時(shí)空數(shù)據(jù)融合的自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)方案研究

項(xiàng) 波

溫 婷

郭 漢

劉紅純

劉 智*

中國(guó)自1985年加入《世界遺產(chǎn)公約》以來，經(jīng)過30多年的快速發(fā)展，截至2019年7月，已有55項(xiàng)世界遺產(chǎn)，位居全球第一，成為世界遺產(chǎn)大國(guó)。其中自然遺產(chǎn)14項(xiàng)、文化遺產(chǎn)37項(xiàng)(文化景觀遺產(chǎn)5項(xiàng))，文化和自然雙重遺產(chǎn)4項(xiàng)。今后，世界遺產(chǎn)的重心任務(wù)，將從“重?cái)?shù)量”向“重質(zhì)量”轉(zhuǎn)變，自然遺產(chǎn)的保護(hù)壓力將與日俱增。從當(dāng)前世界遺產(chǎn)全球保護(hù)發(fā)展趨勢(shì)來看，根據(jù)《保護(hù)世界文化和自然遺產(chǎn)公約》及其《操作指南》的規(guī)定，為實(shí)施世界遺產(chǎn)中心的5C戰(zhàn)略中的核心戰(zhàn)略可信度(credibility)和嚴(yán)格保護(hù)(conservation)，全球的世界遺產(chǎn)項(xiàng)目需要接受世界遺產(chǎn)保護(hù)管理狀況的定期監(jiān)測(cè)評(píng)估和反應(yīng)性監(jiān)測(cè)，對(duì)締約國(guó)保護(hù)、監(jiān)測(cè)、管理世界自然遺產(chǎn)提出了更高的要求。對(duì)國(guó)內(nèi)管理部門而言，利用地理、信息和傳統(tǒng)技術(shù)，實(shí)施對(duì)世界自然遺產(chǎn)的系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化管理，實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，并制定有效的保護(hù)管理措施，迅速提高管理效率，節(jié)約政府管理成本，越來越成為關(guān)鍵手段之一。

我國(guó)55項(xiàng)世界遺產(chǎn)涉及41處國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)。機(jī)構(gòu)改革之前，作為風(fēng)景名勝區(qū)和世界自然遺產(chǎn)的主管部門，國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部自2003年起，按照國(guó)務(wù)院要求，啟動(dòng)了國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)工作，開始加強(qiáng)對(duì)風(fēng)景名勝區(qū)資源保護(hù)和規(guī)劃實(shí)施的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并著手推動(dòng)我國(guó)風(fēng)景名勝區(qū)信息化建設(shè)。同時(shí)，依托風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)管平臺(tái)對(duì)我國(guó)世界自然遺產(chǎn)進(jìn)行保護(hù)管理。過去幾年，在風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)的良好運(yùn)行和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)核查工作的開展下，我國(guó)世界自然遺產(chǎn)的保護(hù)管理取得了良好的成效。但近年來，隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)的核心技術(shù)平臺(tái)已相對(duì)落后，需要進(jìn)行深層次的技術(shù)拓展；同時(shí)，世界遺產(chǎn)行業(yè)發(fā)展日新月異，遺產(chǎn)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展也出現(xiàn)了新理念、新戰(zhàn)略、新要求，需要在不斷研究自然遺產(chǎn)保護(hù)各級(jí)主管部門管理業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行業(yè)務(wù)拓展和模塊重構(gòu)，建設(shè)新的監(jiān)管應(yīng)用平臺(tái)[1]。此外，機(jī)構(gòu)改革之后，世界自然遺產(chǎn)的管理部門發(fā)生了變化，原本依托風(fēng)景名勝區(qū)建立的監(jiān)測(cè)核查系統(tǒng)不再適用于世界遺產(chǎn)的管理，亟須根據(jù)世界遺產(chǎn)的特點(diǎn)建立專門的世界自然遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)保護(hù)管理平臺(tái)。

1 建設(shè)目標(biāo)

設(shè)計(jì)遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理信息平臺(tái)總體架構(gòu)，分析總結(jié)國(guó)家、省、遺產(chǎn)地管理機(jī)構(gòu)對(duì)遺產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)管理、教育展示等方面的需求，提出國(guó)家、省、遺產(chǎn)地三級(jí)管理平臺(tái)的綜合架構(gòu)，設(shè)計(jì)遺產(chǎn)地分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，集成遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估、可視化展示、保護(hù)管理應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建與我國(guó)自然遺產(chǎn)地管理體制相適應(yīng)的綜合性網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問交換接口，集成資源與環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、規(guī)劃管理、電子政務(wù)、電子商務(wù)、多媒體可視化展示和LED信息發(fā)布等各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)模塊之間的對(duì)接，建立數(shù)據(jù)管理調(diào)用規(guī)范和軟件模塊化開發(fā)機(jī)制。

2 建設(shè)背景

世界自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理在全球范圍內(nèi)，目前美國(guó)國(guó)家公園具有系統(tǒng)化的管理系統(tǒng)，但由于美國(guó)國(guó)家公園生態(tài)環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)較好，保護(hù)和管理的需求較少，其側(cè)重在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值研究，故未廣泛集成物聯(lián)網(wǎng)等偏重保護(hù)監(jiān)管的技術(shù)。我國(guó)目前世界自然遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理，國(guó)家主管部門主要依托國(guó)家風(fēng)景名勝區(qū)監(jiān)管平臺(tái)[2]，各遺產(chǎn)地有部分自建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，但尚未建立系統(tǒng)化的自然遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理評(píng)價(jià)體系[4]，較少涉及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[5]，未建立可業(yè)務(wù)化運(yùn)行的評(píng)估遺產(chǎn)地突出普遍價(jià)值(Outstanding Universal Value，OUV)的空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系[6]及監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理系統(tǒng)。因此需要梳理自然遺產(chǎn)保護(hù)各級(jí)主管部門管理在監(jiān)測(cè)、保護(hù)與管理，以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等多方面業(yè)務(wù)需求，建設(shè)時(shí)空數(shù)據(jù)融合的自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全面、系統(tǒng)化的自然遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理。

圖1 遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理信息平臺(tái)總體框架

2.1 服務(wù)對(duì)象

世界自然遺產(chǎn)地國(guó)家、省、遺產(chǎn)地三級(jí)主管部門(機(jī)構(gòu))，世界遺產(chǎn)從業(yè)者及公眾等。

2.2 管理平臺(tái)建設(shè)需求分析

2.2.1 構(gòu)建與我國(guó)自然遺產(chǎn)地管理體制相適應(yīng)的綜合性網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

《實(shí)施世界遺產(chǎn)公約操作指南》和IUCN的《世界自然遺產(chǎn)保護(hù)管理指南》都指出，世界遺產(chǎn)的管理可以同締約國(guó)自然保護(hù)地的管理體制相結(jié)合。當(dāng)前，我國(guó)世界自然遺產(chǎn)地管理為中央部門監(jiān)管和地方屬地管理相結(jié)合的體制，即國(guó)務(wù)院行政主管部門監(jiān)管-省級(jí)行政主管部門監(jiān)管-市縣級(jí)屬地監(jiān)管-世界自然遺產(chǎn)地管理機(jī)構(gòu)屬地管理的模式，其中世界自然遺產(chǎn)地管理機(jī)構(gòu)多為縣級(jí)以上人民政府的派出機(jī)構(gòu)。各層次管理的職能、側(cè)重點(diǎn)、訴求會(huì)有較大差異。因此，需要構(gòu)建部、省、遺產(chǎn)地三級(jí)既相對(duì)獨(dú)立又交互式的綜合性網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，既要滿足各級(jí)管理的差異性需求，又要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整體性、系統(tǒng)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享、信息發(fā)布等聯(lián)動(dòng)共享功能。

其中，國(guó)家級(jí)平臺(tái)建設(shè)服務(wù)對(duì)象為國(guó)務(wù)院行政主管部門，需設(shè)計(jì)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)中心、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和服務(wù)接口等，并搭建系統(tǒng)平臺(tái)，預(yù)留與省級(jí)、遺產(chǎn)地，以及公眾服務(wù)的匹配端口；省級(jí)和遺產(chǎn)地級(jí)平臺(tái)服務(wù)對(duì)象分別為自然遺產(chǎn)省級(jí)主管部門、市縣級(jí)主管部門及遺產(chǎn)地管理機(jī)構(gòu)，預(yù)留與國(guó)家級(jí)平臺(tái)及公眾服務(wù)的匹配端口。遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理信息平臺(tái)總體框架如圖1所示。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)管理與服務(wù)相結(jié)合

基于世界自然遺產(chǎn)保護(hù)監(jiān)管與可持續(xù)利用的總體目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)資源保護(hù)數(shù)字化、項(xiàng)目管理平臺(tái)化、服務(wù)經(jīng)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)化的定位，重點(diǎn)建設(shè)規(guī)劃建設(shè)、遙感監(jiān)測(cè)、游客統(tǒng)計(jì)分析和智慧景區(qū)建設(shè)等系統(tǒng)和模塊、接口。各層次平臺(tái)和系統(tǒng)端口對(duì)接流暢，實(shí)現(xiàn)安全共享。

2.2.3 具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和展示性

除辦公、管理、交流和傳達(dá)功能外，系統(tǒng)還應(yīng)具有較強(qiáng)的綜合分析功能，為行政決策提供重要依據(jù)參考。包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、遺產(chǎn)健康診斷、游客流量統(tǒng)分、管理機(jī)制優(yōu)化和景觀三維展示等功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)世界自然遺產(chǎn)地的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為政府宏觀決策和依法行政提供科學(xué)依據(jù)。

2.2.4 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

通過系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建，建立國(guó)內(nèi)權(quán)威、準(zhǔn)確、完整的世界自然遺產(chǎn)地分布式遺產(chǎn)資源，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)、遙感影像、地理地形、旅游管理，以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和便捷調(diào)用。

2.2.5 支持自定義化系統(tǒng)，具有科普和宣傳功能

預(yù)留自定義應(yīng)用系統(tǒng)接口，滿足不同層級(jí)、不同需求的管理部門網(wǎng)絡(luò)綜合布線系統(tǒng)。開設(shè)公眾瀏覽和互動(dòng)關(guān)口，向公眾科普和宣傳世界遺產(chǎn)基本知識(shí)、情況簡(jiǎn)介、法律法規(guī)、應(yīng)用技術(shù)和管理成效等，預(yù)留公眾問題建議反饋窗口。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 遺產(chǎn)地分布式數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)層次

自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理平臺(tái)分國(guó)家-省-遺產(chǎn)地三級(jí)，各類數(shù)據(jù)分布在不同地方，因此需要采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，通過數(shù)據(jù)接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚與系統(tǒng)集成。自然遺產(chǎn)地分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的概念設(shè)計(jì)主要說明本數(shù)據(jù)庫(kù)將反映的自然遺產(chǎn)地的實(shí)體、屬性和它們之間的關(guān)系等的原始數(shù)據(jù)形式，包括各數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、文卷的標(biāo)識(shí)符、定義、類型、度量單位和值域，是本數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶視圖。數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)主要說明把遺產(chǎn)地原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、合并后重新組織起來的數(shù)據(jù)庫(kù)全局邏輯結(jié)構(gòu)，包括所確定的關(guān)鍵字和屬性、重新確定的記錄結(jié)構(gòu)和文卷結(jié)構(gòu)、所建立的各個(gè)文卷之間的相互關(guān)系，形成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理員視圖。數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)主要建立系統(tǒng)程序員視圖，包括數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的安排，對(duì)索引區(qū)、緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)，所使用的外存設(shè)備及外存空間的組織，索引區(qū)、數(shù)據(jù)塊的組織與劃分，訪問數(shù)據(jù)的方式方法。數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)，主要對(duì)自然遺產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中涉及的各種項(xiàng)目，如數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、系、文卷、模式和子模式等建立數(shù)據(jù)字典，以說明它們的標(biāo)識(shí)符、同義名及有關(guān)信息。數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)，考慮自然遺產(chǎn)地管理的分級(jí)特點(diǎn)，通過區(qū)分不同的訪問者、不同的訪問類型和不同的數(shù)據(jù)對(duì)象，進(jìn)行分別對(duì)待。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)技術(shù)流程

系統(tǒng)中各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包含大量的數(shù)據(jù)文件，為保證對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有效的管理，便于查詢，不致發(fā)生混淆現(xiàn)象，以遺產(chǎn)編號(hào)為主，結(jié)合遺產(chǎn)地空間數(shù)據(jù)編碼及數(shù)據(jù)類別對(duì)文件命名。

由于自然遺產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)中有大量矢量和柵格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)需支持各類空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，故選擇PostgreSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)存取。本系統(tǒng)支持的矢量數(shù)據(jù)包括Coverage、Shapfile、Grids等；柵格數(shù)據(jù)包括TIFF、BMP、JPEG、GIF、PNG、Digtial Elevation Models等；屬性數(shù)據(jù)包括txt、mdb、dbf、xls等。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的技術(shù)流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)集成的流程除了將屬性數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)空間位置入庫(kù)，還需要將各類自然遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估模型以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)化的形式入庫(kù)。模型本體及參數(shù)適宜于用XML形式描述，故采用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

環(huán)境資源數(shù)據(jù)中由傳感器采集到的時(shí)間連續(xù)離散數(shù)據(jù)，適合用全內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)Redis存儲(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)技術(shù)流程

3.1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用集成

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)，從基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)和遙感監(jiān)測(cè)專題數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取空間連續(xù)的遙感數(shù)據(jù)，從自然遺產(chǎn)接口數(shù)據(jù)庫(kù)中抽取時(shí)間連續(xù)的傳感器數(shù)據(jù)，選取動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型庫(kù)中對(duì)應(yīng)的服務(wù)化模型，融合遙感數(shù)據(jù)空間連續(xù)屬性和傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)屬性，實(shí)現(xiàn)時(shí)空連續(xù)的自然遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估。

可視化展示應(yīng)用系統(tǒng)，從自然遺產(chǎn)本體庫(kù)、業(yè)務(wù)庫(kù)、管理庫(kù)、基礎(chǔ)地理信息庫(kù)和遙感監(jiān)測(cè)專題庫(kù)中抽取遺產(chǎn)相關(guān)信息，從接口數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)接實(shí)時(shí)遙感數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控、人流統(tǒng)計(jì)等系統(tǒng)接口，進(jìn)行多維可視化展示。

保護(hù)管理應(yīng)用系統(tǒng)也需從遺產(chǎn)地本體信息、業(yè)務(wù)信息、空間信息等各數(shù)據(jù)庫(kù)中提取并分析得出有效信息，服務(wù)自然遺產(chǎn)地區(qū)域環(huán)境動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)管理。

基于國(guó)家-省-遺產(chǎn)地三級(jí)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)自然遺產(chǎn)地元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)字典，為連接現(xiàn)有自然遺產(chǎn)地各數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，消除信息孤島，建立融合互通的自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)多級(jí)管理平臺(tái)打下數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

3.2.1 建設(shè)內(nèi)容

為了對(duì)遺產(chǎn)地生態(tài)健康狀況進(jìn)行時(shí)空連續(xù)監(jiān)測(cè)、分析，需以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式(DDDAS)[7]為指導(dǎo)，利用空間連續(xù)的高分辨率精細(xì)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)和持續(xù)獲取的時(shí)間連續(xù)的環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，調(diào)用遺產(chǎn)地模型庫(kù)中的生物多樣性監(jiān)測(cè)、重要物種生境適宜度評(píng)價(jià)等模型，集成構(gòu)建遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然遺產(chǎn)地健康狀態(tài)綜合評(píng)估、動(dòng)態(tài)更新及預(yù)警發(fā)布功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)自然遺產(chǎn)地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的量化分析。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)遺產(chǎn)地基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(DOM、DEM、DRG、DLG)、遙感影像數(shù)據(jù)(國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星高分系列、資源系列、環(huán)境系列、國(guó)外衛(wèi)星WorldView系列、SPOT系列、陸地衛(wèi)星系列和飛機(jī)航片等)、專題數(shù)據(jù)(遺產(chǎn)的屬性數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù))、人類活動(dòng)數(shù)據(jù)(景區(qū)刷卡數(shù)據(jù)、移動(dòng)端APP數(shù)據(jù)、手機(jī)信令數(shù)據(jù)等)的特點(diǎn)，以服務(wù)化方式集成不同類型的數(shù)據(jù)；基于集成的遺產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)與模型庫(kù)，建立遺產(chǎn)地健康診斷評(píng)估模型；以地理分析和景觀分析為基礎(chǔ)，計(jì)算遺產(chǎn)地健康狀態(tài)閾值；以SaaS服務(wù)形式，建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并具備遺產(chǎn)地健康狀態(tài)更新及預(yù)警發(fā)布技術(shù)的遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)。其中，能夠支持遺產(chǎn)地健康狀態(tài)計(jì)算的遺產(chǎn)地健康診斷評(píng)估技術(shù)，是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1)遺產(chǎn)地健康診斷評(píng)估。

自然遺產(chǎn)地健康診斷評(píng)估，可通過景觀生態(tài)健康狀態(tài)來表征。景觀生態(tài)健康是景觀生態(tài)發(fā)展的一種狀態(tài)，在此狀態(tài)下該生態(tài)環(huán)境處在可維持系統(tǒng)生存的水平。健康的景觀生態(tài)具有彈性，保持著內(nèi)穩(wěn)定性?；谘芯繀^(qū)突出普遍價(jià)值，可通過景觀格局指數(shù)從景觀類型水平和整體景觀水平來分析景觀系統(tǒng)健康狀況。

通過對(duì)整體景觀的健康評(píng)價(jià)，可反映出遺產(chǎn)地總體景觀健康狀況，評(píng)估其綜合的自然地理景觀美學(xué)價(jià)值，反映遺產(chǎn)保護(hù)工作、政府政策，以及當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活方式等對(duì)維持自然遺產(chǎn)地突出普遍價(jià)值及景觀美學(xué)價(jià)值的影響。

2)遺產(chǎn)地健康狀態(tài)計(jì)算。

通過景觀信息空間分析技術(shù)，獲得研究區(qū)景觀類型轉(zhuǎn)換的圖表。通過計(jì)算以下各景觀指數(shù)：斑塊密度指數(shù)(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長(zhǎng)面積分維指數(shù)(PAFRAC)、散布與并列指數(shù)(IJI)、斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)、聚集度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)，得到景觀格局演化特征，從而對(duì)研究區(qū)景觀健康狀況進(jìn)行深入分析。

3.2.3 自然遺產(chǎn)地OUV空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

遺產(chǎn)地經(jīng)過健康診斷評(píng)估后，會(huì)得到若干指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)分類、組合，建立能夠反映遺產(chǎn)地健康狀況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系，可量化自然遺產(chǎn)地健康狀況，及時(shí)對(duì)遺產(chǎn)地采取保護(hù)管理措施。

1)指標(biāo)體系構(gòu)建原則。

在世界自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)遵循以下監(jiān)測(cè)原則：

(1)以世界自然遺產(chǎn)地表征要素、干擾要素及其動(dòng)態(tài)變化作為監(jiān)測(cè)內(nèi)容設(shè)定監(jiān)測(cè)指標(biāo)，反映遺產(chǎn)地OUV價(jià)值的穩(wěn)定性和原生性，能夠滿足監(jiān)測(cè)目的的要求；

(2)必須按照規(guī)定的頻率長(zhǎng)期進(jìn)行指標(biāo)監(jiān)測(cè)；

(3)不能以破壞監(jiān)測(cè)區(qū)域地表環(huán)境為代價(jià)。

2)遺產(chǎn)地OUV空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)提取方法。

選取適當(dāng)?shù)倪b感影像，結(jié)合其他輔助數(shù)據(jù)，利用遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)和GIS手段對(duì)體現(xiàn)遺產(chǎn)地價(jià)值的載體(自然要素，包括冰川、植被、水體、濕地和珍稀瀕危動(dòng)植物棲息地等)及其影響要素(人工要素，包括道路、居民區(qū)、基礎(chǔ)設(shè)施和建筑等)進(jìn)行研究。主要方法流程為以下內(nèi)容。

(1)遙感圖像預(yù)處理，主要包括波段組合、大氣校正、圖像增強(qiáng)、影像鑲嵌與裁剪等。

(2)遺產(chǎn)地遙感圖像解譯與分類，包括初分類和二次分類2步。其中，冰川、河流及湖泊與其地物光譜差異較大，無須選擇樣本而直接對(duì)影像進(jìn)行非監(jiān)督分類即可取得較好的效果；人工要素主要為水庫(kù)、耕地、居民點(diǎn)及道路，其均有明顯的幾何和紋理結(jié)構(gòu)，在影像上表現(xiàn)直觀，可直接提取。

表1 系統(tǒng)能夠提供數(shù)據(jù)推送服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)

(3)在初分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次分類?；诿嫦?qū)ο蠓诸惡湍恳暯庾g的方法，結(jié)合NDVI指數(shù)，通過建立不同的分類規(guī)則，完成對(duì)林地、草地、沼澤、沙地和其他未利用地的二次分類。

(4)為了保證驗(yàn)證結(jié)果的有效性，采用多種方法對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，具體包括分類誤差矩陣、高分辨率遙感數(shù)據(jù)驗(yàn)證、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和地形圖驗(yàn)證等。

(5)分析遺產(chǎn)地各監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)空變化特征，包括冰川、森林、草地、濕地(河流、湖泊、沼澤)、耕地、道路和居民地等景觀的變化(如面積和空間范圍)，并針對(duì)不同遺產(chǎn)地重點(diǎn)分析其代表景觀的變化。

(6)遺產(chǎn)地各監(jiān)測(cè)對(duì)象時(shí)空變化的歸因探析，包括自然因子(如平均氣溫、年降水量)和人為因子(如土地破碎度、交通狀況)。

上述方法以SaaS服務(wù)形式，集成在遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)中，各類算法均可通過服務(wù)化方式調(diào)用，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用在線化服務(wù)。

3.2.4 方案設(shè)計(jì)

遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)自然遺產(chǎn)地健康狀態(tài)綜合評(píng)估、動(dòng)態(tài)更新及預(yù)警發(fā)布的功能，需要考慮環(huán)境和人兩方面因素。因此，在方案設(shè)計(jì)中，需要利用遙感、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，分別獲取遺產(chǎn)地環(huán)境和人的信息，再利用模型對(duì)遺產(chǎn)地健康狀況進(jìn)行評(píng)估預(yù)警。

1)自然遺產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)。

基于遙感數(shù)據(jù)，利用光學(xué)和雷達(dá)數(shù)據(jù)協(xié)同觀測(cè)方法，自動(dòng)識(shí)別違法建設(shè)和違法用地信息，利用深度學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)提取遺產(chǎn)地環(huán)境要素信息。

2)游客量統(tǒng)計(jì)。

通過數(shù)據(jù)接口，接入省級(jí)和遺產(chǎn)地級(jí)系統(tǒng)提供的遺產(chǎn)地游客量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并做圖形化數(shù)據(jù)展示。

3)健康評(píng)估預(yù)警。

調(diào)用集成的遺產(chǎn)地分布式多元異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、遺產(chǎn)地生物多樣性監(jiān)測(cè)、重要物種生境適宜度評(píng)價(jià)等模型，集成構(gòu)建遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然遺產(chǎn)地健康狀態(tài)綜合評(píng)估、動(dòng)態(tài)更新及預(yù)警發(fā)布功能。

遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估應(yīng)用系統(tǒng)是自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理平臺(tái)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)創(chuàng)新利用了包括以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、航空遙感數(shù)據(jù)為代表的空間數(shù)據(jù)，以及以手機(jī)信令數(shù)據(jù)、景區(qū)刷卡數(shù)據(jù)為代表的時(shí)間數(shù)據(jù)，將時(shí)空數(shù)據(jù)通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)范式進(jìn)行融合處理，分析遺產(chǎn)地健康狀態(tài)并進(jìn)行預(yù)警發(fā)布，從而對(duì)遺產(chǎn)地相關(guān)人類活動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)世界自然遺產(chǎn)地保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

3.3 遺產(chǎn)地可視化展示應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

3.3.1 建設(shè)內(nèi)容

基于遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)保護(hù)與管理信息三級(jí)平臺(tái)，設(shè)計(jì)基于場(chǎng)景一體化的高效協(xié)同運(yùn)算方案，構(gòu)建數(shù)字化自然遺產(chǎn)多維度可視化展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)地實(shí)景三維模型、全景影像、4D數(shù)據(jù)等超大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的可視化展示；以“互聯(lián)網(wǎng)+”為驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用網(wǎng)站、移動(dòng)終端APP等信息發(fā)布技術(shù)，開發(fā)自然遺產(chǎn)地示范區(qū)定制化信息推送子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)周期性可視化推送與展示。

3.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)自然遺產(chǎn)地的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合自然遺產(chǎn)地場(chǎng)景特點(diǎn)的一體化的高效協(xié)同展示方案，實(shí)現(xiàn)3D模型、全景影像、4D數(shù)據(jù)等超大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效可視化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化。將遺產(chǎn)地所有相關(guān)的多元跨域異構(gòu)數(shù)據(jù)處理成帶地理信息的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)空間化表達(dá)。并利用多元遙感數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)。對(duì)于遺產(chǎn)地核心區(qū)域，為提高監(jiān)測(cè)頻度和實(shí)時(shí)性，借助多元數(shù)據(jù)融合、遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)周期性推送。遺產(chǎn)地可視化展示應(yīng)用系統(tǒng)支持多顆國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送，如表1所示，其中包括國(guó)內(nèi)外多顆具有全球獲取數(shù)據(jù)能力的主流衛(wèi)星，獲取的數(shù)據(jù)可輸出為多種格式。

3.3.3 方案設(shè)計(jì)

基于遙感影像實(shí)時(shí)推送技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自然遺產(chǎn)地遙感數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)移動(dòng)窗顯示與信息播報(bào)。實(shí)時(shí)將陸地衛(wèi)星站網(wǎng)接收的不同光學(xué)遙感衛(wèi)星、傳感器的快視推送到自然遺產(chǎn)地的三級(jí)管理部門，使不同級(jí)別用戶均能及時(shí)獲取衛(wèi)星快視數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)地大區(qū)域?qū)崟r(shí)可視化，并從快視圖像中分析衛(wèi)星過境自然遺產(chǎn)地區(qū)域情況。

系統(tǒng)的核心特點(diǎn)是按需與實(shí)時(shí)推送。即用戶按自己的關(guān)注衛(wèi)星、傳感器、接收站請(qǐng)求訪問數(shù)據(jù)；服務(wù)系統(tǒng)在衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)后10min以內(nèi)將數(shù)據(jù)推送到用戶終端。數(shù)據(jù)可周期性推送，有助于自然遺產(chǎn)地管理部門開展遺產(chǎn)地精細(xì)動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，適合需要使用遙感數(shù)據(jù)持續(xù)觀測(cè)大面積區(qū)域的自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)管理用戶。通過在線服務(wù)與數(shù)據(jù)支持，自然遺產(chǎn)地各級(jí)管理部門可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面接收站獲取的數(shù)據(jù)同步接收，可幫助管理部門實(shí)現(xiàn)與地面站近同步快速獲取遙感圖像初級(jí)影像(全分辨率，近實(shí)時(shí))，圖像數(shù)據(jù)與多種矢量元素疊加，可用于向公眾和媒體展示自然遺產(chǎn)地遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的過程，降低數(shù)據(jù)獲取成本。

遺產(chǎn)地可視化展示應(yīng)用系統(tǒng)基于數(shù)字地球技術(shù)，以三維可視化方式，實(shí)時(shí)融合天-空-地多源數(shù)據(jù)，對(duì)自然遺產(chǎn)地的表征要素和干擾要素進(jìn)行全方位展示。形成的自然遺產(chǎn)地定制化監(jiān)測(cè)信息推送子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)周期性可視化推送與展示，為遺產(chǎn)地保護(hù)與管理提供了時(shí)空數(shù)據(jù)融合的高效可視化工具。

4 總結(jié)

自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理信息平臺(tái)的開發(fā)融合了多種技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新。具備自然遺產(chǎn)地OUV空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)系統(tǒng)化，時(shí)空數(shù)據(jù)融合的健康診斷評(píng)估方法科學(xué)有效，遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)客觀，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型仿真預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

現(xiàn)有自然遺產(chǎn)地保護(hù)管理系統(tǒng)分散在各管理部門，形成了若干數(shù)據(jù)孤島，且數(shù)據(jù)基本為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及模型分析。本平臺(tái)以多維可視化和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)，集成天-空-地多源數(shù)據(jù)，融合時(shí)間序列數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，打通管理部門和業(yè)務(wù)部門的信息孤島，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)匯聚，便于自然遺產(chǎn)地保護(hù)和管理決策。

本平臺(tái)的創(chuàng)新性，體現(xiàn)在通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)指標(biāo)體系及對(duì)應(yīng)評(píng)估模型，融合了反映空間屬性的遙感數(shù)據(jù)和反映時(shí)間屬性的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)自然遺產(chǎn)地進(jìn)行可在線業(yè)務(wù)化運(yùn)行的科學(xué)評(píng)估。

本平臺(tái)的前沿性，在于將自然遺產(chǎn)地OUV空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系首次應(yīng)用在國(guó)家級(jí)自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理信息平臺(tái)中。

本平臺(tái)的價(jià)值，在于為世界自然遺產(chǎn)地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理提供了可參考的設(shè)計(jì)模式。

本平臺(tái)專為世界自然遺產(chǎn)生態(tài)保護(hù)與監(jiān)測(cè)管理研發(fā)，且依托于聯(lián)合國(guó)教科文組織專門從事世界自然遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)與保護(hù)的空間科技平臺(tái)建設(shè)，系統(tǒng)性地為自然遺產(chǎn)地監(jiān)測(cè)與保護(hù)管理提供了綜合解決方案。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：本文中美國(guó)國(guó)家公園的系統(tǒng)現(xiàn)狀，由美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)全球發(fā)現(xiàn)與保護(hù)科學(xué)中心(Arizona State University's Center for Global Discovery and Conservation Science)許亞平博士后提供，在此致謝。