河流水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺建設規(guī)劃與分析

袁惠穎

(北京市豐臺區(qū)水文與水土保持工作站,北京 100165)

近年來,隨著人們生態(tài)意識的加強,河流生態(tài)修復工作受到廣泛關(guān)注[1-2]。但從河流生態(tài)修復工程全生命周期上看,目前對修復后的管理工作重視不夠[2-3],尚未建立具有反饋機制的管理模式[1];從監(jiān)測項目上看,水生態(tài)監(jiān)測包含生境、理化、生物監(jiān)測,大部分修復工程偏重于水質(zhì)理化指標監(jiān)測,缺乏生物監(jiān)測[1]。然而,生物物種恢復是河流生態(tài)恢復的重要體現(xiàn)[4],由于生物體對修復的響應較慢,在短期內(nèi)并不能體現(xiàn)[5]。因此,增加對修復后的生物監(jiān)測,并建立相應的反饋管理模式,確保對修復河流生態(tài)系統(tǒng)的長期監(jiān)管顯得尤為重要。

為了解決當前河流水生態(tài)修復面臨的監(jiān)測與管理問題,本文依托于北京市豐臺區(qū)佃起河、蟒牛河、小清河區(qū)界段3條河流水生態(tài)提升項目(一期),構(gòu)建水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺,接入水質(zhì)理化指標自動監(jiān)測信息,實現(xiàn)水質(zhì)超標預警;利用圖像識別技術(shù),實現(xiàn)河流水生態(tài)鳥類監(jiān)測;借助視頻監(jiān)控圖片,實現(xiàn)魚類人工識別,并在監(jiān)管平臺填報識別信息,進一步通過對鳥、魚識別物種種類數(shù)量逐年變化分析,動態(tài)定量呈現(xiàn)水生態(tài)修復效果,從而達到對水生態(tài)系統(tǒng)進行長期監(jiān)管的目標。

1 信息化建設現(xiàn)狀

針對河流生態(tài)修復存在的監(jiān)測與管理問題,國家與地方政府從政策層面給予了相應引導?！渡鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃綱要(2020-2035年)》明確要求地表水監(jiān)測逐步實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測向水生態(tài)監(jiān)測轉(zhuǎn)變?！丁笆奈濉鄙鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃》(環(huán)監(jiān)測〔2021〕117號)要求開展重要生態(tài)系統(tǒng)保護修復工程實施成效監(jiān)測評估,開展全國生態(tài)環(huán)境智慧監(jiān)測試點,打造國家-省-市-縣交互貫通的會商系統(tǒng)和智慧監(jiān)測平臺,提升大數(shù)據(jù)監(jiān)測水平?！侗本┦袊窠?jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》要求開展流域水生態(tài)狀況監(jiān)測評價,建成環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)質(zhì)量狀況和污染源監(jiān)測全覆蓋的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡,建設生態(tài)環(huán)境保護大數(shù)據(jù)平臺?！丁笆奈濉睍r期豐臺區(qū)水務發(fā)展規(guī)劃》要求加強水土保持水生態(tài)修復監(jiān)管,強化監(jiān)測評價,對已建生態(tài)清潔小流域進行效果后評估。由此可見,加強生物監(jiān)測,構(gòu)建相應的監(jiān)測管理平臺,是國家未來生態(tài)修復的重點任務與要求。

水生態(tài)生物監(jiān)測應包括著生藻類、底棲動物、魚類監(jiān)測[6-12]。鳥類對維護河湖生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)揮著重要作用,亦可作為水生態(tài)生物多樣性監(jiān)測的重要指標[13]。目前,鳥類AI識別監(jiān)測已實現(xiàn)項目應用[14-15];魚類監(jiān)測則主要依賴于人工調(diào)查或捕獲[16-17],魚類AI識別技術(shù)在實際工程項目中應用較少。在國家數(shù)字化建設與新一代信息技術(shù)快速發(fā)展時代大背景下,建設信息化監(jiān)管平臺,匯聚水生態(tài)監(jiān)測信息,通過實時監(jiān)測預警及對生物體變化趨勢統(tǒng)計分析,可及時與持續(xù)反饋水生態(tài)修復效果,為實現(xiàn)河流生態(tài)修復系統(tǒng)長期監(jiān)管提供有效技術(shù)手段。

2 建設需求及目標

北京市豐臺區(qū)為響應國家大力改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的號召,于2022年制定了《豐臺區(qū)深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)2022年行動計劃》,要求開展河西片區(qū)水生態(tài)提升項目一期工作。工作內(nèi)容主要涉及佃起河、蟒牛河、小清河區(qū)界段3條河流水生態(tài)修復,包括通過補水工程,保證河流生態(tài)補水量、保持河道常水位;進行面源污染控制工程,防止雨水帶來的面源污染;對河床或岸坡進行生態(tài)化改造;構(gòu)建水生生物群落,并配備生態(tài)配套設施等。

為了滿足動態(tài)定量了解河道水質(zhì)及生態(tài)狀況要求,項目增設4處水質(zhì)自動監(jiān)測站點、8處生態(tài)視頻監(jiān)測站點,兩類監(jiān)測站點位置重合,站點位置分布見圖 1。水質(zhì)站點可進行水文、水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測,其中水文監(jiān)測參數(shù)包括河流斷面水位、流速及流量,水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)包含溶解氧、氨氮、化學需氧量、pH、電導率、渾濁度、溫度;生態(tài)監(jiān)測站點包括水上/水下自動抓拍鳥類/魚類圖片及視頻。

圖1 自動監(jiān)測站點分布圖

項目亟待構(gòu)建水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺,匯聚水生態(tài)監(jiān)測信息,實現(xiàn)水質(zhì)超標預警、評價及生態(tài)監(jiān)測信息的定量分析,直觀展示預警及分析結(jié)果,提高項目建成后的管理運維效率。

以實現(xiàn)修復河流水生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)管為目標,構(gòu)建水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺。平臺接入增設的4處水質(zhì)自動監(jiān)測站、8處同測站監(jiān)測的水上鳥類及水下魚類智能視頻監(jiān)測設備數(shù)據(jù),完成各種類型數(shù)據(jù)匯聚;通過對河流水質(zhì)超標預警,及時提醒工作人員對可能出現(xiàn)的水生態(tài)問題做出迅速反應,防止問題擴大;通過對水質(zhì)狀況評價及河流棲息鳥、魚類識別結(jié)果年度對比分析,從定量角度展現(xiàn)河流水生態(tài)狀況,指導后續(xù)治理工作。具體如下:

1)建立水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺,接入4處水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及8處同監(jiān)測站點鳥類、魚類圖像抓拍圖片或視頻。

2)平臺轉(zhuǎn)發(fā)所采集鳥類抓拍圖片至北京市水文總站鳥類識別平臺進行鳥類物種識別,接受并重組鳥類識別結(jié)果。

3)平臺直觀展現(xiàn)設定時間段內(nèi)鳥、魚類圖像識別及不同維度統(tǒng)計分析結(jié)果。

4)平臺實時展示4處河流水質(zhì)指標及預警狀態(tài),實現(xiàn)按日期查詢歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)框架及方案

水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺總體架構(gòu)圖見圖2,由感知層、政務云、數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務應用及網(wǎng)絡安全體系、保障體系構(gòu)成,其中感知層主要面向水質(zhì)自動監(jiān)測及鳥、魚類智能生態(tài)監(jiān)測,用戶僅在PC端運行此平臺。

圖2 平臺總體架構(gòu)圖

感知層主要實現(xiàn)平臺感知體系的搭建,包括水質(zhì)自動監(jiān)測站點及鳥、魚類生態(tài)智能監(jiān)測站點,邊緣計算在設備側(cè)通過安裝邊緣計算盒子實現(xiàn)。感知層采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺,進行數(shù)據(jù)匯聚與清洗。

政務云作為基礎設施,主要是基于硬件資源和軟件資源的服務,提供計算、網(wǎng)絡和存儲能力。本文所建水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺搭建在豐臺區(qū)政務云上,由政務云提供計算、網(wǎng)絡及存儲資源。

數(shù)據(jù)層主要通過數(shù)據(jù)整合、匯聚來搭建水生態(tài)數(shù)據(jù)庫,包括業(yè)務數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的分類存儲。

應用支撐層通過集成各類中間件,將平臺中的各類功能服務按照統(tǒng)一的標準接口封裝,實現(xiàn)服務的通信與整合。同時,平臺為上層業(yè)務應用提供可跨平臺直接調(diào)用基礎支撐組件。所建平臺涉及物理網(wǎng)平臺、GIS服務平臺、鳥類AI識別平臺,并進行相應的平臺管理。應用支撐層利用豐臺區(qū)已建水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)感知平臺的物聯(lián)網(wǎng)平臺、GIS服務平臺及平臺管理服務,以及北京市水文總站鳥類識別平臺,故應用支撐層不再重復建設。

業(yè)務應用主要借助GIS服務平臺實現(xiàn)水生態(tài)一張圖服務,通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺采集的數(shù)據(jù)進行水質(zhì)分析,借助鳥類識別平臺展示及統(tǒng)計分析識別結(jié)果完成水生態(tài)監(jiān)測與分析。

網(wǎng)絡安全體系與保障體系分別為按《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡安全等級保護定級指南》(GB/T 22240-2020)確定平臺安全保護等級及體制機制、標準規(guī)范、技術(shù)創(chuàng)新、運維體系等,本平臺主要涉及標準規(guī)范保障體系建設。

4 建設內(nèi)容及功能

4.1 數(shù)據(jù)資源建設

水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)資源建設,是將分散的多方數(shù)據(jù)進行整合匯聚納入統(tǒng)一的技術(shù)平臺,并對這些數(shù)據(jù)進行治理,借助平臺將治理后數(shù)據(jù)進行共享發(fā)布。數(shù)據(jù)資源建設對數(shù)據(jù)進行全生命周期管理,能夠達成快速查詢、反饋和快速呈現(xiàn)結(jié)果,有效提高數(shù)據(jù)使用率。

1)數(shù)據(jù)匯聚。項目從新建4處水質(zhì),8處魚類、鳥類智能監(jiān)測站匯聚水質(zhì)、生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)庫建設。資源建設通過數(shù)據(jù)整合匯聚建庫形成水生態(tài)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)資源目錄,包括監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫,采集元數(shù)據(jù)、建立索引。數(shù)據(jù)庫建設內(nèi)容見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫建設內(nèi)容

4.2 業(yè)務實現(xiàn)流程

業(yè)務實現(xiàn)流程為監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)一張圖展示的過程,主要涉及從平臺搭建到監(jiān)測設備對接的工作流程及數(shù)據(jù)從設備側(cè)傳輸?shù)綄獢?shù)據(jù)庫并上圖的數(shù)據(jù)傳輸流程。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、鳥魚識別結(jié)果上圖業(yè)務實現(xiàn)流程分別見圖3、圖4。圖4中,重組鳥類識別數(shù)據(jù)指在鳥類抓拍圖片上附帶物種名稱、識別時間及監(jiān)測站點名稱(參見圖6監(jiān)測站點彈窗)。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)上圖業(yè)務實現(xiàn)流程

圖4 鳥、魚類監(jiān)測數(shù)據(jù)上圖業(yè)務實現(xiàn)流程

4.3 業(yè)務應用功能

平臺為實現(xiàn)修復河流水生態(tài)現(xiàn)狀測評及長期監(jiān)管,圍繞一張圖展示、水質(zhì)預警與評價、水生態(tài)物種變化分析3項核心業(yè)務,建設了三大功能模塊,包括水生態(tài)一張圖、水質(zhì)分析、水生態(tài)分析,見圖5。

圖5 業(yè)務應用拓撲圖

4.3.1 水生態(tài)一張圖

通過水生態(tài)“一張圖”(圖6)可直觀展示鳥類、魚類圖像識別成果,水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),全面展示蟒牛河、佃起河、小清河區(qū)界段3條河流水生態(tài)日常監(jiān)管情況。

圖6 水生態(tài)一張圖示例

支持在地圖上展示各監(jiān)測站點的位置及監(jiān)測數(shù)據(jù),能夠按小時刷新顯示所有監(jiān)測站點水生態(tài)信息;支持監(jiān)測站點在水生態(tài)一張圖上定位;支持用戶在地圖上選擇某個監(jiān)測站點,獲取該監(jiān)測站點逐4h水質(zhì)變化情況;支持在地圖上選定一個歷史時間段,展示該時間段內(nèi)的水質(zhì)信息;支持在地圖上展示水質(zhì)超標預警信息;支持在地圖上選擇鳥類、魚類監(jiān)測站點,展示圖像識別結(jié)果。

基于地圖展示8處水面上的鳥類、水面下魚類視頻監(jiān)控點的圖像識別成果,包括采集時間、監(jiān)測時段、識別圖片呈現(xiàn)。

基于地圖展示4處河流水質(zhì)監(jiān)測實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和預警狀態(tài),監(jiān)測指標包含水位、流速、流量和水質(zhì)常規(guī)5項(溶解氧、濁度、電導率、pH、水溫),以及COD和氨氮等。實時數(shù)據(jù)顯示采集時間及水質(zhì)評價結(jié)果,歷時數(shù)據(jù)通過選擇水文或水質(zhì)切換監(jiān)測指標內(nèi)容,可按時間段查詢各項水文及水質(zhì)監(jiān)測指標變化曲線。

平臺將不同水質(zhì)監(jiān)測指標與預先設置的對應預警閾值進行對比,當某項水質(zhì)指標超過閾值時,觸發(fā)報警。將超標水質(zhì)報警信息,以預警事件形式進行發(fā)布,在水生態(tài)一張圖上閃爍顯示預警狀態(tài),點擊后以小窗口列表形式展示已發(fā)布預警信息,包括采集時間、預警事件類型、預警發(fā)布狀態(tài)、預案啟動情況。

4.3.2 水質(zhì)分析

通過對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及評價,可判斷監(jiān)測斷面水質(zhì)狀況。包括以下功能:

1)水質(zhì)統(tǒng)計。平臺可分別統(tǒng)計水質(zhì)正常、超標站點數(shù)量,按所屬河流及測站進行監(jiān)測指標查詢,并以列表形式展示對應測站名稱、水質(zhì)評價、水質(zhì)狀況、更新時間,見圖7。點擊測站名稱,可實現(xiàn)地圖定位。

從行業(yè)發(fā)展空間看，以抽油煙機、電飯煲、微波爐為代表的廚電行業(yè)，整體行業(yè)成長邏輯不變。廚電行業(yè)長期看在品類拓展上亦有空間。依據(jù)中怡康數(shù)據(jù)，從目前市場格局看老板及方太雙寡頭在終端市場份額始終保持絕對優(yōu)勢，而且增長動力仍然充足。

圖7 水質(zhì)分析展示界面

2)水質(zhì)評價。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838)中規(guī)定的監(jiān)測指標標準值,對監(jiān)測斷面進行水質(zhì)評價(水質(zhì)類別判定);依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦〔2011〕22號)對監(jiān)測斷面進行水質(zhì)狀況判定(優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染)。監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結(jié)果在左邊框展示。

4.3.3 水生態(tài)分析

1)運行狀態(tài)。平臺可分別統(tǒng)計鳥類、魚類視頻監(jiān)測站識別物種種類數(shù)量。

2)識別記錄。以列表形式記錄設定時間段內(nèi)鳥類、魚類監(jiān)測站點所屬不同河流對應的識別結(jié)果,包括測站名稱、識別結(jié)果(圖標、識別物種名稱)、識別時間。點擊識別時間右側(cè)日歷圖標展示歷史識別結(jié)果統(tǒng)計,包括識別物種名稱、識別圖片、識別時間,可按時間段進行數(shù)據(jù)查詢。

3)統(tǒng)計分析。在線查看佃起河、蟒牛河、小清河區(qū)界段3條河流鳥類、魚類監(jiān)測識別統(tǒng)計分析結(jié)果,實現(xiàn)按所屬河流、測站類型分別統(tǒng)計鳥/魚類識別物種數(shù)量,以此進行排序。分析鳥、魚類識別物種總數(shù)逐年變化趨勢,追蹤河流水生態(tài)修復效果。按3條河流統(tǒng)計識別出鳥、魚類物種種類圖片總數(shù),即識別物種次數(shù),并對當年識別物種次數(shù)進行排名,可發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢物種。統(tǒng)計分析效果展示見圖8。

圖8 水生態(tài)統(tǒng)計分析圖

4.4 網(wǎng)絡安全體系與保障體系

平臺部署在豐臺區(qū)政務云上,政務云按網(wǎng)絡安全三級等保進行設計,滿足平臺二級等保定級要求,故不再單獨對平臺進行等保設計。考慮到政務云與豐臺區(qū)水文和水土保持站之間已建100M專線,可以實現(xiàn)信息在線上傳、下達、發(fā)布、共享,故平臺亦不需再建立專屬信息通訊網(wǎng)絡。監(jiān)測站點信息通過4G網(wǎng)絡進行傳輸。平臺以《生態(tài)環(huán)境信息化標準體系指南》(HJ 511-2024)所涉及標準規(guī)范為基礎,建設水生態(tài)信息化監(jiān)管平臺及管理制度與操作規(guī)范,包括總體標準、基礎設施標準、數(shù)據(jù)標準、應用標準及平臺運維要求與使用說明,保障平臺規(guī)范運行。

5 結(jié) 語

本文以實現(xiàn)修復河流水生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)管為目標,構(gòu)建了河流水生態(tài)信息化監(jiān)控平臺,利用視頻抓拍鳥、魚類圖片,初步實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測向水生態(tài)監(jiān)測的轉(zhuǎn)變;借助人工智能技術(shù)識別鳥類物種,提高了監(jiān)測工作效率。平臺實現(xiàn)了水質(zhì)、生態(tài)信息的定量評價與分析,通過水生態(tài)一張圖直觀呈現(xiàn)監(jiān)測與分析結(jié)果,為實現(xiàn)河流修復后長期監(jiān)管提供借鑒,支撐流域水生態(tài)管控平臺的搭建。由于項目所建監(jiān)測站點偏少,平臺未對河流進行全時空尺度的監(jiān)測分析與健康評價[18]。隨著工程的后續(xù)建設,平臺可接入更多監(jiān)測數(shù)據(jù),以支持河流上中下游及全流域尺度的時空分析與健康評價。