自然保護地數字化監管設計分析范文
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建立以國家公園為主體的自然保護地體系是黨的提出的戰略舉措，對美麗中國建設具有十分重要的意義，是樹立和踐行綠水青山就是金山銀山理念的重要方式。新疆的自然保護地資源獨特而豐富，涵蓋了自然保護區、風景名勝區、森林公園、濕地公園、地質公園、自然遺產等各類自然保護地類型。截至2017年，新疆已建立各類自然保護區52處（國家級15處，自治區級14處），總面積2313萬hm2（3.47億畝），占新疆國土總面積的13.91%，覆蓋了新疆區域90%以上的珍稀野生動植物物種，已達到《“十三五”生態環境保護規劃》中提出的自然保護區2020年發展指標要求。新疆的自然保護地資源占有率在全國處于領先地位，而且新疆的自然保護地是西部地區生態安全重要屏障，是新疆和毗鄰國家主要河流的重要水源產流地，是我國生物多樣性保護優先區域。
自然保護地是自然生態系統的重要組成部分，其生態環境、生物多樣性、關鍵物種及重點保護野生動植物等關鍵數據是高效管理和科學決策的重要基礎。氣象、大氣、水文、水質、土壤等生態環境因子變化能夠有效體現出自然保護地生態狀況及變化趨勢，植被覆蓋及野生動植物的分布、數量、質量和健康狀況是自然保護地生物多樣性評估與保護的重要參照，野外巡護全過程監控是自然保護地生態安全的重要保障，人類活動監測與管控是自然保護地長效保護的重要前提。最為傳統的自然保護地監測方式是人工地面野外采樣調查和內業數據處理與分析，不但費時費力，而且時效性不足。隨著現代信息技術的發展，傳感器、遙感RS、地理信息系統GIS、全球定位系統GPS、紅外和視頻監控、無人機、無線通信和移動互聯網等技術逐步應用于自然保護地監測，不但能夠提升監測的效率和時空范圍，而且有助于提升監測的精度和準確性。通過持續、穩定、一體化的新型監測技術手段構建自然保護地的精準監測體系已經成為主流趨勢。而且在自然保護地持續不斷積累的各類監測數據基礎上，通過大數據分析、機器學習、數據挖掘、統計建模等技術對自然保護地信息進行智能分析和知識發現，提升管理決策的科學性和可靠性已經成為自然保護地監管的核心內容和主要方向。但是，現階段我國的自然保護地體系數字化管理和信息化發展尚處于起步探索階段，新疆也尚未開展這方面的全面、深入研究與應用等相關工作。如何綜合應用各種現代信息技術手段，對新疆自然保護地體系開展科學、有效、可持續的監測與管護，已成為新疆生態文明建設和生態環境保護所面臨的核心、熱點和重大問題之一。因此，開展新疆自然保護地體系的數字化監管框架體系設計與分析，具有重要的基礎理論意義和實踐應用價值。
2數字化監管框架設計原則
2.1節約資金，提高效率，避免重復建設充分利用現有技術和基礎設施，統一標準、建立規范、統籌規劃、協調安排，使數字化監管體系建設的過程有章可依、有據可循，避免不必要重復建設，提高效率。充分利用現有設備、數據和網絡等資源，節約資金，提高建設水平。2.2標準化、規范化遵循數據整合、軟件研發和業務應用相關的各類規程、規范和技術規定，保障數據整合與軟件系統開發工作統一有序地建設和運行，保障數據及時更新，并為相關各領域的業務應用進行高效對接。
2.3科學性、適度超前性和可操作性在保證可操作性的前提下，在數據整合和軟件設計上盡可能采用目前最為先進的技術，并在設施建設、設備配備方面適度超前，保持技術先進性，使新建立的系統能夠最大限度地適應自然保護地數字化發展。
2.4宏觀性與微觀性高度結合，面向實用根據自然保護地信息資源和數據資源的現狀，充分考慮相關信息系統之間的關系，確保自然保護地的各類信息系統是一個互為依托、相互兼容、相互統一的整體，在組織上、技術上充分考慮以兼容、簡便、實用為原則，做到宏觀性與微觀性的高度結合。
2.5開放性、安全性、可靠性和可擴展性要保證自然保護地數字化監管體系具有良好的安全性，網絡系統和數據均能安全運行，把系統故障降低到最低程度，并能方便地根據需要進行擴展。
3數字化監管框架設計方案
3.1總體架構設計基于面向服務架構SOA設計思想，采用“四橫兩縱”的總體架構開展自然保護地數字化監管框架設計。（見圖1）總體架構中，“四橫”指的是基礎設施層、數據資源層、服務平臺層和業務應用層這四個層次；“兩縱”指的是林業信息化標準規范體系和林業網絡安全與運維體系這兩個貫通“四橫”的層次。這“四橫”與“兩縱”構成了自然保護地數字化監管的整體體系架構，每一層自成相對獨立的體系。自然保護地體系數字化監管總體架構設計的核心思路是：面向新疆自然保護地體系數字化監管的重大需求，針對自然保護地高效監管的核心業務特征，建立新疆自然保護地體系的數字化管理標準規范體系，構建以物聯網為基礎的自然保護地體系數字化監管網絡體系，研發以大數據和云計算為基礎的自然保護地資源一張地圖系統，在可視化地圖上為各級林業部門領導、業務人員和社會公眾提供不同級別的綜合信息服務，不但能夠方便、簡單和高效地了解自然保護地在哪里，具體情況怎么樣，變化發展趨勢如何，對人類生活環境的影響等等，而且能夠處理和共享自然保護地資源數據，確保各類數據的數量、質量和實時性，切實提升新疆自然保護地體系管理和決策的現代化和科學化水平。
3.2標準規范參照《全國林業信息化建設綱要（2008-2020年）》和《全國林業信息化建設技術指南（2008-2020年）》，針對自然保護地體系數據特點和業務特征，構建新疆自然保護地體系數字化監管標準規范體系，包括五大類標準：總體指導類、基礎設施類、信息資源類、應用服務類和管理類，每個大類根據不同的屬性分為若干小類，每個小類下為具體標準。根據上述五類標準應用的不同范圍可以劃分為總體指導、通用、專用三個層次。可作為新疆地方行業標準出版，為新疆自然保護地體系數字化監管建設提供依據。
3.3基礎設施層基于每個自然保護地資源數據整合與信息系統的數據量、系統功能和性能需求，在充分利用現有網絡、存儲與計算資源基礎上，采用高性能計算、云計算理論和技術對軟硬件環境進行綜合集成，實現信息服務基礎設施和環境的最佳部署和高效集成，提升信息服務基礎設施和環境的彈性及利用率，滿足自然保護地大數據的高效存儲與管理，確保自然保護地監測與保護數據庫和信息系統高效、安全、可擴展地運行和維護。建立新疆自然保護地數字化監管網絡體系，通過“天-地-空一體化”方式，全面集成衛星遙感、無人機、地面傳感器、紅外相機和視屏設備等智能終端及其采集的數據資源，以物聯網為基礎動態全面監測自然保護地典型區域和熱點區域內的生態環境、動植物資源和人類活動，實現自然保護地監管的覆蓋廣、功能強、動態化。
3.4數據資源層自然保護地的各類資源數據具有海量、多源、異構和實時特征，是典型的時空大數據，從數據模型和數據結構的角度來分析，涉及空間數據、屬性數據、標準規范與知識庫這3類數據，可分為6個數據庫：（1）基礎地理數據庫，包括多級比例尺基礎地理數據、社會經濟數據、元數據和信息資源目錄。（2）動植物資源時空數據庫，包括關鍵物種和野生動植物資源分布、特征、狀況、變化等數據。（3）本底資源時空數據庫，包括多年積累的自然保護地分布、建設與保護工程、植被覆蓋、土壤類型、水系分布等基礎資源數據。（4）動態監測時空數據庫，包括氣象、大氣、水文水質、土壤等生態環境實時監測數據和人類活動、土地利用類型、自然災害發生率等時空變化數據。（5）遙感影像數據庫，包括各類遙感衛星和無人機監測數據。（6）模型庫和知識庫，包括各類標準、文檔、技術規程等綜合數據，也包括自然保護地資源時空演變預測模型、保護與恢復決策模型、生態環境評價模型等專家知識和分析評價模型。基于時空數據庫理論與技術，應用GeoDatabase等主流時空數據模型構建自然保護地時空大數據庫，制定適用于自然保護地資源數據整合的技術規范，充分利用現有數據資源，通過大數據治理的方式全面整合新疆自然保護地時空數據，實現多源異構、多時相、多尺度、高動態時空數據統一存儲與高效管理。
3.5服務平臺層采用云計算、大數據、WebGIS和WebService等相關理論與關鍵技術，構建新疆自然保護地資源一張地圖系統，研發新疆自然保護地多層次信息服務平臺，在網絡環境下提供“一站式”新疆自然保護地監測與管護信息綜合服務。自然保護地多層次信息服務平臺作為信息服務管理與共享的基礎性功能，多層次信息服務接口提供共性功能模塊，一方面可減少應用系統通用功能的重復開發，實現軟件功能重用，另一方面可降低應用系統開發成本，提高開發效率，而且為相關行業提供數據訪問和共享交換接口。主要包括9類服務：（1）元數據服務，滿足用戶對元數據上報、更新、查詢、瀏覽和使用需求。（2）數據訪問服務，為上一級應用系統提供數據訪問接口，通過對服務接口的封裝簡化對關系型數據庫的訪問。（3）數據查詢服務，提供統一的、可擴展的查詢服務，包括：目錄導航、定制查詢、綜合查詢。（4）數據資源服務，將數據以服務的形式，在信息服務平臺上進行服務注冊。（5）數據上傳下載服務，通過網絡傳輸協議為用戶與服務端之間交互數據提供支持。（6）數據批量導入導出服務，提供空間與屬性數據、業務數據的批量導入導出功能。（7）信息資源目錄服務，按照年度、數據類型、服務類型提供數據資源與服務目錄。（8）事件監控服務，對數據訪問、用戶活動及各節點數據庫連接狀況進行監控。（9）用戶權限服務，所有用戶通過標準接口可訪問到的空間數據和屬性數據都要按照事先設定的權限范圍來訪問，權限的設定和發放將由管理員統一管理。
3.6業務應用層自然保護地監測與管理所涉及的業務類型多樣，每一業務類型的工作流程和核心內容都不相同，涉及日常巡護管理、病蟲害防治、火災預防與應急處置、生態保護與恢復、資源動態監測與預警、科普教育和社區共管等等。基于自然保護地多層次信息服務平臺提供的基礎、共性服務功能，可以快速研制多個自然保護地業務應用系統，例如自然保護地資源數據在線管理與智能分析系統、自然保護地生態保護與恢復工程管理系統、自然保護地智能巡護系統、自然保護地火災監測預警與智能撲救指揮系統、自然保護地病蟲害識別與防治系統、自然保護地三維可視化虛擬現實系統等等。這些業務系統均可共用數據資源層的自然保護地時空大數據庫，實現數據一體化管理與集成。
3.7運維體系從體系化設計思路通盤考慮自然保護地體系數字化監管的網絡安全與運維過程，統一和規范網絡安全管理內容和流程，提升風險運行維護的自動化程度，實現風險可視化、風險可管理、風險可處置、風險可量化。使日常的風險管理由被動管理向主動的流程化管理轉變，真正建立實用并且合規的自然保護地體系數字化監管網絡安全和運維體系。
4關鍵技術與典型案例分析
新一代信息技術是自然保護地體系數字化監管的有力支撐，關鍵技術包括J2EE架構與技術、數據庫技術、中間件技術、WebService技術、空間信息處理技術、WebGIS技術等。2018年，新疆農業大學在UNDP-GEF中國濕地保護體系新疆項目和國家林業局新疆阿爾泰山兩河源自然保護區濕地保護與恢復項目的聯合資助下，以阿爾泰山兩河源自然保護區為實驗區，構建了一個網絡環境下運行的“一體化監控、智能化決策、交互式共享”的自然保護區資源數據在線管理與分析系統，通過GIS和RS一體化集成技術在網絡環境下實現自然保護區資源數據的綜合查詢、動態更新、綜合校驗、制圖綜合、統計報表、空間分析和模型預測等方面的功能，實現自然保護區資源監測與保護時空分布數據的集中存儲、統一管理、智能分析和透明，有助于自然保護區多源異構、多時相和多尺度時空數據的高效管理、維護和輔助決策，能夠有效提高自然保護區資源監測、管理、保護和利用水平，為各級林業部門領導和專業業務人員提供自然保護區和濕地資源數據高效管理與深度分析的專業化服務，在確保資源數據的數量、質量和實時性的同時，為科學管理決策提供必要的支撐信息。該系統已經投入使用，具體功能模塊見圖2。而且，基于阿爾泰山兩河源自然保護區資源數據在線管理與分析系統的研發思路，新疆農業大學在新疆林業廳濕地辦的支持下，初步構建了一個面向各級保護區管理者和社會公眾的“新疆自然保護區和濕地資源一張地圖系統”，可以在地圖上可視化查詢檢索新疆所有自然保護地及其資源數據情況，并且可以通過在地圖上或者查詢列表里點擊進入任何一個自然保護地的資源數據在線管理與分析系統，實現“保護地多張圖匯集為省級一張圖”的模式，為管理者和社會公眾及時掌握自然保護地體系最新動態信息提供支撐。
5結束語
自然保護地作為高質量的生態空間，是人類不可或缺的綠色基礎設施，是人類為子孫后代留存的天然“本底”資源庫，是生物物種儲備庫，是瀕危動植物庇護所，是生態系統基本規律和物種生態特性研究的重要基地。基于新一代信息技術開展新疆自然保護地體系數字化監管框架研究，是促進新疆自然保護地體系現代化發展的重要開始，對提升自然保護地科學管理和智能決策水平具有重要意義和前瞻價值。不但有助于綠色“一帶一路”建設中的生態安全和生態環境保護，而且有利于為新疆的“社會-經濟-生態”可持續發展和長治久安提供科技支撐服務，進而讓良好生態環境成為人民生活的增長點，成為經濟社會持續健康發展的支撐點，成為展現新疆良好形象的發力點。
作者：葉勒波拉提托流漢 單位：阿爾泰山兩河源自然保護區管理局
