自然保護地數(shù)字化監(jiān)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(zhàn)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(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園、濕地公園、地質(zhì)公園、自然遺產(chǎn)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(qū)52處（國家級15處，自治區(qū)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(qū)域90%以上的珍稀野生動植物物種，已達到《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》中提出的自然保護區(qū)2020年發(fā)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(qū)生態(tài)安全重要屏障，是新疆和毗鄰國家主要河流的重要水源產(chǎn)流地，是我國生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域。

1數(shù)字化監(jiān)管需求分析

自然保護地是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境、生物多樣性、關鍵物種及重點保護野生動植物等關鍵數(shù)據(jù)是高效管理和科學決策的重要基礎。氣象、大氣、水文、水質(zhì)、土壤等生態(tài)環(huán)境因子變化能夠有效體現(xiàn)出自然保護地生態(tài)狀況及變化趨勢，植被覆蓋及野生動植物的分布、數(shù)量、質(zhì)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(jiān)控是自然保護地生態(tài)安全的重要保障，人類活動監(jiān)測與管控是自然保護地長效保護的重要前提。最為傳統(tǒng)的自然保護地監(jiān)測方式是人工地面野外采樣調(diào)查和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析，不但費時費力，而且時效性不足。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，傳感器、遙感RS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、紅外和視頻監(jiān)控、無人機、無線通信和移動互聯(lián)網(wǎng)等技術逐步應用于自然保護地監(jiān)測，不但能夠提升監(jiān)測的效率和時空范圍，而且有助于提升監(jiān)測的精度和準確性。通過持續(xù)、穩(wěn)定、一體化的新型監(jiān)測技術手段構建自然保護地的精準監(jiān)測體系已經(jīng)成為主流趨勢。而且在自然保護地持續(xù)不斷積累的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎上，通過大數(shù)據(jù)分析、機器學習、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計建模等技術對自然保護地信息進行智能分析和知識發(fā)現(xiàn)，提升管理決策的科學性和可靠性已經(jīng)成為自然保護地監(jiān)管的核心內(nèi)容和主要方向。但是，現(xiàn)階段我國的自然保護地體系數(shù)字化管理和信息化發(fā)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(xiàn)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(xù)的監(jiān)測與管護，已成為新疆生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)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(shù)字化監(jiān)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(shù)字化監(jiān)管框架設計原則

2.1節(jié)約資金，提高效率，避免重復建設充分利用現(xiàn)有技術和基礎設施，統(tǒng)一標準、建立規(guī)范、統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)安排，使數(shù)字化監(jiān)管體系建設的過程有章可依、有據(jù)可循，避免不必要重復建設，提高效率。充分利用現(xiàn)有設備、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡等資源，節(jié)約資金，提高建設水平。2.2標準化、規(guī)范化遵循數(shù)據(jù)整合、軟件研發(fā)和業(yè)務應用相關的各類規(guī)程、規(guī)范和技術規(guī)定，保障數(shù)據(jù)整合與軟件系統(tǒng)開發(fā)工作統(tǒng)一有序地建設和運行，保障數(shù)據(jù)及時更新，并為相關各領域的業(yè)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(shù)據(jù)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(tǒng)能夠最大限度地適應自然保護地數(shù)字化發(fā)展。

2.4宏觀性與微觀性高度結(jié)合，面向?qū)嵱酶鶕?jù)自然保護地信息資源和數(shù)據(jù)資源的現(xiàn)狀，充分考慮相關信息系統(tǒng)之間的關系，確保自然保護地的各類信息系統(tǒng)是一個互為依托、相互兼容、相互統(tǒng)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(jié)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(shù)字化監(jiān)管體系具有良好的安全性，網(wǎng)絡系統(tǒng)和數(shù)據(jù)均能安全運行，把系統(tǒng)故障降低到最低程度，并能方便地根據(jù)需要進行擴展。

3數(shù)字化監(jiān)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(shù)字化監(jiān)管框架設計。（見圖1）總體架構中，“四橫”指的是基礎設施層、數(shù)據(jù)資源層、服務平臺層和業(yè)務應用層這四個層次；“兩縱”指的是林業(yè)信息化標準規(guī)范體系和林業(yè)網(wǎng)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(shù)字化監(jiān)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(shù)字化監(jiān)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(shù)字化監(jiān)管的重大需求，針對自然保護地高效監(jiān)管的核心業(yè)務特征，建立新疆自然保護地體系的數(shù)字化管理標準規(guī)范體系，構建以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的自然保護地體系數(shù)字化監(jiān)管網(wǎng)絡體系，研發(fā)以大數(shù)據(jù)和云計算為基礎的自然保護地資源一張地圖系統(tǒng)，在可視化地圖上為各級林業(yè)部門領導、業(yè)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(fā)展趨勢如何，對人類生活環(huán)境的影響等等，而且能夠處理和共享自然保護地資源數(shù)據(jù)，確保各類數(shù)據(jù)的數(shù)量、質(zhì)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(xiàn)代化和科學化水平。

3.2標準規(guī)范參照《全國林業(yè)信息化建設綱要（2008-2020年）》和《全國林業(yè)信息化建設技術指南（2008-2020年）》，針對自然保護地體系數(shù)據(jù)特點和業(yè)務特征，構建新疆自然保護地體系數(shù)字化監(jiān)管標準規(guī)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(jù)不同的屬性分為若干小類，每個小類下為具體標準。根據(jù)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(yè)標準出版，為新疆自然保護地體系數(shù)字化監(jiān)管建設提供依據(jù)。

3.3基礎設施層基于每個自然保護地資源數(shù)據(jù)整合與信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量、系統(tǒng)功能和性能需求，在充分利用現(xiàn)有網(wǎng)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(huán)境進行綜合集成，實現(xiàn)信息服務基礎設施和環(huán)境的最佳部署和高效集成，提升信息服務基礎設施和環(huán)境的彈性及利用率，滿足自然保護地大數(shù)據(jù)的高效存儲與管理，確保自然保護地監(jiān)測與保護數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)高效、安全、可擴展地運行和維護。建立新疆自然保護地數(shù)字化監(jiān)管網(wǎng)絡體系，通過“天-地-空一體化”方式，全面集成衛(wèi)星遙感、無人機、地面?zhèn)鞲衅鳌⒓t外相機和視屏設備等智能終端及其采集的數(shù)據(jù)資源，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎動態(tài)全面監(jiān)測自然保護地典型區(qū)域和熱點區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、動植物資源和人類活動，實現(xiàn)自然保護地監(jiān)管的覆蓋廣、功能強、動態(tài)化。

3.4數(shù)據(jù)資源層自然保護地的各類資源數(shù)據(jù)具有海量、多源、異構和實時特征，是典型的時空大數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構的角度來分析，涉及空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、標準規(guī)范與知識庫這3類數(shù)據(jù)，可分為6個數(shù)據(jù)庫：（1）基礎地理數(shù)據(jù)庫，包括多級比例尺基礎地理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和信息資源目錄。（2）動植物資源時空數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。（3）本底資源時空數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。（4）動態(tài)監(jiān)測時空數(shù)據(jù)庫，包括氣象、大氣、水文水質(zhì)、土壤等生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和人類活動、土地利用類型、自然災害發(fā)生率等時空變化數(shù)據(jù)。（5）遙感影像數(shù)據(jù)庫，包括各類遙感衛(wèi)星和無人機監(jiān)測數(shù)據(jù)。（6）模型庫和知識庫，包括各類標準、文檔、技術規(guī)程等綜合數(shù)據(jù)，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(tài)環(huán)境評價模型等專家知識和分析評價模型。基于時空數(shù)據(jù)庫理論與技術，應用GeoDatabase等主流時空數(shù)據(jù)模型構建自然保護地時空大數(shù)據(jù)庫，制定適用于自然保護地資源數(shù)據(jù)整合的技術規(guī)范，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，通過大數(shù)據(jù)治理的方式全面整合新疆自然保護地時空數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源異構、多時相、多尺度、高動態(tài)時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲與高效管理。

3.5服務平臺層采用云計算、大數(shù)據(jù)、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(tǒng)，研發(fā)新疆自然保護地多層次信息服務平臺，在網(wǎng)絡環(huán)境下提供“一站式”新疆自然保護地監(jiān)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(tǒng)通用功能的重復開發(fā)，實現(xiàn)軟件功能重用，另一方面可降低應用系統(tǒng)開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，而且為相關行業(yè)提供數(shù)據(jù)訪問和共享交換接口。主要包括9類服務：（1）元數(shù)據(jù)服務，滿足用戶對元數(shù)據(jù)上報、更新、查詢、瀏覽和使用需求。（2）數(shù)據(jù)訪問服務，為上一級應用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)訪問接口，通過對服務接口的封裝簡化對關系型數(shù)據(jù)庫的訪問。（3）數(shù)據(jù)查詢服務，提供統(tǒng)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(shù)據(jù)資源服務，將數(shù)據(jù)以服務的形式，在信息服務平臺上進行服務注冊。（5）數(shù)據(jù)上傳下載服務，通過網(wǎng)絡傳輸協(xié)議為用戶與服務端之間交互數(shù)據(jù)提供支持。（6）數(shù)據(jù)批量導入導出服務，提供空間與屬性數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)的批量導入導出功能。（7）信息資源目錄服務，按照年度、數(shù)據(jù)類型、服務類型提供數(shù)據(jù)資源與服務目錄。（8）事件監(jiān)控服務，對數(shù)據(jù)訪問、用戶活動及各節(jié)點數(shù)據(jù)庫連接狀況進行監(jiān)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(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)都要按照事先設定的權限范圍來訪問，權限的設定和發(fā)放將由管理員統(tǒng)一管理。

3.6業(yè)務應用層自然保護地監(jiān)測與管理所涉及的業(yè)務類型多樣，每一業(yè)務類型的工作流程和核心內(nèi)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(tài)保護與恢復、資源動態(tài)監(jiān)測與預警、科普教育和社區(qū)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(yè)務應用系統(tǒng)，例如自然保護地資源數(shù)據(jù)在線管理與智能分析系統(tǒng)、自然保護地生態(tài)保護與恢復工程管理系統(tǒng)、自然保護地智能巡護系統(tǒng)、自然保護地火災監(jiān)測預警與智能撲救指揮系統(tǒng)、自然保護地病蟲害識別與防治系統(tǒng)、自然保護地三維可視化虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等等。這些業(yè)務系統(tǒng)均可共用數(shù)據(jù)資源層的自然保護地時空大數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)字化監(jiān)管的網(wǎng)絡安全與運維過程，統(tǒng)一和規(guī)范網(wǎng)絡安全管理內(nèi)容和流程，提升風險運行維護的自動化程度，實現(xiàn)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(zhuǎn)變，真正建立實用并且合規(guī)的自然保護地體系數(shù)字化監(jiān)管網(wǎng)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(shù)字化監(jiān)管的有力支撐，關鍵技術包括J2EE架構與技術、數(shù)據(jù)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(nóng)業(yè)大學在UNDP-GEF中國濕地保護體系新疆項目和國家林業(yè)局新疆阿爾泰山兩河源自然保護區(qū)濕地保護與恢復項目的聯(lián)合資助下，以阿爾泰山兩河源自然保護區(qū)為實驗區(qū)，構建了一個網(wǎng)絡環(huán)境下運行的“一體化監(jiān)控、智能化決策、交互式共享”的自然保護區(qū)資源數(shù)據(jù)在線管理與分析系統(tǒng)，通過GIS和RS一體化集成技術在網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)自然保護區(qū)資源數(shù)據(jù)的綜合查詢、動態(tài)更新、綜合校驗、制圖綜合、統(tǒng)計報表、空間分析和模型預測等方面的功能，實現(xiàn)自然保護區(qū)資源監(jiān)測與保護時空分布數(shù)據(jù)的集中存儲、統(tǒng)一管理、智能分析和透明，有助于自然保護區(qū)多源異構、多時相和多尺度時空數(shù)據(jù)的高效管理、維護和輔助決策，能夠有效提高自然保護區(qū)資源監(jiān)測、管理、保護和利用水平，為各級林業(yè)部門領導和專業(yè)業(yè)務人員提供自然保護區(qū)和濕地資源數(shù)據(jù)高效管理與深度分析的專業(yè)化服務，在確保資源數(shù)據(jù)的數(shù)量、質(zhì)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(tǒng)已經(jīng)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(qū)資源數(shù)據(jù)在線管理與分析系統(tǒng)的研發(fā)思路，新疆農(nóng)業(yè)大學在新疆林業(yè)廳濕地辦的支持下，初步構建了一個面向各級保護區(qū)管理者和社會公眾的“新疆自然保護區(qū)和濕地資源一張地圖系統(tǒng)”，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在線管理與分析系統(tǒng)，實現(xiàn)“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(tài)信息提供支撐。

5結(jié)束語

自然保護地作為高質(zhì)量的生態(tài)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(tài)系統(tǒng)基本規(guī)律和物種生態(tài)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(shù)字化監(jiān)管框架研究，是促進新疆自然保護地體系現(xiàn)代化發(fā)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(tài)安全和生態(tài)環(huán)境保護，而且有利于為新疆的“社會-經(jīng)濟-生態(tài)”可持續(xù)發(fā)展和長治久安提供科技支撐服務，進而讓良好生態(tài)環(huán)境成為人民生活的增長點，成為經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的支撐點，成為展現(xiàn)新疆良好形象的發(fā)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(qū)管理局