羅 文,劉 星,袁再健*

(1.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所,華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室,廣東省面源污染防治工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510650;2.梅州市國際水土保持研究院,廣東 梅州 514000;3.成都東軟學(xué)院,四川 成都 611844)

信息技術(shù)的快速發(fā)展使數(shù)據(jù)量暴增,美國在2012年將大數(shù)據(jù)研究作為國家戰(zhàn)略,日本也在同年推出將大數(shù)據(jù)應(yīng)用作為重點內(nèi)容的“新ICT戰(zhàn)略研究計劃”,中國在2015年也將大數(shù)據(jù)上升到了國家戰(zhàn)略地位,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)是推動中國生態(tài)文明體制改革的重要手段和保障措施[1-2]。2016年,中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》,提出了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)和應(yīng)用目標(biāo),指出在未來五年內(nèi)要實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境綜合決策科學(xué)化、監(jiān)管精準(zhǔn)化、公共服務(wù)便民化[3]。

水土資源是生態(tài)環(huán)境中的重要載體,水土保持是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵[4]。從2002年開始,國家實施了兩期水土保持監(jiān)測和信息化系統(tǒng)建設(shè),截至2018年,全國共建成800多個水土保持監(jiān)測點[5],配備了數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)然A(chǔ)設(shè)備,形成覆蓋中國主要水土流失類型區(qū)的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),開展長期定位觀測,積累大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為水土保持大數(shù)據(jù)研究提供了數(shù)據(jù)支撐。但目前中國的水土保持大數(shù)據(jù)應(yīng)用尚處于初期階段,僅在水土流失監(jiān)測[6-7]、建設(shè)項目工作指南[8]等有初步應(yīng)用。本文結(jié)合水土保持信息化建設(shè)情況、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),對大數(shù)據(jù)技術(shù)在水土保持信息化中的應(yīng)用進(jìn)行了展望,以期為水土保持工作提供技術(shù)支持與實踐指導(dǎo),從而加快水土保持信息化建設(shè)步伐。

1 水土保持信息化建設(shè)

水土保持大數(shù)據(jù)概念與生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)概念類似[10],即指對水土流失、水土保持要素連續(xù)觀測的基礎(chǔ)上,集成海量多源數(shù)據(jù),借助大數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其分析技術(shù),實現(xiàn)于水土保持?jǐn)?shù)據(jù)的集成和信息分析挖掘,以便更有效的開展水土流失治理。水土保持工作涉及多學(xué)科,具有地域性、綜合性、群眾性等特點[9],本身就具有大數(shù)據(jù)的特征。隨著中國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)的推進(jìn),加速了大數(shù)據(jù)技術(shù)在水土保持中應(yīng)用研究熱度。

早在2003年,中國就提出了水利信息化,隨后對水利信息化數(shù)據(jù)的采集、傳輸、交換、存儲、處理和共享等環(huán)節(jié)制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一水土保持信息資源管理[11]?！笆濉庇媱澮詠?中國將推進(jìn)水利系統(tǒng)現(xiàn)代化和信息化建設(shè)作為戰(zhàn)略方針,旨在提升水土保持信息化程度和建設(shè)高水平水土保持信息系統(tǒng)[12]。近年來,各省市進(jìn)一步推進(jìn)水土保持信息化建設(shè),如湖北省[13]、遼寧省[14]、廣東省[15]、安徽省[16]等開展了水力電子政務(wù)、全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)工程、數(shù)字黃河等項目,在數(shù)據(jù)采集、處理、管理、傳輸?shù)人帘３只A(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得明顯進(jìn)展。國家初步建成了水土保持辦公自動化系統(tǒng)、全國水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)等,在北京市、遼寧省、貴州省等省市相繼施行了水土保持自動監(jiān)測和信息管理系統(tǒng)[17-19]。隨著中國水土保持信息化的發(fā)展,累積了大量水土保持地面監(jiān)測數(shù)據(jù),同時,水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫也得到不斷完善和豐富,其中包括水土流失數(shù)據(jù)庫與開發(fā)建設(shè)項目數(shù)據(jù)庫。國家也相繼印發(fā)了《全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)項目管理辦法》《全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)運行管理規(guī)定》來加強(qiáng)水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和管理;發(fā)布實施了《水土保持術(shù)語》《水土保持監(jiān)測點編碼》《水土保持分布式數(shù)據(jù)庫命名規(guī)范》《全國水土保持規(guī)劃(2015—2030年)》和《水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫建設(shè),大大促進(jìn)了水土保持信息化建設(shè)進(jìn)程。

目前,中國水土保持從傳統(tǒng)方式向數(shù)字化逐步發(fā)展,但水土保持信息化建設(shè)還不完善,信息化觀測點仍未實現(xiàn)全國全面覆蓋[20],國家信息化和水土保持生態(tài)建設(shè)發(fā)展的需求還存在著較大差距,主要還存在以下不足：沒有統(tǒng)一的數(shù)字水土保持發(fā)展規(guī)劃,各地水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)滯后,現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)不能滿足信息化各環(huán)節(jié)的需要,難以指導(dǎo)水土保持大數(shù)據(jù)工作的開展;現(xiàn)有系統(tǒng)觀測到的數(shù)據(jù)仍然處于孤立和零散鏈接狀態(tài);基層數(shù)據(jù)收集設(shè)施設(shè)備落后且不完善,難以及時全面地獲取“天地空一體化”相關(guān)信息。盡管中國的水土保持?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)測的多樣性、實時性等,在國際上處于比較領(lǐng)先的地位,但是中國水土保持信息化專業(yè)人員緊缺。目前大數(shù)據(jù)專業(yè)人才大多沒有水土保持專業(yè)知識,水土保持專業(yè)人才不懂大數(shù)據(jù)技術(shù),難以滿足現(xiàn)代社會的快速發(fā)展。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在水土保持信息化中的應(yīng)用展望

相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù),大數(shù)據(jù)具有體積大、速度快、難辨識、模態(tài)多和價值大密度低五大特點。為解決大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)并獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù),諸如Google、Linkedin、Microsoft等一流的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)相繼涌現(xiàn)出了不同類型的大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),如批量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、流式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、交互式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等;基于大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)展,大數(shù)據(jù)分析技術(shù)也得到了迅速推進(jìn),如數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、知識計算、可視化等技術(shù)[21]。大數(shù)據(jù)技術(shù)為水土保持信息化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段,下面從水土保持設(shè)計、方案編制、監(jiān)測、監(jiān)督管理、設(shè)施驗收評估、治理、預(yù)測等幾個方面,展望了大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在水土保持中的應(yīng)用,以期加快水土保持信息化進(jìn)程。

2.1 在水土保持設(shè)計與水土保持方案編制信息化中的應(yīng)用

水土保持工作開展的第一步是進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計,而設(shè)計前需要對整治區(qū)的土地利用、地質(zhì)條件、水土流失、降雨、林草覆蓋率等環(huán)境相關(guān)信息開展調(diào)查分析,結(jié)合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益等多方面因素進(jìn)行設(shè)計[22]。遙感影像、照片等作為常用的水土保持圖數(shù)據(jù),可以很好地表示地物間的相互關(guān)系、提取地物的相關(guān)因子。近幾年,除了專業(yè)的遙感圖像處理軟件外,新的圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)被相繼推出,如Google的Pregel系統(tǒng)、Neo4j系統(tǒng)和微軟的Trinity系統(tǒng)等,他們可對圖數(shù)據(jù)進(jìn)行遍歷,對大量連接的查詢問題提供圖算法和查詢處理,利用圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對影像大數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,獲取設(shè)計所需數(shù)據(jù),再使用GFS系統(tǒng)[23]、MapReduce編程模型[24]等系統(tǒng)對多源多類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理,從而制定決策,設(shè)計有效針對不同水土流失情況的措施,大大提高水土保持設(shè)計效率和適用性。無人機(jī)、三維激光掃描獲得的數(shù)據(jù)可通過圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、批量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等快速分析得到水土保持方案編所需的宏觀和微觀基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[25-26],為編制人員提供數(shù)據(jù)支撐;大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可分析大規(guī)模、高緯度、多來源、動態(tài)演化的水土流失信息,將數(shù)據(jù)可視化展示,輔助方案編制[21]。同時,還可以基于水土保持大數(shù)據(jù),分析現(xiàn)有水土保持治理措施的效益,從而優(yōu)化水土保持方案。

2.2 在水土保持監(jiān)測與監(jiān)督管理信息化中的應(yīng)用

水土保持監(jiān)測是一項基礎(chǔ)性工作,主要包括水土流失影響因子監(jiān)測、水土流失狀況監(jiān)測、水土流失危害監(jiān)測、水土保持措施及效益監(jiān)測等4個方面,水土流失具有突發(fā)性,實現(xiàn)實時監(jiān)測需要處理連續(xù)不斷、來源眾多、格式復(fù)雜的數(shù)據(jù),信息化建設(shè)實現(xiàn)了中國大部分區(qū)域可實時監(jiān)測。流式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),如Storm系統(tǒng)[27]、Samza系統(tǒng)[28]等除了可進(jìn)行流式數(shù)據(jù)處理,也可實時開展數(shù)據(jù)庫更新、新數(shù)據(jù)處理等工作。利用流式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的高性能、實時、可擴(kuò)展等特性,可及時對水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與響應(yīng)。

進(jìn)一步集成處理水土保持監(jiān)測收集到的大量多源數(shù)據(jù),包括如水土保持遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、空間地理數(shù)據(jù)、水土保持站點監(jiān)測數(shù)據(jù)、專題圖件等多種來源、多類型的數(shù)據(jù),構(gòu)建三維、安全、高效的水土保持一體化數(shù)據(jù)資源庫。利用知識計算[29]從大數(shù)據(jù)中提取有價值的知識,可將數(shù)據(jù)構(gòu)建成可支持查詢、分析和計算的知識庫,如美國官方政府網(wǎng)站Data.gov[30]、復(fù)旦大學(xué)知識工廠實驗室推出的中文通用百科知識圖譜平臺等[31]。水土保持涉及多個部門,部門間信息共享程度不夠,存在數(shù)據(jù)重復(fù)和不一致性,利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)使多來源知識相融合[32],清理重復(fù)冗余、不一致的數(shù)據(jù),對具有相關(guān)關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理實現(xiàn)互聯(lián)互通,這是水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫建設(shè)急需要解決的問題之一。

隨著《中華人民共和國水土保持法》的實施,相關(guān)工作人員對水土保持開始重視,但在水土保持監(jiān)督執(zhí)法上還存在如水土保持方案實施不到位、各部門之間配合差、監(jiān)督執(zhí)法受地方行政干預(yù)、水土保持設(shè)施補償費征收困難、群眾參與度低等問題[33-35]。對社交網(wǎng)站、搜索引擎網(wǎng)站等進(jìn)行大數(shù)據(jù)爬取,使用批量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),可對各省市的水土保持意識、水土保持設(shè)施補償費用征收、群眾參與情況等進(jìn)行普查,對水土保持意識不夠、群眾參與不足的地區(qū)進(jìn)行水土保持相關(guān)知識的普及并鼓勵群眾參與;通過水土保持信息化系統(tǒng)與水土保持人員一問一答對話的方式,即交互式大數(shù)據(jù)處理[36]分析現(xiàn)行的水土保持法能否有效指導(dǎo)水土保持人員完成監(jiān)督管理工作和處理水土保持建設(shè)項目中執(zhí)法合理性等問題。利用“天地一體化”監(jiān)測系統(tǒng),對建設(shè)項目的水土保持預(yù)防措施進(jìn)行全面、及時的監(jiān)督管理,避免地方政府干預(yù)監(jiān)督執(zhí)法。構(gòu)建水土保持信息化監(jiān)督系統(tǒng),通過監(jiān)督系統(tǒng)終端對所有項目的信息數(shù)據(jù)展開“天地一體化”大數(shù)據(jù)監(jiān)督與實時定位,對比其在實施過程中是否和設(shè)計方案同步。

2.3 在水土保持治理與驗收評估信息化中的應(yīng)用

當(dāng)前中國水土流失治理存在科技含量較低、后續(xù)管理缺乏、資金投入不足、管理機(jī)制不完善等問題[33]?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù),如圖數(shù)據(jù)處理、批量數(shù)據(jù)處理等技術(shù)可以快速對流域水土流失的原因進(jìn)行分析,制定符合實際的治理方案,提高治理效率;基于大數(shù)據(jù)的知識計算技術(shù)對水土保持財政投入進(jìn)行可查詢、可分析、可計算的監(jiān)督,確保?？顚Ｓ?落實到位。結(jié)合流式數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)對水土保持工程措施持久監(jiān)督管理,確保水土保持措施的持續(xù)防治效果。

水土保持實施驗收評估是水土保持工作中的重要內(nèi)容。2015年以來,國家相繼頒發(fā)了水土保持驗收相關(guān)條例,要求明確驗收責(zé)任,規(guī)范驗收行為[37]。在水土保持技術(shù)評估中存在占地面積變化影響、表土剝離措施實施力度欠缺、棄渣場、取土場的設(shè)計和恢復(fù)力度欠缺等問題[38]。傳統(tǒng)的驗收方式是現(xiàn)場勘測,具有驗收期長、過程多、整理工作量大等特點,容易出現(xiàn)紕漏[39],同時也很難滿足目前建設(shè)項目驗收評估速度。無人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、3D掃描等信息化技術(shù)可滿足水土保持驗收評估中數(shù)據(jù)收集、處理、結(jié)果分析的需求[39-41],還可利用圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和批量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對水土保持實現(xiàn)快速全面驗收評估。

2.4 在水土流失預(yù)測中的應(yīng)用

水土流失預(yù)測是對水土流失的形式、原因、程度、危害等進(jìn)行預(yù)估和推測,預(yù)測工程建設(shè)或自然環(huán)境下發(fā)生水土流失的風(fēng)險[42],可以為水體保持措施合理優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。主要通過土壤侵蝕模型來預(yù)測,涉及到降雨、地表徑流、入滲、泥沙輸送、土壤剝離、沉積、植物生長等數(shù)據(jù)輸入[43]。通過構(gòu)建知識計算數(shù)據(jù)庫來處理水土保持大數(shù)據(jù),實現(xiàn)水土流失更精準(zhǔn)的預(yù)測預(yù)報,也可通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對已發(fā)生的水土流失現(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)[44],構(gòu)建新的更貼近實際情況的預(yù)測模型。

3 結(jié)論

在水土保持設(shè)計、方案編制、檢測、監(jiān)督管理、治理、驗收評估以及預(yù)測中,創(chuàng)建多源數(shù)據(jù)、多部門數(shù)據(jù)相融合的水土保持知識庫是進(jìn)行水土保持大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。影像數(shù)據(jù)是水土保持工作中常用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),圖數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及分析方法在今后水土保持工作中將扮演重要角色。因此,中國水土保持信息化基礎(chǔ)建設(shè)投入是水土保持大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的重點。基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)和應(yīng)用系統(tǒng)的及時更新關(guān)系著大數(shù)據(jù)處理的可行性;數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性也影響著大數(shù)據(jù)處理的難易程度,所以如何應(yīng)用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)及技術(shù)整合水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫,構(gòu)建一個能歸納多種數(shù)據(jù)類型、覆蓋范圍廣的水土保持共享數(shù)據(jù)庫,為水土保持工作提供更有力的科技支撐是急需解決的問題。同時,面對海量的數(shù)據(jù),學(xué)習(xí)和運用新技術(shù)、制定大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃也是水土保持大數(shù)據(jù)應(yīng)用的難點,因此,需注重大數(shù)據(jù)和水土保持專業(yè)知識相結(jié)合的人才培養(yǎng)。