尤 煒

(國家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院,北京 100010)

內(nèi)蒙古自治區(qū)東西跨度大、生態(tài)類型復(fù)雜多樣且境內(nèi)分布多個氣候帶,其過渡區(qū)域生態(tài)脆弱。隨著內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,草原放牧數(shù)量不斷增加,超載放牧、偷牧等違法利用草原問題尚未根本解決,天然草原負(fù)荷持續(xù)加大[1]。內(nèi)蒙古草原近年來發(fā)生了不同程度的退化,已制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

2021年8月,由國家林業(yè)和草原局、國家發(fā)展改革委員會共同編制的《“十四五”林業(yè)草原保護(hù)發(fā)展規(guī)劃綱要》發(fā)布,提出加強(qiáng)草原保護(hù)修復(fù),內(nèi)容涉及嚴(yán)格草原禁牧和草畜平衡,加快草原生態(tài)修復(fù)以及推行草原休養(yǎng)生息。2021年10月1日起施行《內(nèi)蒙古自治區(qū)草畜平衡和禁牧休牧條例》(以下簡稱“條例”)。《條例》提出運(yùn)用數(shù)字現(xiàn)代智能技術(shù)對草原面積、等級、植被構(gòu)成、生產(chǎn)能力、生物災(zāi)害與草畜平衡和禁牧休牧等草原基本狀況實行動態(tài)監(jiān)測,達(dá)到由控畜向畜草“雙控”轉(zhuǎn)變,解決以往草原監(jiān)督管理制度作用欠佳等關(guān)鍵性問題。因此,科學(xué)的監(jiān)測、評價及預(yù)測生態(tài)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,是草原生態(tài)管理的重大需求。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”生態(tài)行動的快速推進(jìn),通過感知化、物聯(lián)化、智能化手段,構(gòu)建一套草原大數(shù)據(jù)監(jiān)管與服務(wù)平臺。形成生態(tài)立體感知、管理協(xié)同高效、服務(wù)內(nèi)外一體的新型管理模式,并可以作為破解草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展難題、促進(jìn)生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、全面提升生態(tài)產(chǎn)業(yè)質(zhì)量效益的關(guān)鍵抓手[2]。將大數(shù)據(jù)的發(fā)展成果與草原生態(tài)建設(shè)深度融合,推動生態(tài)科技進(jìn)步,提升草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新水平,建設(shè)草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)一體化、協(xié)同化、最優(yōu)化的發(fā)展模式,真正實現(xiàn)草原生態(tài)建設(shè)和生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展互相促進(jìn)、和諧共進(jìn),成為創(chuàng)新內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)發(fā)展模式的重要途徑[3]。

1 建設(shè)目標(biāo)

為了推動遙感、物聯(lián)網(wǎng)等在草原生態(tài)領(lǐng)域的應(yīng)用,構(gòu)建內(nèi)蒙古草原長勢、蓋度、產(chǎn)量、退化,與水、土壤、氣候等為一體的生態(tài)監(jiān)測體系,完善政府、企業(yè)、農(nóng)牧民等多用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用、服務(wù)機(jī)制,搭建“草原大數(shù)據(jù)監(jiān)管與服務(wù)平臺”,著力推進(jìn)數(shù)據(jù)匯集與深度挖掘,形成草原資源與生態(tài)動態(tài)大數(shù)據(jù)方案,為內(nèi)蒙古草原生態(tài)保護(hù)、精準(zhǔn)修復(fù)、動態(tài)管理及合理利用提供科學(xué)依據(jù)[4]。

著力推動新一代大數(shù)據(jù)技術(shù)與草原生態(tài)各項業(yè)務(wù)深度融合、創(chuàng)新應(yīng)用,為草原生態(tài)監(jiān)管提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)服務(wù)和智能化解決方案,切實提高草原生態(tài)資源保護(hù)和生態(tài)建設(shè)的質(zhì)量和效率。實現(xiàn)全自治區(qū)統(tǒng)一規(guī)范評估、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全部采集入庫,并實施動態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)管,完成全區(qū)“草原生態(tài)資源一張圖”,實現(xiàn)草原生態(tài)資源精確定位、精細(xì)保護(hù);運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù),準(zhǔn)確掌握草原生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀態(tài)和發(fā)展趨勢;實現(xiàn)草原生態(tài)監(jiān)測、預(yù)警、管理的智能化[5]。

2 平臺架構(gòu)

2.1 平臺總體架構(gòu)

內(nèi)蒙古草原大數(shù)據(jù)監(jiān)管與服務(wù)平臺體系架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層、數(shù)據(jù)即服務(wù)層、平臺即服務(wù)層、軟件應(yīng)用層構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)圖

通過遙感、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集終端等采集草原生態(tài)數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)匯集交換系統(tǒng)同步、清洗,生成可使用的數(shù)據(jù)格式,儲存到管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫,并根據(jù)基礎(chǔ)庫和業(yè)務(wù)庫分類管理,然后通過數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)律,通過算法與模型解決業(yè)務(wù)問題,再運(yùn)用圖形及顏色等可視化技術(shù)使數(shù)據(jù)信息易讀、易識別、易理解,根據(jù)不同的使用場景如手機(jī)端、電腦端和大屏進(jìn)行操作。

2.1.1基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層(IaaS)

基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層主要是保障平臺運(yùn)行的軟硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等[6],充分利用自治區(qū)林草局已有的基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)備,并根據(jù)項目建設(shè)進(jìn)行設(shè)備擴(kuò)展。

2.1.2數(shù)據(jù)即服務(wù)層(DaaS)

按照國家林草信息化建設(shè)中對數(shù)據(jù)庫規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容,草原生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)試點區(qū)域草原資源數(shù)據(jù)的集成管理,并根據(jù)草原資源共享應(yīng)用的需要,將資源層的各種基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換和定制,形成面向不同專題的數(shù)據(jù)服務(wù),為資源共享平臺提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3平臺即服務(wù)層(PaaS)

實現(xiàn)對各類資源的管理以及各類草原資源服務(wù)以及外部公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)有效聚合,形成資源數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)的集成管理,并基于二維地圖引擎、機(jī)器學(xué)習(xí)引擎為核心,實現(xiàn)草原資源展現(xiàn)、定位管理、綜合查詢服務(wù)等,為應(yīng)用層各類應(yīng)用提供共享服務(wù)的應(yīng)用展示和共享服務(wù)資源的展示支撐。

2.1.4軟件即服務(wù)層(SaaS)

以草原資源綜合數(shù)據(jù)庫為支撐,對草原資源進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、復(fù)合、統(tǒng)計、挖掘等,以專題圖、統(tǒng)計表格、二三維展示等表現(xiàn)形式,直觀、準(zhǔn)確、動態(tài)地展示草原現(xiàn)狀、歷史以及趨勢,滿足各級林草資源管理部門在日常管理工作中對草原監(jiān)管成果的應(yīng)用需求。

2.2 功能模塊構(gòu)成

平臺主要由3類功能模塊構(gòu)成,分別是生態(tài)數(shù)據(jù)倉庫、生態(tài)監(jiān)測和草畜平衡管理,如圖2所示。

圖2 平臺功能模塊構(gòu)成示意圖

3 平臺功能分析

3.1 生態(tài)數(shù)據(jù)倉庫

3.1.1公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

包括基礎(chǔ)地理、遙感影像、社會經(jīng)濟(jì)、氣象、土壤、道路、地理等數(shù)據(jù)。完善基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫,擴(kuò)展遙感影像數(shù)據(jù)庫,包含多源、多時相、多分辨率的海量遙感數(shù)據(jù);收集社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫,包含人口、交通、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值等數(shù)據(jù);完善氣象、土壤、水資源等數(shù)據(jù)。

(1)水資源數(shù)據(jù):建立模型自動識別水域分布,并計算面積動態(tài)變化,直觀、全面掌握河湖信息及變化規(guī)律。

(2)土壤資源數(shù)據(jù):依托龐大的土壤樣本庫,在類型基礎(chǔ)上,針對化驗指標(biāo)自動判別土壤營養(yǎng)元素含量豐缺,實現(xiàn)智能配肥,作為生態(tài)修復(fù)配方施肥的依據(jù)。

(3)氣象數(shù)據(jù):基于大量歷史數(shù)據(jù),能實現(xiàn)精度5 km,時間15 d的氣象預(yù)測,為草原返青、產(chǎn)量等生態(tài)指標(biāo)估算提供數(shù)據(jù)依據(jù),指導(dǎo)草原科學(xué)合理生產(chǎn)。

(4)地理生態(tài)數(shù)據(jù):精準(zhǔn)化、智能化判別土地利用類型,自動統(tǒng)計任意時間、任意區(qū)域地貌、坡度、生態(tài)資源類型的分布和面積。

3.1.2生態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

完善草原數(shù)據(jù)庫,包括各種調(diào)查數(shù)據(jù)、植物物種、退化數(shù)據(jù)。

(1)草原資源數(shù)據(jù):結(jié)合地面數(shù)據(jù),建立樣本特征庫,實現(xiàn)自動解譯、計算草原類型、草地分級的分布情況和面積。

(2)草原利用數(shù)據(jù):結(jié)合圖像的紋理、顏色及其他特征,實現(xiàn)智能提取草原“三化”、國家級自然保護(hù)區(qū)、礦山、打草場等分布。

(3)植物資源數(shù)據(jù):擁有鄉(xiāng)土植物種質(zhì)資源庫,采集植物種質(zhì)資源5 605份、植物標(biāo)本33 756份,已成熟應(yīng)用到各類工程項目100余種,收錄中國植物信息2.7萬余種。正在建立功能較全的植物數(shù)據(jù)庫,細(xì)分植物與人、動物、植物、氣候、水、土壤6大類、31小類功能,分類更精確,查找更快捷,結(jié)合生態(tài)修復(fù)可以做到在推薦修復(fù)植物的同時,檢索修復(fù)植物生態(tài)功能,增加生態(tài)修復(fù)的經(jīng)濟(jì)價值。

(4)植物分布數(shù)據(jù):通過植物生長的生態(tài)條件,野外采集植物標(biāo)本的終端會實時傳輸標(biāo)本數(shù)據(jù),系統(tǒng)根據(jù)已建立模型劃定植物適宜生長區(qū),目前可檢索2 000余種植物的生物學(xué)特性信息和適宜生長的區(qū)域分布。

3.1.3生態(tài)專題數(shù)據(jù)庫

包括工程管理、科技創(chuàng)新、災(zāi)害管理等方面的數(shù)據(jù)。完善政務(wù)服務(wù)數(shù)據(jù)庫,包含行政執(zhí)法數(shù)據(jù)等;建設(shè)工程管理數(shù)據(jù)庫,包含草原修復(fù)等數(shù)據(jù);完善災(zāi)害管理數(shù)據(jù)庫,包含防火數(shù)據(jù)、有害生物數(shù)據(jù)等;建設(shè)科技創(chuàng)新數(shù)據(jù)庫,包括生態(tài)定位監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

3.1.4目錄與元數(shù)據(jù)庫

包括各類生態(tài)數(shù)據(jù)庫的目錄和元數(shù)據(jù),與相應(yīng)數(shù)據(jù)庫同步建設(shè),方便用戶檢索、查詢、使用各類數(shù)據(jù)。

3.1.5運(yùn)行支撐數(shù)據(jù)庫

包括各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的使用單位、部門、用戶、角色、日志等數(shù)據(jù),在系統(tǒng)應(yīng)用范圍擴(kuò)展時同步完善。

3.1.6標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范庫

包括平臺基礎(chǔ)設(shè)施、信息資源、業(yè)務(wù)應(yīng)用、安全管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善。

3.2 生態(tài)監(jiān)測

建立衛(wèi)星、無人機(jī)和地面相結(jié)合的“空天地人一體化”草原監(jiān)測體系,提供牧草返青、植被蓋度、草產(chǎn)量、沙地等變化。衛(wèi)星記錄草原生態(tài)“底片”,發(fā)生的任何生態(tài)變化都可通過遙感解譯、反演和比對,完成對生態(tài)變化的取證和效驗,從而實現(xiàn)及時、快速、準(zhǔn)確的草原生態(tài)監(jiān)測監(jiān)管,第一時間提供決策依據(jù)。

3.2.1返青監(jiān)測

利用氣象數(shù)據(jù),結(jié)合土壤墑情數(shù)據(jù),建立不同草原類型返青期預(yù)測模型,在連續(xù)地理空間上對未來草原的返青期進(jìn)行預(yù)估,并根據(jù)實地調(diào)查或視頻傳輸圖片數(shù)據(jù)對返青期模型預(yù)報結(jié)果進(jìn)行修正和驗證。每3 d發(fā)布數(shù)據(jù),預(yù)測未來兩周一公里范圍返青時間段,自動推送至PC端或APP,指導(dǎo)合理規(guī)劃放牧及休牧?xí)r間。

3.2.2植被蓋度監(jiān)測

基于遙感監(jiān)測NDVI和定標(biāo)采集數(shù)據(jù),構(gòu)建不同草原類型植被蓋度估測模型?？刹檎夷骋坏攸c具體的植被蓋度,對比統(tǒng)計各級行政區(qū)域蓋度值,揭示逐月變化,作為準(zhǔn)確評價草原生態(tài)狀況的依據(jù)。

3.2.3草產(chǎn)量監(jiān)測

基于遙感監(jiān)測NDVI、氣象數(shù)據(jù)和定標(biāo)采集數(shù)據(jù),構(gòu)建不同草原類型牧草估產(chǎn)模型,遙感定量反演草原牧草產(chǎn)量。可查找某一地點具體的草產(chǎn)量,提前15 d預(yù)測草產(chǎn)量,對比統(tǒng)計各級行政區(qū)域草產(chǎn)量,揭示逐月變化,準(zhǔn)確判斷載畜量及購買飼草料的數(shù)量。

3.2.4沙地監(jiān)測

自動檢測多期數(shù)據(jù)遙感數(shù)據(jù),置入不同遙感數(shù)據(jù)源解譯模型,實現(xiàn)自動識別草原退化、沙化、鹽漬化及礦山分布,并同時統(tǒng)計變化面積。

3.3 草畜平衡管理

通過動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合歷史數(shù)據(jù),應(yīng)用機(jī)器深度學(xué)習(xí)方法,預(yù)測當(dāng)年產(chǎn)草量,以推算出不同草原類型、不同時間的合理載畜量,再結(jié)合對草原生態(tài)狀況的評估,評價其草場的利用強(qiáng)度。

3.3.1合理載畜量計算

基于家畜數(shù)量以及飼喂?fàn)顩r等基本生產(chǎn)經(jīng)營情況,通過遙感監(jiān)測放牧場、打草場草地生產(chǎn)力,結(jié)合當(dāng)?shù)睾侠磔d畜量計算標(biāo)準(zhǔn),疊加牧戶確權(quán)界限,可實現(xiàn)以戶為單位計算草地載畜能力,提出合理的家畜飼養(yǎng)規(guī)模。

3.3.2過牧預(yù)警

綜合植被蓋度、產(chǎn)量、多樣性等指標(biāo),建立不同草原類型的生態(tài)閾值,對每一牧戶放牧方案進(jìn)行動態(tài)管理,準(zhǔn)確測算利用強(qiáng)度,提前估算養(yǎng)殖量是否超過變動警戒線,自動推送監(jiān)管部門及牧戶休牧、禁牧、減畜及恢復(fù)時間的通知。由生態(tài)閾值判定草畜平衡的狀況。

3.3.3合理打草管理

推廣科學(xué)合理的打草場管理制度,推薦合理打草時間,實施科學(xué)留草帶制度,保證合理留茬高度,在現(xiàn)有草場生產(chǎn)條件下,依據(jù)土壤檢測數(shù)據(jù),配方施肥培育草場,基于大數(shù)據(jù)平臺識別的中度重度退化草原,可實施免耕補(bǔ)播,增加草地生產(chǎn)能力以及牧草質(zhì)量,增加草地利用效率。

4 平臺可用性分析

4.1 遙感數(shù)據(jù)處理

平臺中數(shù)據(jù)涉及大量的遙感數(shù)據(jù),在云平臺環(huán)境支撐下,在不同的工序節(jié)點經(jīng)過不同的處理,通過人員的協(xié)作、任務(wù)流和數(shù)據(jù)流的流轉(zhuǎn),經(jīng)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、上傳、審核、發(fā)布、可視化等一系列標(biāo)準(zhǔn)過程,生成最終的遙感信息產(chǎn)品的過程。分布式協(xié)同生產(chǎn)控制的整體框架可以實現(xiàn)跨部門、跨地域,以有效的協(xié)調(diào)方式響應(yīng)用戶需求,提高生產(chǎn)應(yīng)變能力和生產(chǎn)的敏捷性。遙感影像處理及產(chǎn)品智能生產(chǎn)需要依據(jù)任務(wù)類型、資源與環(huán)境需求、優(yōu)先級、時間要求節(jié)點等特點,計算節(jié)點的CPU/GPU數(shù)據(jù)、運(yùn)行負(fù)載、內(nèi)存及網(wǎng)絡(luò)狀況以及其它自定義約束對作業(yè)/任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,充分挖掘系統(tǒng)整體的計算能力,提高數(shù)據(jù)處理服務(wù)的吞吐量。

4.2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

當(dāng)全區(qū)數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后,各市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)專題圖及統(tǒng)計結(jié)果自動輸出,用戶可隨意切換。無需切割整體數(shù)據(jù),同一數(shù)據(jù)可按不同行政區(qū)域檢索、調(diào)用及計算。用戶可根據(jù)拾取的坐標(biāo)點或繪制矩形等方式檢索出該位置所有入庫的數(shù)據(jù)值,打破同一平臺不同模塊之間的數(shù)據(jù)壁壘,體現(xiàn)生態(tài)資源數(shù)據(jù)環(huán)環(huán)相扣、休戚相關(guān)的特點。

4.3 數(shù)據(jù)精確性

本平臺數(shù)據(jù)獲取技術(shù)主要包括感知技術(shù)(傳感器、遙感技術(shù)等)、識別技術(shù)(RIFD、光譜掃描、檢測技術(shù))、移動采集技術(shù)(智能終端、APP)等,結(jié)合實地調(diào)研、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地面監(jiān)測技術(shù)等手段對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精修,進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)源的精確性。

4.4 數(shù)據(jù)有效性

平臺數(shù)據(jù)采用實時更新、全部更新、增量更新等方式,針對不同類別的生態(tài)數(shù)據(jù),選擇符合其特點的方式進(jìn)行更新。此過程遵照統(tǒng)一的信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)入庫標(biāo)準(zhǔn),對各類生態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、檢查、修改、復(fù)核、入庫等處理,形成符合標(biāo)準(zhǔn)、可共享的各類生態(tài)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

草原承載著整個國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),直接關(guān)系到國家的糧食安全、食品安全和生態(tài)安全,內(nèi)蒙古草原大數(shù)據(jù)監(jiān)管與服務(wù)平臺的建設(shè)將對內(nèi)蒙古自治區(qū)乃至全國的生態(tài)健康持續(xù)發(fā)展和社會發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。在平臺的引導(dǎo)下,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理模式,通過整合行業(yè)離散數(shù)據(jù),解決草原生態(tài)數(shù)據(jù)量大、面廣、資料無從查找等問題,制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。借助云計算、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)面向公眾的智慧共享平臺,進(jìn)行生態(tài)建設(shè)技術(shù)集成及科研成果快速轉(zhuǎn)化,推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,用數(shù)據(jù)來說話、用數(shù)據(jù)來管理、用數(shù)據(jù)來決策、用數(shù)據(jù)來創(chuàng)新。它是一個導(dǎo)航器,指導(dǎo)農(nóng)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)合作,組織規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)科學(xué)合理地利用生態(tài)資源;它也是一個工具箱,使草畜平衡做到精準(zhǔn),達(dá)到生態(tài)自然平衡,為內(nèi)蒙古生態(tài)保護(hù)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用開辟新途徑。