大數(shù)據(jù)在復(fù)雜生態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用研究

宋蕾

摘要：近年來，生態(tài)多樣性的保護(hù)已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。大數(shù)據(jù)是融合了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)物。如何有效地將大數(shù)據(jù)系統(tǒng)與生態(tài)多樣性研究結(jié)合起來是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)探討在云南省這種復(fù)雜生態(tài)環(huán)境中構(gòu)建大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以及應(yīng)用大數(shù)據(jù)過程中所面臨的挑戰(zhàn)。最后，分析了深度學(xué)習(xí)及知識(shí)圖譜在生態(tài)大數(shù)據(jù)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);生態(tài)多樣性;數(shù)據(jù)采集;信息融合

中圖分類號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0064-02

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類生活的范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，對(duì)自然資源的過度開發(fā)也在日益增加，這些行為都對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，使得生態(tài)系統(tǒng)越來越脆弱。任何一種資源的枯竭或動(dòng)物的滅絕都會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的其他物種產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)。因此，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控以及保護(hù)，是人類刻不容緩的頭等大事。近年來，國(guó)家已將生態(tài)多樣性的保護(hù)上升到了國(guó)家戰(zhàn)略層面[1]。

云南省地處中國(guó)西南邊陲，由于其特殊的地理位置和地貌分布，云南省氣候兼具季風(fēng)氣候、低緯氣候和山原氣候等，從而導(dǎo)致了云南具有復(fù)雜多樣的植被和物種分布[2]。然而，由于信息化的相對(duì)落后，目前云南省的生態(tài)多樣性保護(hù)仍然是個(gè)難題。大數(shù)據(jù)是一種新興的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的融合產(chǎn)物[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，大數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)對(duì)象多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，且需要更為快速、高效的分析。本文重點(diǎn)討論如何在生態(tài)多樣性保護(hù)中建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，以及應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的策略，為讀者提供一個(gè)思路。

1 生態(tài)多樣性與大數(shù)據(jù)概念

首先，分別闡述生態(tài)多樣性及大數(shù)據(jù)兩個(gè)領(lǐng)域涉及的基本概念和作用。

1.1 生態(tài)多樣性

生態(tài)多樣性（Ecological diversity）沒有一個(gè)較為完整的定義，核心內(nèi)容主要涉及到諸如物種多樣性，景觀多樣性和HLZ生態(tài)系統(tǒng)等，是眾多研究對(duì)象在空間分布的綜合[4]。換句話說，生態(tài)多樣性可以理解為生物多樣性的最大規(guī)模。

生態(tài)多樣性與人們生活密不可分，人類從生態(tài)多樣性中獲取價(jià)值的方式大致分為兩種：

（1）直接獲取。生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了食物、材料和藥物等，保障了人們的生活及健康。另外，動(dòng)植物的多樣性以及秀麗的山河不僅可以陶冶情操，還為人類的藝術(shù)創(chuàng)作提供了靈感。

（2）間接獲取。生態(tài)系統(tǒng)中包含各種動(dòng)植物以及微生物，它們都是不可或缺的組成部分，與人類生存構(gòu)成一個(gè)良性循環(huán)的整體。某個(gè)組成部分的破壞（如，物種滅絕）都可能引起更多的自然災(zāi)難。此外，空氣和水源通過大氣流動(dòng)及土壤過濾，能保證人類生活在一個(gè)干凈的環(huán)境中。

1.2 大數(shù)據(jù)

2011年，國(guó)際數(shù)據(jù)公司IDC對(duì)大數(shù)據(jù)（Big data）的定義是：“大數(shù)據(jù)技術(shù)是全新的一代技術(shù)和架構(gòu)體系，該技術(shù)通過高速采集、分析，從各式各樣的龐大數(shù)據(jù)量中提取出經(jīng)濟(jì)價(jià)值”[5]。而維基百科對(duì)大數(shù)據(jù)的描述是“大數(shù)據(jù)是指無法在一定時(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合”。雖然學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)大數(shù)據(jù)的定義仍存在爭(zhēng)議，但是提出大數(shù)據(jù)的目的是解決問題，而非如何界定。因此，本文認(rèn)為如果數(shù)據(jù)滿足以下5個(gè)特性（如圖1所示），就可利用大數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)來解決問題。

如圖1所示，相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集，大數(shù)據(jù)具有規(guī)模大（Volume）、多樣性（Variety）、高速性（Velocity）、價(jià)值密度低（Value）和在線產(chǎn)生（Online）五個(gè)特性，具體而言：（a）規(guī)模大，相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集，大數(shù)據(jù)的規(guī)模大刻畫的是單位時(shí)間內(nèi)的增量大;（b）多樣性，指的是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的設(shè)備多種多樣，以及數(shù)據(jù)格式的多樣性（如，結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）;（c）高速性，表達(dá)的是處理速度快，一般在秒級(jí)內(nèi)就要給出分析結(jié)果;（d）價(jià)值密度低，雖然產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極其龐大，但是真正有價(jià)值的信息相對(duì)來說范圍極小;（e）在線產(chǎn)生，相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集必須是實(shí)時(shí)在線產(chǎn)生的，并且數(shù)據(jù)的收集、分析也需要在線完成。

2 生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)能將現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成起來，基于龐大的數(shù)據(jù)集來快速提取出有價(jià)值的信息，從而促使生態(tài)多樣性的保護(hù)工作從業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的功能形態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能形態(tài)。表1統(tǒng)計(jì)了web of science數(shù)據(jù)庫(kù)上關(guān)于大數(shù)據(jù)、生態(tài)多樣性以及兩者結(jié)合的主題文章數(shù)量。

從表1可得，近五年各個(gè)領(lǐng)域關(guān)于大數(shù)據(jù)的研究都是熱點(diǎn)。生態(tài)多樣性的研究也在逐年上升。同時(shí)，把兩者結(jié)合起來的研究也日益得到重視。接下來，本文重點(diǎn)討論生態(tài)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及針對(duì)云南特殊氣候如何布局生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

生態(tài)是一個(gè)涉及范圍相當(dāng)廣泛的集合，若要建立生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，各個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)整合是第一步，也是最為重要的一步。當(dāng)前，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)類型有：

（1）環(huán)境類數(shù)據(jù)。環(huán)境對(duì)生態(tài)的影響最為直接，所以需要實(shí)時(shí)地、全方位的跟蹤區(qū)域的環(huán)境變化。這類數(shù)據(jù)主要有：水資源、土資源、空氣質(zhì)量、噪聲污染，植被覆蓋情況，固體廢棄物，以及不同生態(tài)數(shù)據(jù)情況等。

（2）氣象數(shù)據(jù)。經(jīng)過多年的生存演化，整個(gè)生態(tài)群體對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蚨家堰m應(yīng)。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展，氣候也在發(fā)生改變，而且變化的速度也在增加。所以，很有必要收集氣象數(shù)據(jù)，包括日照、溫度、氣壓和濕度等。

（3）社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。人類的活動(dòng)會(huì)對(duì)生態(tài)造成一定影響，因此需要統(tǒng)計(jì)農(nóng)藥施用強(qiáng)度、土地墾殖率和人口密度等。此外，對(duì)動(dòng)物的遷徙及種群分布也要統(tǒng)計(jì)。

（4）其他數(shù)據(jù)。社會(huì)輿論、科學(xué)研究以及政策導(dǎo)向都會(huì)讓一個(gè)地區(qū)的生態(tài)發(fā)生變化。這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，主要通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)收集。

綜上分析，生態(tài)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是涉及面廣、數(shù)據(jù)類型極其復(fù)雜、數(shù)據(jù)增量龐大以及不斷更新。

2.2 平臺(tái)部署

由于云南特殊的地理位置及氣候原因，其氣候著有“一山分四季，十里不同天”之說。如果盲目地將各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)在一起，不僅代價(jià)高，而且數(shù)據(jù)的價(jià)值極低，容易適得其反。為此，本文提出了邊緣分區(qū)來解決此問題。

如圖2所示，相對(duì)于傳統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，本文主要增設(shè)了邊緣分區(qū)來處理局部地區(qū)的生態(tài)數(shù)據(jù)。每個(gè)邊緣分區(qū)既是整個(gè)平臺(tái)的組成部分，又可以看成單個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的縮減版。具體而言，邊緣分區(qū)主要包括三層架構(gòu)：第一層是數(shù)據(jù)采集層，主要來源有監(jiān)控?cái)z像頭、無線傳感器以及分區(qū)中的數(shù)據(jù)中心（包括當(dāng)?shù)氐恼?、科研部門數(shù)據(jù)中心等）;第二層是數(shù)據(jù)收集層，不僅要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的抽取、轉(zhuǎn)換及分析處理;第三層是服務(wù)層，除了對(duì)中心平臺(tái)提供數(shù)據(jù)外，還應(yīng)包含一些簡(jiǎn)單的查詢、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用服務(wù)。

2.3 面臨的主要挑戰(zhàn)

大數(shù)據(jù)平臺(tái)的架設(shè)都會(huì)遇到一些如數(shù)據(jù)采集過濾以及安全等經(jīng)典問題[6]，而本文重點(diǎn)討論云南省部署生態(tài)大數(shù)據(jù)主要面臨的挑戰(zhàn)。具體包括：

（1）部門數(shù)據(jù)交換困難。由于云南省信息化相對(duì)落后，不同的生態(tài)數(shù)據(jù)分散在不同的部門，而且部門之間的信息交換幾乎是人工完成，沒有完整的信息化平臺(tái)。其次，部分單位雖然建設(shè)了信息化平臺(tái)，但是數(shù)據(jù)收集及統(tǒng)計(jì)手段相對(duì)落后，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全，格式混亂等。

（2）大數(shù)據(jù)人才稀缺?？傮w來講，全國(guó)的大數(shù)據(jù)人才都是供不應(yīng)求的。而云南省由于經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，真正數(shù)量掌握大數(shù)據(jù)的人才基本留不住，導(dǎo)致了該領(lǐng)域的儲(chǔ)備人才極其稀缺。

（3）區(qū)域資源分配不平衡。云南省面積較廣，包含不同的氣候帶。對(duì)于生態(tài)多樣性的研究需要統(tǒng)計(jì)及分析不同地州的生態(tài)數(shù)據(jù)，然而由于貧困差距較大，部分地州沒有足夠的資源（如，資金、人力、信息化設(shè)備等）用于支撐該領(lǐng)域的研究。

針對(duì)以上三個(gè)難題，本文給出的建議是：

1）數(shù)據(jù)分散問題，應(yīng)采用局部到整體策略。即，先引導(dǎo)企業(yè)與企業(yè)之間，單位與單位之間分別建立好信息交換平臺(tái)。再，進(jìn)一步深化推進(jìn)單位與企業(yè)之間構(gòu)件大數(shù)據(jù)平臺(tái);

2）人才稀缺問題，可以從兩方面入手：第一，給予優(yōu)惠的政策，引進(jìn)該領(lǐng)域的專家、企業(yè)家等，推動(dòng)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域發(fā)展;第二，鼓勵(lì)高校及科研機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)培養(yǎng)大數(shù)據(jù)方面的人才，為云南省提供后備人才;

3）資源分配問題，需要政府相關(guān)部門多進(jìn)行宣傳，讓部分地州重視大數(shù)據(jù)行業(yè)的發(fā)展。其次，提供便利的服務(wù)，鼓勵(lì)企業(yè)和科研單位入駐地州進(jìn)行工作推廣。同時(shí)，加大地州對(duì)于大數(shù)據(jù)科技產(chǎn)業(yè)的財(cái)政投入。

3 應(yīng)用前景

隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也在不斷提升。生態(tài)多樣性的保護(hù)涉及到每個(gè)人的生活和健康。而生態(tài)大數(shù)據(jù)可以為人們提供更加多元化的服務(wù)，更加便捷生活體驗(yàn)。比如，在生態(tài)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合深度學(xué)習(xí)[7]和虛擬技術(shù)，可以讓人們足不出戶就能領(lǐng)略到大好河山的美麗。在科普教育上，利用生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以構(gòu)建出動(dòng)植物的知識(shí)圖譜[8]，提高人們對(duì)生態(tài)多樣性的保護(hù)意識(shí)。

無論是深度學(xué)習(xí)還是知識(shí)圖譜，只要構(gòu)建好生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，就能讓新興的技術(shù)大方光彩，更好地服務(wù)于社會(huì)，服務(wù)于人類。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先闡述了生態(tài)多樣性及大數(shù)據(jù)的相關(guān)概念，然后重點(diǎn)提出了如何在生態(tài)多樣性中構(gòu)建生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。最后，列出了平臺(tái)部署及應(yīng)用的挑戰(zhàn)，并給出了相應(yīng)的策略建議。同時(shí)，闡述了新興技術(shù)在生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)上的應(yīng)用前景。

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