生態(tài)大數(shù)據(jù)在草原生態(tài)修復中的實踐研究

草原是我國重要的生態(tài)屏障，面積占陸地總面積的 40% ，但由于人口增長、過度放牧、氣候變化以及人為開發(fā)等因素影響，使得草原生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的退化，已經(jīng)嚴重威脅牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。傳統(tǒng)修復方式多依靠游牧轉場和小范圍修復，加之人口密度、牲畜數(shù)目超出土地承載能力和決策過于主觀，影響草原生態(tài)修復效果。生態(tài)大數(shù)據(jù)的崛起，主要得益于地面物聯(lián)網(wǎng)傳感器、遙感衛(wèi)星組網(wǎng)以及AI算法的突破，賦予了生態(tài)大數(shù)據(jù)實時性、多尺度等特點，為草原生態(tài)修復帶來了新的技術手段。

1.生態(tài)大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢

1.1數(shù)據(jù)來源渠道多樣數(shù)據(jù)來源渠道多樣屬于生態(tài)大數(shù)據(jù)的一個典型優(yōu)勢，突破了以往單一渠道采集數(shù)據(jù)的限制，草原生態(tài)修復場景中的數(shù)據(jù)來源于無人機巡查、地面監(jiān)測站以及衛(wèi)星遙感等維度。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)能夠宏觀獲取草原植被覆蓋、分布以及地形地貌等信息，監(jiān)測范圍較廣；地面監(jiān)測站負責特定點位氣溫、土壤濕度和養(yǎng)分、降水等數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)精細化程度更高；無人機巡檢負責重點修復區(qū)域監(jiān)測，收集植被長勢、病蟲害等細節(jié)數(shù)據(jù)。多源異構數(shù)據(jù)收集和補充，支持草原生態(tài)系統(tǒng)的全面覆蓋監(jiān)測，為具體決策部署提供精準、可靠的數(shù)據(jù)支持。

1.2動態(tài)監(jiān)測

有別于數(shù)據(jù)采集方式的周期長、精準度不高以及后期更新緩慢等特點，生態(tài)大數(shù)據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)、實時通信技術，具有強大的動態(tài)監(jiān)測能力[2]。通過部署各類傳感器采集草原生態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)由無線網(wǎng)絡輸送到數(shù)據(jù)中心。如土壤熵情數(shù)據(jù)每小時采集一次，將土壤含水量、風速、風向等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)定期更新，能夠幫助管理人員實時掌握草原生態(tài)系統(tǒng)變化情況，及時發(fā)現(xiàn)病蟲害、干旱等突發(fā)事故，立即采取有效措施予以處置，提高草原生態(tài)修復工作響應速度和成效。

1.3高效處理和分析

生態(tài)大數(shù)據(jù)整合了人工智能、云計算等先進技術，數(shù)據(jù)處理效率高、深度分析能力強?；诜植际接嬎憧蚣埽軌驅崿F(xiàn)多源異構的草原生態(tài)數(shù)據(jù)清洗、剔除、轉換和整合，最終以結構化數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)。機器學習算法可捕捉數(shù)據(jù)潛在聯(lián)系，建立多因素量化模型，從而精準預測草原生態(tài)系統(tǒng)演變趨勢。如，分析田野調查和歷史文獻數(shù)據(jù)，精準預測不同降水條件、放牧強度下草原植被退化情況，制定科學合理的放牧計劃，為草原生態(tài)系統(tǒng)修復提供數(shù)據(jù)支持[3]。

2生態(tài)大數(shù)據(jù)在草原生態(tài)修復中的實踐路徑

2.1數(shù)據(jù)的全面采集草原生態(tài)數(shù)據(jù)采集，主要采用以下幾種方法：（1）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)?；诟吖庾V衛(wèi)星收集地表反射率數(shù)據(jù)，反演生態(tài)參數(shù)。核心參數(shù)采集如表1。（2）地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡。地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡負責特定點位數(shù)據(jù)采集，部署架構如圖1。草原區(qū)域布設地面監(jiān)測站點，部署大量傳感器，連續(xù)、長期觀測草原植被、氣象和土壤等數(shù)據(jù)。如氣象站采用CampbellScientific自動氣象站，可實現(xiàn)分鐘級數(shù)據(jù)采樣4。同時，建立長期定位觀測樣地，采用人工調查以及儀器測量結合方式，定期記錄植被高度、類型以及生物量等信息，為草原植被群落交替演變規(guī)律和修復效果評估提供數(shù)據(jù)支持。運用物聯(lián)網(wǎng)技術有機整合分散的地面監(jiān)測設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、存儲和上傳。

（3）無人機數(shù)據(jù)采集。無人機具有分辨率高、操作靈活的特點，可成為前兩種監(jiān)測方式的補充手段。草原生態(tài)修復中，運用無人機監(jiān)測方式，集成熱紅外相機、多光譜相機等設備，實現(xiàn)草原植被、地形地貌等數(shù)據(jù)高效采集。例如，基于多光譜影像采集歸一化植被指數(shù)，以此為依據(jù)綜合評估草原植被的長勢健康情況。而且無人機可實現(xiàn)非法開墾和病蟲害等行為監(jiān)測，為草原生態(tài)環(huán)境精準治理提供數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

多源異構數(shù)據(jù)采集后，需要對數(shù)據(jù)進行清洗和預處理。采集的原始數(shù)據(jù)具有缺失值、噪聲以及異常值等問題?；诮y(tǒng)計學方法和算法對數(shù)據(jù)清洗，精準識別設備故障或云層干擾下的錯誤數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)修正。如土壤濕度傳感器收集的數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生跳變數(shù)據(jù)，選擇滑動平均法平滑處理；缺失的氣象數(shù)據(jù)，基于機器學習缺失值預測模型補充。預處理階段是對多源異構數(shù)據(jù)轉化格式、歸一化處理，衛(wèi)星遙感影響數(shù)據(jù)轉化為地理信息系統(tǒng)兼容格式，將各類傳感器采集的氣象、土壤等數(shù)據(jù)歸一化，保證數(shù)據(jù)一致性。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析建模

草原生態(tài)數(shù)據(jù)中信息類型豐富多樣，包括牧民對草牧場管理的地方性知識相關數(shù)據(jù)，需要提取關鍵特征，技術處理與當?shù)匚幕J知相結合，從而深層次挖掘數(shù)據(jù)潛在價值。衛(wèi)星遙感影響數(shù)據(jù)選用光譜特征分析和圖像分割等技術，提取土地利用和植被覆蓋度等特征；地面監(jiān)測數(shù)據(jù)運用時序分析法提取土壤養(yǎng)分變化趨勢特征。為了發(fā)揮多源異構數(shù)據(jù)優(yōu)勢，各類數(shù)據(jù)需要按照相應標準整合，按照統(tǒng)一坐標系與時間戳、提取共性指標、決策級融合流程實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。

基于機器學習算法建立分析模型，支持隨機森林、向量機等算法，建立草原退化風險評估模型。輸入草原植被、氣象、土壤和人類活動等歷史數(shù)據(jù)，進行模型訓練和優(yōu)化，使得模型精準識別草原退化影響因素，預測未來不同區(qū)域草原退化概率，劃定生態(tài)修復優(yōu)先次序?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡建立的深度學習模型，變化檢測以及遙感影響分類表現(xiàn)優(yōu)異，通過學習大量標注影像數(shù)據(jù)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡可自動識別草原水體分布、沙化等情況，動態(tài)監(jiān)測草原生態(tài)系統(tǒng)演變過程?？紤]草原生態(tài)系統(tǒng)存在時空異質性特點，需要建立時空預測模型，如表2。例如，新疆巴州建立了ConvLSTM模型，通過輸入各類傳感器采集數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，成功預測了塔里木河畔草場沙化擴散趨勢。

根據(jù)生態(tài)學原理建立草原生態(tài)過程模型，精準模擬生態(tài)系統(tǒng)具體的能量流動和循環(huán)過程。將植被數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)作為輸人量，建立草地生產(chǎn)力模型，模擬分析各種環(huán)境下草原植被生長、生產(chǎn)力變化趨勢，預測生態(tài)修復措施對改善草原生態(tài)系統(tǒng)的效果，為后續(xù)修復方案制定提供數(shù)據(jù)支持。

2.3生態(tài)修復決策支持

根據(jù)前期收集、整合與分析處理的生態(tài)大數(shù)據(jù)，可精準診斷草原生態(tài)系統(tǒng)中的各類問題?；跈C器學習模型分析多源異構數(shù)據(jù)，挖掘導致草場退化的因素，包括過度放牧、氣候干旱、土壤沙化等。如基于時空模型收集歷史數(shù)據(jù)進行分析，明確草原退化原因為近幾年降水量減少，放牧強度持續(xù)疊加，導致植被恢復速度緩慢[8]。通過精準問題診斷，為后續(xù)決策方案優(yōu)化提供參考，避免盲目決策加劇破壞。制定草原生態(tài)修復方案，生態(tài)大數(shù)據(jù)可提供多種模擬選擇，在模型中模擬各類措施產(chǎn)生的效果和影響因素[9]。例如，模擬退化草原區(qū)域實行圍欄封育、人工種草等措施，未來3＼～5年內植被覆蓋度以及土壤肥力等生態(tài)指標發(fā)生顯著改變。

基于民族學田野調查數(shù)據(jù)，分析當?shù)啬撩竦纳a(chǎn)生活方式，與現(xiàn)代化技術分析相結合，優(yōu)化放牧方案。比如，在草原生態(tài)不斷發(fā)生變化的大背景下，內蒙古興安盟科爾沁右翼前旗烏蘭毛都蘇木，隨著牧民的傳統(tǒng)的游牧生活方式向定居方式轉型，草牧場保護和管理措施以及民俗文化也隨之發(fā)生了相應的變化[10]。因此，在參考當?shù)匚幕冞w現(xiàn)狀的基礎上，實時監(jiān)測草原的植被生物量變化，低于閾值則觸發(fā)輪牧轉場決策，生成避讓區(qū)域地圖，通過APP推送消息給當?shù)啬撩?；高于閾值，則保持當前放牧強度。

為模型建立自適應優(yōu)化機制，監(jiān)測草原植被、土壤和氣候環(huán)境狀態(tài)，智能體選擇修復動作，根據(jù)獎勵函數(shù)更新Q-Table。同時，建立技術集成平臺，負責數(shù)據(jù)收集和處理，為草原生態(tài)修復智能推送修復方案。平臺包括： ① 數(shù)據(jù)層，采用Hadoop分布式存儲，支持多源異構數(shù)據(jù)湖管理； ② 算法層，基于PySparkMLlib，支持并行化模型訓練； ③ 應用層， WebGIS+ 移動終端，推送可視化草原生態(tài)修復方案。

基于此種方式，能夠極大地提高草原生態(tài)退化原因識別精度，縮短修復方案生成時間到2小時以內，在降低修復成本方面效果顯著。但同時也存在諸多挑戰(zhàn)，模型可解釋性不足，人機協(xié)同存在障礙，處于高寒區(qū)的算法適應性不強，未來還有待進一步改進[11]。

2.4實時監(jiān)測與評估

在制定草原生態(tài)修復方案基礎上，應實時監(jiān)測與評估方案執(zhí)行效果。具體可搭建立體監(jiān)測網(wǎng)絡，集合地面監(jiān)測站、衛(wèi)星遙感以及無人機等技術，實時、動態(tài)監(jiān)測草原生態(tài)修復過程。采集數(shù)據(jù)經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)上傳到數(shù)據(jù)中心，建立全面覆蓋、實時更新的數(shù)據(jù)庫。同時，結合當?shù)啬撩癫菰鷳B(tài)觀和我國生態(tài)治理政策實施，建立生態(tài)大數(shù)據(jù)修復效果評價指標體系，從生物多樣性、牲畜群結構、土壤改良以及植被恢復等角度量化評估草原生態(tài)修復效果?；跀?shù)據(jù)分析模型，綜合評價各項指標數(shù)據(jù)，最終得到整體評分，客觀反映生態(tài)修復措施是否合理，修復效果同預期是否相符。

結論

綜上所述，草原生態(tài)修復是一項系統(tǒng)工程，通過民族學田野調查和定性研究與生態(tài)大數(shù)據(jù)的融合應用，可全面收集草原生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和處理，精準定位草原生態(tài)退化的主導原因，為生態(tài)修復方案制定提供數(shù)據(jù)支持，提升生態(tài)修復質量。

參考文獻

[1]晨華.如何實現(xiàn)草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用[].畜牧業(yè)環(huán)境，2024（15）：39-40.

[2]尤煒.大數(shù)據(jù)時代下草原監(jiān)管模式的探討—以內蒙古草原監(jiān)管平臺為例[].草原與草業(yè)，2023，35（4）：45-50.

[3]希吉日.草原生態(tài)環(huán)境修復責任的司法適用研究[D].內蒙古大學，2024.

[4]王杰.推進生態(tài)文明建設加強草原保護修復[].中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2024（5）：13-15.

[5]塔娜.草原生態(tài)赤字測評及其成因分析——以錫林郭勒盟為例[].安徽農(nóng)業(yè)科學，2024，52（9）：247-249.

[6]田蓓.退化草原生態(tài)修復治理技術應用分析[.花木盆景，2024（3）：92-93.

[7]楊佳星.創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)合作模式對企業(yè)戰(zhàn)略績效影響研究[D].內蒙古大學，2023.

[8]張艷琦，白玲玉，陳娜娜，等.基于草原生態(tài)修復監(jiān)測核心元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)標準建設[].中國標準化，2022（5）：149-153.

[9]王曙光，劉金琳，公偉.草原生態(tài)修復監(jiān)測評價指標分類標準研究].中國標準化，2021（18）：48-51.

[10]司玉潔.烏蘭毛都草原牧民生產(chǎn)生活及民俗文化變遷的調查研究（蒙古文）[M].沈陽：遼寧民族出版社，2019：14-197.

[11]楊會霞.內蒙古自治區(qū)阿拉 善盟草原生態(tài)修復思考[J].鄉(xiāng)村科 技，2021，12（13）：111-112.

作者簡介：司玉潔，博士，講師，15804829212@163.c0m，研究方向：民族學、生態(tài)人類學

基金項目：內蒙古民族大學博士科研啟動基金項目：內蒙古草原生態(tài)文明建設與牧民社會文化變遷調查研究（編號：BS415）