沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警服務(wù)體系研究

李偉超 鞠蜜蜜 郝博文 楊晟章

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.航空經(jīng)濟(jì)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046）

0 引言

2019年9月18 日，習(xí)近平總書記在黃河流域舉行的關(guān)于“綠色發(fā)展”的專題討論會上指出，黃河是國家的戰(zhàn)略要道，是國家實(shí)現(xiàn)全面小康社會建設(shè)的關(guān)鍵地區(qū)，黃河在國家的發(fā)展和生態(tài)安全中占有舉足輕重的位置，是關(guān)系到民族振興與可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)大事。國家提出了大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略［1］，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中，但中國在該領(lǐng)域尚處于探索階段［2］。其中，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)分析與利用為提高大面積的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供有效的監(jiān)測、評估和預(yù)報，為國家的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)［3］。王占明［4］基于海城水文觀測數(shù)據(jù)，利用灰色數(shù)學(xué)方法，對海城今后可能出現(xiàn)的各類洪災(zāi)進(jìn)行預(yù)報和分析。Bahraminejad等［5］認(rèn)為預(yù)警系統(tǒng)可作為一個實(shí)用廉價的工具，用于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，從而使大數(shù)據(jù)成為解決生態(tài)環(huán)境問題的重要參考，能更加有效地維護(hù)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

近年來，在沿黃流域生態(tài)保護(hù)與發(fā)展中使用了“云計(jì)算+生態(tài)預(yù)警”“數(shù)字經(jīng)濟(jì)+高質(zhì)量發(fā)展”“數(shù)字化轉(zhuǎn)型+高質(zhì)量發(fā)展”“數(shù)據(jù)黃河+生態(tài)保護(hù)”“5G+高質(zhì)量發(fā)展”等先進(jìn)科技手段，對沿黃流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展起到促進(jìn)作用［6］。王軍［7］認(rèn)為開展基于黃河流域的空天地融合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)是十分有必要的。黃河流域的生態(tài)數(shù)據(jù)處理與分析將直接關(guān)系到黃河流域的差異化、精準(zhǔn)化的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

本研究以沿黃流域?yàn)槔Y(jié)合實(shí)際，探討大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，為進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理和預(yù)警服務(wù)提供有益的借鑒。

1 大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警服務(wù)概念

1.1 大數(shù)據(jù)管理概念

與常規(guī)數(shù)據(jù)相比，大數(shù)據(jù)有以下4個特點(diǎn)。一是速度快，這意味著數(shù)據(jù)的加工和傳播的及時性很高。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，依托大數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的集成和分析，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的處理效率，在保證質(zhì)量的同時，也保證時效性；二是體量大，也就是說數(shù)據(jù)量很多。隨著時代的發(fā)展，大數(shù)據(jù)的量已從TB級升至PB級；三是價值高，即大數(shù)據(jù)有更高的價值；四是多樣性，即大數(shù)據(jù)類型的多樣性和內(nèi)容的多樣性，涉及地理位置、圖片、視頻、文本等［8］。與常規(guī)數(shù)據(jù)管理不同的是，大數(shù)據(jù)管理的管理理念和管理對象是動態(tài)、系統(tǒng)、開放的，從數(shù)據(jù)屬性和獲得方面來看，大數(shù)據(jù)管理的是不具結(jié)構(gòu)性特征、規(guī)模巨大、彼此可能并無關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)流，要依賴新興技術(shù)對其進(jìn)行處理。

1.2 預(yù)警服務(wù)體系概念

通過協(xié)調(diào)各階段的情報資源，可拓展和豐富風(fēng)險社會突發(fā)危機(jī)事件管理的思路，為優(yōu)化應(yīng)急預(yù)警服務(wù)提供新思路［9］。預(yù)警服務(wù)體系通過監(jiān)控技術(shù)手段來構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、信息發(fā)布系統(tǒng)和完整的組織體系，從而實(shí)現(xiàn)始終堅(jiān)持以人為本，第一時間公布災(zāi)害和緊急情況，讓民眾及時得到正確的防災(zāi)減災(zāi)資料，使政府做出科學(xué)的決策，并采取有效的防災(zāi)減災(zāi)措施，將損失降到最小。

2 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理

2.1 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理概述

生態(tài)環(huán)境是指影響人類生存發(fā)展的自然和環(huán)境因素，包括水、土壤、天然氣等資源能源，以及人以外的其他生物和其他環(huán)境因素［10］。大數(shù)據(jù)技術(shù)為解決生態(tài)環(huán)境問題提供新的思路，基于多部門、多源和多尺度的大量數(shù)據(jù)，對生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過“空天地一體”技術(shù)能持續(xù)獲得生態(tài)和環(huán)境等方面的信息。利用模型模擬、集群分析、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，并找出其中的關(guān)鍵問題，從而制定出相應(yīng)的解決方案。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)源的種類也越來越多。目前，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的種類有衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息、社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等［11］。

2.2 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)預(yù)警應(yīng)用

生態(tài)環(huán)境風(fēng)險的預(yù)警工作可分為3個方面。一是對生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評估；二是對生態(tài)環(huán)境今后的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行預(yù)報；三是對評估與預(yù)報結(jié)果進(jìn)行適時預(yù)警。大數(shù)據(jù)通過其在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的作用對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究包括對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測和大氣監(jiān)測進(jìn)行研究，也包括對國土開發(fā)、旅游保障和林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等的研究。

在區(qū)域生態(tài)環(huán)境預(yù)警中，以流域內(nèi)濕地生態(tài)安全為出發(fā)點(diǎn)，基于壓力?狀態(tài)?響應(yīng)（PSR）模型構(gòu)建適合該區(qū)域的生態(tài)安全評價指標(biāo)體系。同時，基于灰色預(yù)測模型構(gòu)建濕地生態(tài)安全預(yù)測模型，對未來40年的濕地安全進(jìn)行預(yù)測。采用狀態(tài)空間法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對區(qū)域的生態(tài)承載力進(jìn)行預(yù)警分析。選擇人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與生態(tài)足跡指標(biāo)體系相結(jié)合的方式，對生態(tài)敏感區(qū)的生態(tài)安全預(yù)警模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警示范系統(tǒng)

沿黃流域生態(tài)環(huán)境問題治理是一個系統(tǒng)工程，使用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)在統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)規(guī)劃部署下構(gòu)建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理平臺，在做好頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警示范系統(tǒng)，及時、全面、準(zhǔn)確地解決監(jiān)測、調(diào)度、調(diào)控、預(yù)警等問題，能更加有效地解決沿黃流域生態(tài)環(huán)境問題。

3.1 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)分析

沿黃流域生態(tài)系統(tǒng)是一個有機(jī)整體，要從上中下游來綜合考慮。目前，沿黃流域受水土流失、洪水風(fēng)險、水資源短缺和水污染等問題的困擾。因此，實(shí)施沿黃流域的在線管理、在線調(diào)度、在線辦公和在線監(jiān)測，建立生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理和生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是解決沿黃河流域生態(tài)環(huán)境問題，預(yù)防沿黃流域內(nèi)環(huán)境污染和自然災(zāi)害的必由之路。

3.2 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)沿黃流域生態(tài)保護(hù)和預(yù)警服務(wù)的現(xiàn)實(shí)需求，來構(gòu)建沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)。充分運(yùn)用數(shù)據(jù)集成，形成一個全流域、全時域、全要素的三維數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)智能化管理與預(yù)警打下基礎(chǔ)。

本研究通過建立數(shù)學(xué)模型、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、陰影關(guān)聯(lián)分析模型和三維地圖模型，來構(gòu)建沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對沿黃流域多角度的監(jiān)測和分析，充分發(fā)揮在線匯總、在線監(jiān)測和在線處理等功能，為沿黃流域提供大數(shù)據(jù)服務(wù)。該系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)采用四層架構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集層、基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用層，分別對應(yīng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫、信息管理子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng)（見圖1）。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集層。該層負(fù)責(zé)采集沿黃流域的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)，建立SQL和NoSQL數(shù)據(jù)庫，解決生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的存儲問題。系統(tǒng)要先確定沿黃流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的具體指標(biāo)，通過遙感監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對沿黃流域現(xiàn)有的地質(zhì)水文情況等不同類型數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，將不同格式的信息轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的格式，并上傳到監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測結(jié)果和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時更新。

3.2.2 基礎(chǔ)支撐層。該層對應(yīng)信息管理子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理與交換業(yè)務(wù)，包括從遙感系統(tǒng)和監(jiān)測點(diǎn)中獲取沿黃流域生態(tài)環(huán)境靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、分析及備份等，為沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的存儲和管理安全提供保障。

3.2.3 數(shù)據(jù)資源層。該層對應(yīng)決策支持子系統(tǒng)，對采集到的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和管理，并確定沿黃流域生態(tài)環(huán)境預(yù)警閾值，對水污染、水量變化異常、土壤侵蝕等進(jìn)行預(yù)警決策，為功能展示層提供支持。信息發(fā)布子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)流域環(huán)境質(zhì)量結(jié)果展示、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)報預(yù)警、發(fā)布流域環(huán)境質(zhì)量實(shí)況等。最后，基于SOA服務(wù)框架，組成沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)。

3.3 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 用智能設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備，可利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、傳感器等實(shí)時收集數(shù)據(jù)，并在項(xiàng)目監(jiān)測、項(xiàng)目控制和項(xiàng)目評估中進(jìn)行智能處理。

3.3.2 建設(shè)智慧的土壤保護(hù)系統(tǒng)。通過傳感器對監(jiān)測點(diǎn)土壤侵蝕因子進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對土壤侵蝕因子進(jìn)行預(yù)測，并采取人工措施，來減少沿黃流域的洪澇和泥沙。

3.3.3 在污染控制上，對黃河沿岸的主要污水處理廠進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)的傳感器技術(shù)，可對廢水排放進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并通過信息發(fā)布子系統(tǒng)將發(fā)現(xiàn)的可能污染區(qū)域展示出來。

3.3.4 使用智能洪水監(jiān)測法和可靠的綜合洪水預(yù)警系統(tǒng)。使用智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，在汛期前對水量變化進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)報，一旦達(dá)到預(yù)警閾值，自動發(fā)送警告信息。汛期間，通過無人機(jī)對災(zāi)區(qū)及時進(jìn)行救援，并實(shí)時掌握洪水的具體情況。汛期過后，對災(zāi)害及時進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，掌握災(zāi)害情況。

3.3.5 科學(xué)分配水資源，提高用水效率，完善沿河黃流域水資源管理體制。運(yùn)用智能技術(shù)來監(jiān)測流域內(nèi)水量和用水的變化情況，把握用水規(guī)律，合理分配水量，通過新一代信息化技術(shù)，對流域的水資源實(shí)現(xiàn)快速監(jiān)測和預(yù)測［12］。

3.4 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)建議

3.4.1 將云計(jì)算和生態(tài)預(yù)警有機(jī)地結(jié)合起來。利用云技術(shù)將現(xiàn)有生態(tài)問題的相關(guān)信息保存起來，獲取當(dāng)前生態(tài)信息，并將其與相應(yīng)的流域治理數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對沿黃流域的主要問題、風(fēng)險和風(fēng)險時段進(jìn)行重點(diǎn)預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時生態(tài)預(yù)警。

3.4.2 把高質(zhì)量發(fā)展和數(shù)字經(jīng)濟(jì)有機(jī)結(jié)合起來。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對沿黃流域的數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，以數(shù)字經(jīng)濟(jì)引導(dǎo)、信息化建設(shè)和系統(tǒng)運(yùn)用為主要目標(biāo)，并結(jié)合沿黃流域的實(shí)際情況，提出科學(xué)發(fā)展途徑。

3.4.3 把數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展有機(jī)地結(jié)合起來。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對沿黃流域現(xiàn)有的企業(yè)轉(zhuǎn)型、行業(yè)升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境匹配等資料進(jìn)行保存，對影響黃河流域高品質(zhì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)升級等關(guān)鍵信息進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對沿黃流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的監(jiān)測。

3.4.4 把黃河與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)地聯(lián)系起來。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對沿黃流域現(xiàn)有的生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展的原始資料進(jìn)行儲存，努力建設(shè)“數(shù)據(jù)黃河”，加速實(shí)現(xiàn)資源化利用。

3.4.5 要把5G和高質(zhì)量發(fā)展聯(lián)系起來。利用大數(shù)據(jù)，緊緊抓住科技創(chuàng)新與工業(yè)轉(zhuǎn)型的契機(jī)，強(qiáng)化“5G+高質(zhì)量發(fā)展”的運(yùn)用，著力引進(jìn)高科技、高附加值項(xiàng)目，著力破解黃河流域的工業(yè)結(jié)構(gòu)斷裂和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)斷裂問題，提高沿黃流域科技創(chuàng)新與運(yùn)用的能力。

4 結(jié)語

沿黃流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展已被列入國家重要發(fā)展戰(zhàn)略。沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警服務(wù)體系是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)［13］，不僅要有大量流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)作為支撐，還要與沿黃流域內(nèi)各地區(qū)的實(shí)地環(huán)境相結(jié)合，形成每個地區(qū)相對獨(dú)立的預(yù)警系統(tǒng)，還要與其他地區(qū)的系統(tǒng)相互聯(lián)系，憑借更精確的大數(shù)據(jù)信息，使具體的預(yù)警更具有針對性，加強(qiáng)流域內(nèi)監(jiān)測力度，從而形成沿黃流域整體的大數(shù)據(jù)管理與預(yù)警服務(wù)體系，使沿黃流域生態(tài)環(huán)境得到切實(shí)保護(hù)與改善，大力推進(jìn)沿黃流域高質(zhì)量發(fā)展。