基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的海南紅樹林保護(hù)初探

王明松，錢靜媛

（三亞學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院，海南 三亞 572022；三亞理工職業(yè)學(xué)院，海南 三亞 572022）

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的海南紅樹林保護(hù)初探

王明松，錢靜媛

（三亞學(xué)院 信息與智能工程學(xué)院，海南 三亞 572022；三亞理工職業(yè)學(xué)院，海南 三亞 572022）

紅樹林資源廣泛分布于海南的環(huán)海岸線，對(duì)防浪護(hù)堤、促淤造陸、維持生物多樣性和凈化自然環(huán)境等起著重要的作用，是建設(shè)綠色智慧旅游島的基礎(chǔ)環(huán)境保障?？梢岳靡源髷?shù)據(jù)為代表的現(xiàn)代信息技術(shù)，保護(hù)被日益破壞的紅樹林種群而提出的基礎(chǔ)框架，為紅樹林的全面保護(hù)與開發(fā)給出了一條創(chuàng)新性思路。

大數(shù)據(jù)；紅樹林保護(hù)；綠色旅游島；信息系統(tǒng)

一、紅樹林對(duì)海南社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用

紅樹林是以草本、藤本紅樹等物種為主體的常綠灌木或喬木組成的潮灘濕地木本生物群落，其一般長在熱帶、亞熱帶低海岸潮間帶上部，受到周期性潮水浸淹，主要分布于陸地與海洋交界帶的灘涂淺灘，是陸地向海洋過度的特殊生態(tài)系統(tǒng)。全世界約有55種紅樹林樹種。中國紅樹林共有27種，分屬20科、25屬。主要分布于廣西、廣東、臺(tái)灣、海南、福建和浙江南部沿岸。無論是種類和分布范圍，在太平洋西岸，中國的紅樹林都具有代表性。

海南的紅樹林種類豐富，在熱帶海岸線上形成了一道獨(dú)特的景觀，是我國紅樹林種類較多的地區(qū)之一。其主要分布于海南島東部、東北部的文昌市清欄港、下場港及與瓊山縣相連的東寨港；南部的三亞、榆林等港灣及東南部陵水縣新村港等處也分布廣泛。東部萬寧市的楊梅港、北部匯邁縣的花場港及臨高縣的馬裊港也有分布，西部澹州市的新英港及海頭港和昌江縣的南羅新港等地亦有分布。

紅樹林對(duì)海南島的生態(tài)保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

（一） 防浪護(hù)堤作用

由于紅樹林長期生長在海潮浸淹的鹽漬土壤上,所以形成一種與環(huán)境相適應(yīng)的、獨(dú)一無二的生態(tài)學(xué)特性，通過網(wǎng)羅碎屑的方式促進(jìn)土壤的形成，抵抗潮汐的沖擊，對(duì)固堤護(hù)岸、抗風(fēng)浪有很好的作用。根系發(fā)達(dá)、在海邊茂密生長的紅樹林固灘護(hù)堤的能力很強(qiáng),對(duì)風(fēng)浪具有強(qiáng)大的“消能”作用，是抵擋海嘯的天然屏障。研究表明，沿海灘涂紅樹林防護(hù)林帶寬度100m，高度4～6m，郁閉度達(dá)40%，消浪效果可達(dá)80%以上。

（二）促淤造陸功能

通過網(wǎng)羅碎屑的方式促進(jìn)土壤的形成。紅樹林發(fā)達(dá)的根系減緩了流速，促進(jìn)了顆粒物質(zhì)的沉積。測定結(jié)果表明，紅樹林灘涂淤積速率大大高于鄰近裸灘2—3倍。因此，紅樹林可加速灘地淤高和向海伸展，使海灘面積不斷擴(kuò)大和抬升，從而達(dá)到鞏固堤岸的作用。紅樹林的促淤造陸功能在防止因全球變暖帶來的海平面上升方面有獨(dú)特的作用。

（三）維持生物多樣性功能

由于紅樹林區(qū)內(nèi)潮溝發(fā)達(dá)，吸引深水區(qū)的動(dòng)物來到紅樹林區(qū)內(nèi)覓食棲息。為海洋動(dòng)物提供良好的生長發(fā)育環(huán)境。紅樹林擁有豐富的鳥類食物資源，是候鳥的越冬場和遷徙中轉(zhuǎn)站，更是各種海鳥的覓食棲息，生產(chǎn)繁殖的場所，海鳥的消化殘余物堆積在紅樹林濕地土壤里，使得濕地土壤的生產(chǎn)力大大提高，此外，鳥類的糞便也是小型魚類的食物。在發(fā)育良好的紅樹林還偶有野豬、貍類及鼠類等小型哺乳類出沒其間。紅樹林里也招致了某些蜂類、蠅類和螞蟻等棲息。它們對(duì)紅樹植物的傳粉和受精起著一定的作用。

（四）凈化環(huán)境功能

紅樹植物屬于常綠闊葉林，凈化空氣質(zhì)量的功能很強(qiáng)，是二氧化碳的消耗者和氧氣的釋放者。紅樹林下泥土中H2S的含量很高，泥灘中大量的厭氧菌在光照條件下能利用H2S為還原劑，使CO2還原為有機(jī)物，這是陸地森林所不具備的。此外，紅樹林可以吸收SO2、HF和其它有害氣體。

但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人口的增加，人類對(duì)紅樹林的破壞活動(dòng)日趨嚴(yán)重。2013年出版的《中國紅樹林國家報(bào)告》顯示，當(dāng)年擁有的紅樹林面積2.26萬公頃，與1950年代初相比，全國已有超過50%的紅樹林消失于無形。海南省大量紅樹林區(qū)域被上世紀(jì)70年代圍海造田，大面積紅樹林遭到砍伐破壞。80年代至90年代，紅樹林周邊興起蝦塘養(yǎng)殖，大片濕地被侵占，候鳥棲息地岌岌可危；2010年前后，咸水鴨養(yǎng)殖致使紅樹林水體高度富營氧化，團(tuán)水虱瘋狂繁殖，紅樹大量枯萎死亡，海岸的生態(tài)面臨崩潰的邊緣。以?？谑袞|寨港為例，1980年的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)夾著大海潮，猛烈地朝著東寨港襲來。東寨港有兩條農(nóng)田防護(hù)堤，西堤因?yàn)橛屑t樹林的保護(hù)，只被沖決13處，總長196米，農(nóng)田受災(zāi)較輕。但是東堤前沿的紅樹林因圍海造田被砍掉大部分，大堤經(jīng)受不起臺(tái)風(fēng)和海潮的沖擊，決口84處，總長1097米，堤內(nèi)農(nóng)田大多都被淹沒，農(nóng)作物也都被毀壞，受災(zāi)十分嚴(yán)重。上世紀(jì)90年代，東寨港紅樹林區(qū)域又開始大量蝦塘養(yǎng)殖，導(dǎo)致紅樹林大片濕地被侵占，生態(tài)系統(tǒng)趨于崩潰，紅樹大量死亡。現(xiàn)在介于淡水和咸水交界處的紅樹林灘涂地又成為咸水鴨養(yǎng)殖的場所。咸水鴨依靠獨(dú)特的紅樹林灘涂地，以小貝殼、小魚蝦、玉米、稻谷為主食，長期自由放養(yǎng)在紅樹林灘涂地上。鴨子游到紅樹林里來找吃的，不斷覓食紅樹林泥土里的小魚蝦蟹，導(dǎo)致灘涂泥土被破壞，海水潮漲潮落使得紅樹林的根裸露出來，紅樹林很容易就倒下死亡。鴨子的糞便，造成水體富營養(yǎng)化，咸水鴨把螃蟹、跳跳魚、海螺等團(tuán)水虱的天敵都吃光了，團(tuán)水虱大量繁殖，鉆空紅樹的樹根、樹莖，導(dǎo)致紅樹枯死。

二、大數(shù)據(jù)技術(shù)概論

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的普及，人類社會(huì)信息化進(jìn)程進(jìn)入了新的發(fā)展階段。整個(gè)社會(huì)的信息收集渠道日益多層次和多樣化，信息應(yīng)用廣度和深度不斷拓展，信息總量呈指數(shù)級(jí)增長，以信息資源為基礎(chǔ)架構(gòu)創(chuàng)新驅(qū)活動(dòng)不斷涌現(xiàn)，從而帶來全社會(huì)信息在類型多樣性、關(guān)系復(fù)雜性、應(yīng)用時(shí)效性等方面呈現(xiàn)出嶄新的趨勢和特征。這種全新的信息化社會(huì)環(huán)境，為信息科學(xué)和其它相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇和巨大挑戰(zhàn)。隨著信息數(shù)據(jù)的多元化、分布復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化的隨機(jī)出現(xiàn)，涌現(xiàn)了大量對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的新技術(shù)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是在新的網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，面對(duì)海量復(fù)雜數(shù)據(jù)的管理、歸納、應(yīng)用研究而發(fā)展產(chǎn)生的一種新的解決方案。它是一套完備的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)和思想意識(shí)創(chuàng)新力，其特有的戰(zhàn)略意義和核心價(jià)值主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

第一，數(shù)據(jù)現(xiàn)已成為社會(huì)創(chuàng)新發(fā)展要素之一，它廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、商業(yè)、教育、國防等多層領(lǐng)域，在戰(zhàn)略思維上，大數(shù)據(jù)已經(jīng)從商業(yè)領(lǐng)域上升到國家戰(zhàn)略層面。我國自2012 年起，多個(gè)政府部門連續(xù)密集地出臺(tái)了十余個(gè)與大數(shù)據(jù)相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃和行動(dòng)計(jì)劃，特別是國務(wù)院于2015 年8 月出臺(tái)了《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，明確提出了政府率先開放政務(wù)大數(shù)據(jù)并強(qiáng)化與社會(huì)各方形成合力的相關(guān)任務(wù)和計(jì)劃時(shí)間表，突顯我國發(fā)展大數(shù)據(jù)的意志與決心。

第二，大數(shù)據(jù)是對(duì)傳統(tǒng)信息科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步深化和創(chuàng)新。大數(shù)據(jù)科學(xué)正在加速形成以數(shù)據(jù)為核心的新的理論與技術(shù)體系。大數(shù)據(jù)所特有的類型多樣、混合異構(gòu)、快速增長、體量巨大、關(guān)系復(fù)雜、高維稀疏等特性，為統(tǒng)計(jì)學(xué)、模式識(shí)別、人工智能等傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析理論提供了更多源的研究方法。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)為核心的存儲(chǔ)、索引、融合、處理、分析、應(yīng)用、安全等全過程技術(shù)，亟待實(shí)現(xiàn)全面系統(tǒng)的創(chuàng)新與發(fā)展，不斷形成和完善大數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)體系。同時(shí)，大數(shù)據(jù)的相關(guān)工程框架也不斷成熟，以Hadoop、Spark(內(nèi)存計(jì)算)等主流的大數(shù)據(jù)工程技術(shù)體系，開展大數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，是大數(shù)據(jù)對(duì)促進(jìn)信息化革新的重要貢獻(xiàn)。

第三，大數(shù)據(jù)是實(shí)踐“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”理念的重要支撐力量。以應(yīng)用為導(dǎo)向、以應(yīng)用為引領(lǐng)，是大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展的主要特征。大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用平臺(tái)是信息化時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施，通過不斷的技術(shù)探求和工程實(shí)踐，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活動(dòng)提供一站式共性基礎(chǔ)服務(wù)，有效降低應(yīng)用技術(shù)門檻，支持創(chuàng)業(yè)公司和個(gè)人群體在平臺(tái)上開展不同領(lǐng)域、不同層次、不同環(huán)節(jié)的應(yīng)用服務(wù)創(chuàng)新，加速形成以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為核心的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)圈，提供穩(wěn)定安全的產(chǎn)品化應(yīng)用解決方案，促進(jìn)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)加快形成。

Spark框架技術(shù)是目前解決大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的優(yōu)秀工程框架之一。Spark是一個(gè)基于內(nèi)存計(jì)算的開源集群計(jì)算系統(tǒng)，目的是更快速的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Spark由加州伯克利大學(xué)AMP實(shí)驗(yàn)室Matei為主的小團(tuán)隊(duì)使用Scala開發(fā)，提供了與Hadoop 相似的開源集群計(jì)算環(huán)境，基于內(nèi)存和迭代優(yōu)化的設(shè)計(jì)。Spark具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

1. 輕量級(jí)快速處理。對(duì)于大數(shù)據(jù)處理，運(yùn)行速度是重要的測量指標(biāo)。Spark允許Hadoop集群中的應(yīng)用程序在內(nèi)存中以100倍的速度運(yùn)行，即使在磁盤上運(yùn)行也能快10倍。Spark通過減少磁盤IO來達(dá)到性能提升，它們將中間處理數(shù)據(jù)全部放到了內(nèi)存中。Spark使用了RDD（Resilient Distributed Dataset）的理念，允許它可以透明的內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，只在需要時(shí)才持久化到磁盤。

2. Spark支持多語言開發(fā)，易于推廣使用。Spark允許Java、Scala及Python，使開發(fā)者在自己熟悉的語言環(huán)境下進(jìn)行工作。

3. 支持復(fù)雜查詢。在簡單的“map”及“reduce”操作之外，Spark還支持SQL查詢、流式查詢及復(fù)雜查詢。

4. 實(shí)時(shí)的流處理能力。對(duì)比MapReduce只能處理離線數(shù)據(jù)，Spark支持實(shí)時(shí)的流計(jì)算。Spark依賴Spark Streaming對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理。

5. 可以與已存Hadoop數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。Spark可以獨(dú)立的運(yùn)行，除了可以運(yùn)行在當(dāng)下的YARN集群管理之外，它還可以讀取已有的任何Hadoop數(shù)據(jù)。這個(gè)特性讓用戶可以輕易遷移已有Hadoop應(yīng)用。

三、以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的紅樹林保護(hù)信息系統(tǒng)

運(yùn)用以大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的信息技術(shù)，對(duì)紅樹林的保護(hù)和發(fā)展具有重要的意義。

（一）有利于監(jiān)督和管理紅樹林資源分布

當(dāng)前對(duì)紅樹林信息收集的主要做法是靠人工在樹林中長期的進(jìn)行測量來獲取數(shù)據(jù)資源數(shù)量和分布，其數(shù)據(jù)處理方法也是人工運(yùn)算，每次要花很長的時(shí)間才可獲得合理使用的數(shù)據(jù)，效率低下。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的日臻成熟，以此作為后臺(tái)的技術(shù)支撐，進(jìn)行資源數(shù)據(jù)的獲取和分布統(tǒng)計(jì)，將會(huì)極大提高工作和管理效率。通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)等技術(shù)對(duì)地面進(jìn)行掃描、攝像等，可以獲取大量的相關(guān)數(shù)據(jù)資源，再對(duì)其進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析、整理和歸納，形成重要的決策依據(jù)，也方便對(duì)林業(yè)資源變化監(jiān)控和應(yīng)對(duì)措施的制訂。通過研究和分析檢測結(jié)果，準(zhǔn)確了解到紅樹林的現(xiàn)狀，根據(jù)實(shí)際情況制定相對(duì)應(yīng)的措施，確保森林和濕地資源不會(huì)遭到破壞。準(zhǔn)確地掌握資源的分布狀態(tài)，為制定有效的森林和濕地保護(hù)規(guī)劃提供信息服務(wù)。

（二）監(jiān)管人類活動(dòng)對(duì)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)破壞

人類無計(jì)劃無目的性對(duì)紅樹林進(jìn)行砍伐和開墾活動(dòng)以及生活污水與垃圾、農(nóng)林化學(xué)藥劑、工業(yè)廢水廢氣廢渣等,以不同的形式破壞紅樹林生態(tài)系統(tǒng);很多地區(qū)擴(kuò)大水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)面積,對(duì)紅樹林生存環(huán)境造成極大的破壞，使相當(dāng)部分紅樹林已演變?yōu)楣嗄?、甚至變成荒?嚴(yán)重削弱了紅樹林在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化方面的價(jià)值。傳統(tǒng)的保護(hù)手段主要是通過瞭望臺(tái)檢測或其他地面巡視來對(duì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，監(jiān)測情況也不科學(xué)和明確，還會(huì)受到交通不便或惡劣天氣的阻礙，使其無法順利進(jìn)行。如果利用信息技術(shù)以實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理和分析，可以緩解上述諸多問題的發(fā)生，根據(jù)信息熱點(diǎn)可以對(duì)災(zāi)害的等級(jí)，發(fā)生面積及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化進(jìn)行監(jiān)測，為減災(zāi)防災(zāi)決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

（三）增進(jìn)信息資源共享能力

以大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)的使用，是林業(yè)建設(shè)各項(xiàng)決策的重要依據(jù)。建立森林資源管理信息系統(tǒng)，全面提升森林資源管理現(xiàn)代化水平，是適應(yīng)林業(yè)跨越式發(fā)展要求，促進(jìn)林業(yè)管理的信息化變革，加強(qiáng)林業(yè)宏觀決策科學(xué)化，加速林業(yè)管理現(xiàn)代化的具有全局性、戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)工作。

下圖是以大數(shù)據(jù)Spark架構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建紅樹林的保護(hù)信息管理體系結(jié)構(gòu)。用智能手機(jī)APP、PC機(jī)瀏覽器、導(dǎo)航終端及各類智能傳感器，通過云服務(wù)將數(shù)據(jù)傳入到云端的分發(fā)服務(wù)器上，再通過Spark架構(gòu)信息處理系統(tǒng)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，獲取細(xì)節(jié)信息。或者通過流處理技術(shù)，用NoSQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。

圖1: 保護(hù)信息系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)

以Yahoo的YARN作為核心點(diǎn)，YARN創(chuàng)建一個(gè)全局的資源管理器（ResourceManager，RM）和若干個(gè)針對(duì)應(yīng)用程序的應(yīng)用主服務(wù)器（ApplicationMaster，AM）。經(jīng)過這樣的變化，YARN在擴(kuò)展性方面有很大改進(jìn)，可以支持10000+計(jì)算機(jī)集群，同時(shí)改進(jìn)了MapReduce的性能，并且支持Hadoop之外的其他計(jì)算框架。除了支持批處理的Hadoop之外，還有Spark和Storm等計(jì)算框架的集成。其中，Hadoop用于離線數(shù)據(jù)分析，Spark用于多迭代批處理數(shù)據(jù)分析，Storm則是用于流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和預(yù)測。借助YARN將大數(shù)據(jù)離線、近線和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了整合。

Spark是發(fā)源于美國加州大學(xué)伯克利分校AMPLab的集群計(jì)算平臺(tái)，其立足于內(nèi)存計(jì)算，從多迭代批量處理出發(fā)，兼收并蓄數(shù)據(jù)倉庫、流處理和圖計(jì)算等多種計(jì)算范式，具有輕量、快速計(jì)算等特點(diǎn)。Spark基于Scala語言，是一個(gè)比Hadoop代碼行少的輕量級(jí)系統(tǒng)，但它的計(jì)算速度非?？欤瑢?duì)小數(shù)據(jù)集能達(dá)到亞秒級(jí)的延遲，對(duì)大數(shù)據(jù)集典型的迭代機(jī)器學(xué)習(xí)、即席查詢、圖計(jì)算等應(yīng)用，Spark版本比基于MapReduce、Hive和Pregel的實(shí)現(xiàn)快上十倍到百倍。在底層存儲(chǔ)則仍是基于Hadoop的文件系統(tǒng)HDFS和NOSQL數(shù)據(jù)庫HBase。

四、總結(jié)與展望

紅樹林的信息化保護(hù)管理對(duì)海南島的健康生態(tài)圈建設(shè)非常重要，應(yīng)用以大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)不但強(qiáng)化了管理效能，緩解了生產(chǎn)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，還可以引導(dǎo)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，迎合新時(shí)代的發(fā)展要求。隨著人們認(rèn)識(shí)觀念的轉(zhuǎn)變以及技術(shù)成熟度的增強(qiáng)，紅樹林這樣寶貴的自然財(cái)富必將會(huì)得到更大的保護(hù)與利用，為人類謀取更大的利益。

[1] 中國科學(xué)院.科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

[2] 武剛,盧澤洋,呂洪利.森林資源管理信息基礎(chǔ)建設(shè)——森林資源基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,(3).

[3] 孟小峰,慈祥.大數(shù)據(jù)管理:概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2013,(1).

[4] 郭建斌,秦向華,萬志紅,等.大數(shù)據(jù)時(shí)代林業(yè)科普信息化發(fā)展研究[J].經(jīng)濟(jì)師,2014,(9).

A

（2017）01-035-05

2017-01-22

王明松（1972-），男，遼寧營口人，三亞學(xué)院信息與智能工程學(xué)院，碩士，從事軟件工程研究； 錢靜媛(1976- ), 女，呼和浩特人，三亞理工職業(yè)學(xué)院，教師，從事會(huì)計(jì)學(xué)研究。