应的管理和保护措施；而盗伐是指人类活动中非法砍伐和非授权采伐森林资源的行为，严重破坏了生态系统的平衡和可持续利用。通过监测生态系统中的声音信号能够实现对环境中人类盗伐行为的监测和评估，促进生态环境的可持续发展和保护。

2、由于生态系统环境较为复杂，各种环境音与噪音掺杂，而传统的vad端点检测算法（voice activity detection）仅通过短时能量以及过零率来确定活动帧阈值，导致在分析自然生态系统声音时难以准确的判定活动帧，进而无法排除无声段和非目标声音段的干扰，影响后续评估人类活动影响。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

2、第一方面，本发明实施例提供了基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，该方法包括以下步骤：

3、采集自然生态系统的音频信号并进行分帧处理得到各信号帧；将每个信号帧对应的声音信号绘制相应的时域波形图；

4、根据信号帧的时域波形图中各周期的振幅最大值、最小值构建信号周期的振幅特征组；根据各信号帧在频域中各频率分量对应的主频率能量及信号帧的过零率得到各信号帧的活跃显著因子；根据各信号帧的活跃显著因子、对应振幅的信息熵以及各信号周期的振幅特征组之间的余弦相似度得到各信号帧的有效稳态因子；根据各信号帧的有效稳态因子、信号帧在频域内各频率分量的3db带宽得到各信号帧的有效置信权重；计算信号帧在频域中各频率分量的信号衰减率，根据各信号帧的有效置信权重以及频域中各频率分量的信号衰减率的分布情况得到各信号帧的高能有效因子；将各信号帧的短时能量及高能有效因子组成各信号帧的有效二维向量；根据各信号帧的短时能量、高能有效因子以及各信号帧与其他信号帧的有效二维向量之间的皮尔逊相关系数构建各信号帧的高能效持续系数；

5、结合监测区间内各信号帧的高能效持续系数结合大津法得到各活动帧，基于活动帧对人类活动影响进行评估。

6、进一步地，所述根据信号帧的时域波形图中各周期的振幅最大值、最小值构建信号周期的振幅特征组，包括：将振幅最大值和最小值组成对应信号周期的振幅特征组。

7、进一步地，所述根据各信号帧在频域中各频率分量对应的主频率能量及信号帧的过零率得到各信号帧的活跃显著因子，包括：

8、将信号帧的过零率作为以自然常数为底数的指数函数的指数；

9、统计信号帧在频率内所有频率分量中的最大主频率能量值，计算所述最大主频率能量值与各频率分量的主频能量差值的和值；

10、将所述和值的倒数与所述指数函数的乘积的结果作为信号帧的活跃显著因子。

11、进一步地，所述根据各信号帧的活跃显著因子、对应振幅的信息熵以及各信号周期的振幅特征组之间的余弦相似度得到各信号帧的有效稳态因子，包括：

12、计算信号帧所包含的所有振幅的信息熵，获取信号帧的活跃显著因子与所述信息熵的比值；计算信号帧所有任意两个信号周期的振幅特征组的余弦相似度的和值，将所述比值与所述和值的乘积作为信号帧的有效稳态因子。

13、进一步地，所述根据各信号帧的有效稳态因子、信号帧在频域内各频率分量的3db带宽得到各信号帧的有效置信权重，包括：

14、计算信号帧所有频率分量的3db带宽的均值，获取信号帧在频域内各频率分量的3db带宽与所述均值的差值绝对值，获取信号帧在频域内所有频率分量的所述差值绝对值的和值的倒数；

15、将信号帧的有效稳态因子与所述倒数的乘积作为信号帧的有效置信权重。

16、进一步地，所述计算信号帧在频域中各频率分量的信号衰减率，包括：将各频率分量的主频率能量与各频率分量的3db带宽的比值作为各频率分量的信号衰减率。

17、进一步地，所述根据各信号帧的有效置信权重以及频域中各频率分量的信号衰减率的分布情况得到各信号帧的高能有效因子，包括：

18、计算信号帧中所有频率分量的信号衰减率的均值，获取信号帧在频域中所有频率分量的信号衰减率与所述均值的差值绝对值的和值，将信号帧的有效置信权重与所述和值的倒数的乘积作为信号帧的高能有效因子。

19、进一步地，所述根据各信号帧的短时能量、高能有效因子以及各信号帧与其他信号帧的有效二维向量之间的皮尔逊相关系数构建各信号帧的高能效持续系数，具体包括：

20、对于各信号帧，计算信号帧与其他信号帧的有效二维向量之间的皮尔逊相关系数的和值，将所述和值作为以自然常数为底数的指数函数的指数；

21、计算信号帧的高能有效因子与所有信号帧高能有效因子的均值的差值绝对值，获取信号帧的短时能量与所述差值绝对值的比值，将所述比值与所述指数函数的计算结果的乘积作为信号帧的高能效持续系数。

22、进一步地，所述结合监测区间内各信号帧的高能效持续系数结合大津法得到各活动帧，基于活动帧对人类活动影响进行评估，包括：

23、预设监测区间的时长，采用大津法计算监测区间内所有信号帧的高能效持续系数的分割阈值，当信号帧的高能效持续系数大于等于分割阈值时，则判定为活动帧；

24、将监测区间内所有活动帧作为输入，使用psola基音同步叠加算法获取监测区间内所有活动帧拼接形成语音段；当生态区域在监测区间内的语音段持续时长大于等于预设时间阈值时，人类活动对自然生态系统存在影响，反之，不存在影响。

25、第二方面，本发明实施例还提供了基于时频持续性分析的人类活动影响评估系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述方法的步骤。

26、本发明至少具有如下有益效果：

27、本发明根据监测区间内的信号特征构建信号帧的有效置信权重，综合考虑了监测区间内各信号帧中信号的时域、频域特征以及信号活跃稳定特征，后续结合信号帧内声音信号受噪声的干扰程度以及信号持续规律特征获得高能效持续系数，能够更为准确的衡量信号帧中包含持续规律的有效信号程度，根据高能效持续系数构建高能效持续系数序列获得分割阈值，通过分割阈值判断信号帧是否属于活动帧，避免了传统vad端点检测算法难以准确的判定活动帧的弊端，同时根据本发明判断后的活动帧能够较好的反映检测区间内生态区域中的人类活动状况，后续通过活动帧语音段总时长对人类活动影响进行评估，实现结合声音时频持续性分析的人类活动影响的精确评估。

技术特征：

1.基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据信号帧的时域波形图中各周期的振幅最大值、最小值构建信号周期的振幅特征组，包括：将振幅最大值和最小值组成对应信号周期的振幅特征组。

3.如权利要求1所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据各信号帧在频域中各频率分量对应的主频率能量及信号帧的过零率得到各信号帧的活跃显著因子，包括：

4.如权利要求2所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据各信号帧的活跃显著因子、对应振幅的信息熵以及各信号周期的振幅特征组之间的余弦相似度得到各信号帧的有效稳态因子，包括：

5.如权利要求1所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据各信号帧的有效稳态因子、信号帧在频域内各频率分量的3db带宽得到各信号帧的有效置信权重，包括：

6.如权利要求1所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述计算信号帧在频域中各频率分量的信号衰减率，包括：将各频率分量的主频率能量与各频率分量的3db带宽的比值作为各频率分量的信号衰减率。

7.如权利要求6所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据各信号帧的有效置信权重以及频域中各频率分量的信号衰减率的分布情况得到各信号帧的高能有效因子，包括：

8.如权利要求1所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述根据各信号帧的短时能量、高能有效因子以及各信号帧与其他信号帧的有效二维向量之间的皮尔逊相关系数构建各信号帧的高能效持续系数，具体包括：

9.如权利要求8所述的基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法，其特征在于，所述结合监测区间内各信号帧的高能效持续系数结合大津法得到各活动帧，基于活动帧对人类活动影响进行评估，包括：

10.基于时频持续性分析的人类活动影响评估系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-9任意一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明涉及语音分析处理技术领域，具体涉及基于时频持续性分析的人类活动影响评估方法及系统，该方法包括：采集音频信号并进行分帧处理得到各信号帧，构建信号周期的振幅特征组；计算各信号帧的活跃显著因子；根据各信号帧的活跃显著因子、对应振幅的信息熵以及各信号周期的振幅特征组得到各信号帧的有效稳态因子；构建各信号帧的有效置信权重，并结合频域中各频率分量的信号衰减率计算信号帧的高能有效因子；将短时能量及高能有效因子组成有效二维向量；计算各信号帧的高能效持续系数以提取各活动帧，基于活动帧对人类活动影响进行评估。从而实现对人类活动影像进行准确评估，避免传统VAD端点检测算法难以准确判定活动帧的弊端。

技术研发人员：滕兵,张晓东,蔡宪文
受保护的技术使用者：百鸟数据科技（北京）有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24