粵東淺海區(qū)立體監(jiān)測與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)架構(gòu)

聶旭清 凌玉榮 段煉 溫小婷 梁偉堅

（1.廣東邦鑫數(shù)據(jù)科技股份有限公司 廣東省廣州市 510000）

（2.南寧師范大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530001）

（3.南寧師范大學(xué)自然資源與測繪學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530001）

1 引言

在海洋生態(tài)文明和生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)實踐中，現(xiàn)有的管理體系與全面深化改革、生態(tài)文明建設(shè)、海島治理體系和治理能力現(xiàn)代化的要求尚有一定差距：海洋生態(tài)文明建設(shè)布局規(guī)劃不合理或執(zhí)行力度不足，導(dǎo)致沿海地區(qū)涉海生態(tài)工程項目建設(shè)散亂、數(shù)量雖多但往往規(guī)模偏??；海洋生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，海洋生態(tài)環(huán)境的變化如何，是否達到建設(shè)的目的，管理部門缺乏大量數(shù)據(jù)支撐，無法精細化管理、缺乏信息服務(wù)和應(yīng)用創(chuàng)新等問題依然存在。

本文以地理空間信息資源庫為依托，充分考慮海域開發(fā)以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)“監(jiān)測-分析-展示-管理決策”一體化的系統(tǒng)集成，可及時掌握和分析生態(tài)環(huán)境數(shù)量與質(zhì)量、動態(tài)變化，實現(xiàn)“海陸一張圖”輔助決策支持，加強海洋環(huán)境管理的科學(xué)性與及時性，提高海洋管理和海洋生態(tài)文明示范區(qū)域建設(shè)水平，為海岸帶、海島、海灣環(huán)境和綜合調(diào)控提供信息化技術(shù)保障，全面提高海洋環(huán)境監(jiān)控信息為管理和決策服務(wù)的效能。

2 淺海區(qū)立體監(jiān)測與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)

本項目搭建海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的物聯(lián)網(wǎng)，將傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)基于觀測平臺綜合運用到海岸帶環(huán)境監(jiān)測中，通過在監(jiān)測海岸帶和海域搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集海洋環(huán)境信息，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸采集數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)接收端完成數(shù)據(jù)的接收與處理并具有管理整個系統(tǒng)的功能，從而構(gòu)建一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海岸帶、海島及近海海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。

2.1 海岸帶、海島及其近海海域監(jiān)測內(nèi)容

汕頭市海岸帶與海島部分需要監(jiān)測的對象包括“海陸統(tǒng)籌”中的陸地地理實體及其變遷特征：

（1）海岸線的位置、長度、類型和岸線變遷等；

（2）海岸帶的灘涂、植被、濱海濕地、海洋保護區(qū)、旅游區(qū)、港口、航道、海岸帶圍填海等的類型、面積和分布等及其動態(tài)變化；

（3）海岸帶圍填海、海岸（洋）工程等對海岸線、海島、及海岸帶資源和土地利用的影響；

（4）海島及其灘礁的潮間帶、植被、濕地、土地利用、地形地貌等位置、類型、面積和分布及其動態(tài)變化等景觀特征；

（5）海岸帶的地下水水質(zhì)、咸潮入侵、海岸侵蝕等。

海洋和氣象實時觀測和水體生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測主要針對流體對象（水、氣）及其實時動態(tài)變化，主要包括：

（1）各海灣、河口等區(qū)域的水質(zhì)（污染物、葉綠素、赤潮、溢油、懸浮泥沙、pH、DO 濃度等）、濁度、生物種群等，海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)；

（2）海流、海溫、鹽度、海表面高度、海面風(fēng)場等海洋動力環(huán)境參數(shù)；

（3）臺風(fēng)、海岸帶與海島及近海的天氣狀況、氣象七要素（溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量和大氣能見度）等海洋氣象環(huán)境參數(shù)；

（4）海洋內(nèi)波、中尺度漩渦、上升流、海洋鋒、海洋藻華、赤潮等海洋現(xiàn)象與過程及其動態(tài)變化。

陸上生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)場補充調(diào)查內(nèi)容，主要包括：

（1）陸源污染源的分布；

（2）海岸帶海島生態(tài)群落的分布、結(jié)構(gòu)和類型等；

（3）開展海岸帶海島和海洋生態(tài)受損評估狀況調(diào)查與評估，推進海洋生態(tài)修復(fù)。

2.2 海洋立體觀測網(wǎng)

“陸-海-空-天”立體觀測網(wǎng)由以下3 種觀測平臺組成。

固定觀測站臺：

（1）海洋固定式觀測平臺：這類平臺可以集成海洋和氣象兩類觀測設(shè)備，實現(xiàn)海洋、氣象多種要素的立體同步觀測。其他類型的固定式觀測平臺還包括適用于較深海域的海床基觀測系統(tǒng)和潛標(biāo)觀測系統(tǒng)等。

（2）岸基固定式觀測：包括岸基觀測站或石油平臺觀測站，對沿岸海域的水文氣象環(huán)境進行觀測，或?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，本項目選用高頻雷達觀測系統(tǒng)，利用高頻輻射電波，從雷達回波中提取波浪場、表面流程、風(fēng)場等海洋環(huán)境信息。

（3）岸基臺站觀測主要靠海洋觀測儀器設(shè)備來實現(xiàn)，觀測儀器設(shè)備主要包括壓力式無井驗潮儀、浮子式有井驗潮儀、水位計、聲學(xué)測波儀、波浪儀、自動氣象儀、感應(yīng)式鹽度計、電極式鹽度計、pH 計、DO 測定儀等組成的海洋水文氣象自動觀測系統(tǒng)。

移動式觀測平臺：海面移動式觀測平臺包括各種類型的無人船（艇），可以完成海洋生態(tài)監(jiān)測、海洋調(diào)查和海洋測繪等任務(wù)。本項目擬采用通用型船體，由碳纖維、玻璃鋼、凱夫拉復(fù)合材料等構(gòu)成的船體，結(jié)合上下隔艙設(shè)計，使得全船水密、防沉、防顛覆；無人船的通用型數(shù)據(jù)接口、供電系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，適宜搭載多種測量、測繪傳感器，船體吃水更淺，可抵達有人船、觀測站等無法企及的測量區(qū)域，使得應(yīng)用更靈活。

“空-天”基觀測平臺：天基觀測平臺包括各類對地觀測衛(wèi)星，空基觀測平臺包括普通航空器（飛機、飛艇、熱氣球等）及各類無人機。主要監(jiān)測陸地地理實體及其變遷特征：海岸線；海岸帶的灘涂、植被、濱海濕地、海洋保護區(qū)、旅游區(qū)、港口、航道、海岸帶圍填海等。

2.3 生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)

項目采用具有智能特征的數(shù)據(jù)采集與控制模塊構(gòu)建的集成式傳感器系統(tǒng)，并在汕頭市海岸帶、近海海域的重點區(qū)域內(nèi)合理布局數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，組建淺海區(qū)生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)，主要模塊有：

海面監(jiān)測模塊：通過布放在海面的移動平臺和固定平臺，形成結(jié)構(gòu)靈活的觀測網(wǎng)，觀測水溫、鹽度、酸堿度（pH 值）、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度、葉綠素、藍綠藻等參數(shù)。

氣象觀測模塊：采集風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、氣壓、相對濕度、雨量等6 個參數(shù)，可布放在海岸帶、海島及其近海海域的重點區(qū)域，形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

咸潮入侵自動監(jiān)測模塊：由微功耗測控終端、水位監(jiān)測記錄儀、通信網(wǎng)絡(luò)等組成，主要監(jiān)測要素是水位、水溫、水質(zhì)等，水體中鹵族元素（氟、氯、溴、碘等）的監(jiān)測結(jié)果能夠客觀反映咸潮入侵的程度。

大氣質(zhì)量在線監(jiān)測模塊：包括分析儀模塊、校準(zhǔn)模塊、采樣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄器、無紙表格記錄器、通訊系統(tǒng)等，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和接收平臺即可遠程獲取空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)。

視頻監(jiān)測模塊：包括海島重點區(qū)域視頻監(jiān)控設(shè)備、海岸線監(jiān)控設(shè)備，及視頻燈光輔助設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等，實現(xiàn)海岸帶海島重點區(qū)域的視頻信息獲取。

能源供應(yīng)模塊：主要包括光伏陣列、水密控制箱、太陽能充電控制器。

通信模塊：采用數(shù)字圖傳、4G 移動互聯(lián)網(wǎng)和VPN 專網(wǎng)等方式，將收集的視頻、水質(zhì)、水文等數(shù)據(jù)傳輸至沿岸基站和系統(tǒng)。

防雷模塊：高頻地波雷達觀測站、岸基海洋氣象觀測站、海岸帶視頻監(jiān)控設(shè)備、大數(shù)據(jù)管理/遙感資料中心綜合機房、岸基控制與管理站（或設(shè)備機柜）等需進行防雷保護。

3 立體監(jiān)測與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用

3.1 海陸生態(tài)環(huán)境質(zhì)量服務(wù)

將海洋立體觀測網(wǎng)、海岸帶生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)和遙感等的監(jiān)測結(jié)果制作為專題產(chǎn)品和公眾化產(chǎn)品，公眾通過WebGIS、移動端APP 和微信小程序等訪問查看公眾化產(chǎn)品，實時了解汕頭市海岸帶、海島及近海的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量信息，包括海岸帶水體、土壤、土地利用、空氣質(zhì)量等陸地環(huán)境信息；海面風(fēng)、浪、流、潮、水質(zhì)等海洋環(huán)境信息等。

3.2 海洋預(yù)警報和海洋防災(zāi)減災(zāi)信息服務(wù)

公眾可以實時獲取海岸帶風(fēng)、降水、溫度、濕度等氣象信息和臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、海浪、裂流、赤潮、海岸侵蝕、咸潮入侵等海洋災(zāi)害的預(yù)警報信息、有效防災(zāi)措施和減災(zāi)應(yīng)急方法等。此外，公眾還能了解到與海洋災(zāi)害有關(guān)的專業(yè)知識，認識并掌握防災(zāi)減災(zāi)的基本常識和技巧，提高公眾個體防災(zāi)減災(zāi)措施的科學(xué)性、有效性和及時性，降低災(zāi)害損失。

4 結(jié)束語

本文基于GIS 技術(shù)及大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合監(jiān)控、監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對海岸帶、海島及其近海海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在線監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時接入，管理人員可及時掌握島嶼及周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，真正實現(xiàn)自動監(jiān)控數(shù)據(jù)實時、直觀、動態(tài)、可視化管理和展示。實現(xiàn)全方位、自動化的監(jiān)控，實現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時刷新、臨界提示、超標(biāo)報警，實時掌握海域環(huán)境狀態(tài)，同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常顯示，利用GIS 空間分析技術(shù)進行相關(guān)分析，完善海洋預(yù)警體系，全面提升預(yù)警能力。

以地理空間信息資源庫為依托，充分考慮海域開發(fā)以及大數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)“監(jiān)測-分析-展示-管理決策”一體化的系統(tǒng)集成，可及時掌握和分析生態(tài)環(huán)境數(shù)量與質(zhì)量、動態(tài)變化，實現(xiàn)“海陸一張圖”輔助決策支持，加強海洋環(huán)境管理的科學(xué)性與及時性，提高海洋管理和海洋生態(tài)文明示范區(qū)域建設(shè)水平，為海岸帶、海島、海灣環(huán)境和綜合調(diào)控提供信息化技術(shù)保障，全面提高海洋環(huán)境監(jiān)控信息為管理和決策服務(wù)的效能。