大數據時代下草原監管模式的探討

尤 煒

(國家林業和草原局產業發展規劃院,北京 100010)

內蒙古自治區東西跨度大、生態類型復雜多樣且境內分布多個氣候帶,其過渡區域生態脆弱。隨著內蒙古自治區經濟社會發展,草原放牧數量不斷增加,超載放牧、偷牧等違法利用草原問題尚未根本解決,天然草原負荷持續加大[1]。內蒙古草原近年來發生了不同程度的退化,已制約當地的經濟發展。

2021年8月,由國家林業和草原局、國家發展改革委員會共同編制的《“十四五”林業草原保護發展規劃綱要》發布,提出加強草原保護修復,內容涉及嚴格草原禁牧和草畜平衡,加快草原生態修復以及推行草原休養生息。2021年10月1日起施行《內蒙古自治區草畜平衡和禁牧休牧條例》(以下簡稱“條例”)?！稐l例》提出運用數字現代智能技術對草原面積、等級、植被構成、生產能力、生物災害與草畜平衡和禁牧休牧等草原基本狀況實行動態監測,達到由控畜向畜草“雙控”轉變,解決以往草原監督管理制度作用欠佳等關鍵性問題。因此,科學的監測、評價及預測生態現狀及發展趨勢,是草原生態管理的重大需求。

隨著“互聯網+”生態行動的快速推進,通過感知化、物聯化、智能化手段,構建一套草原大數據監管與服務平臺。形成生態立體感知、管理協同高效、服務內外一體的新型管理模式,并可以作為破解草原生態產業創新發展難題、促進生態產業發展方式轉變、全面提升生態產業質量效益的關鍵抓手[2]。將大數據的發展成果與草原生態建設深度融合,推動生態科技進步,提升草原生態產業創新水平,建設草原生態產業一體化、協同化、最優化的發展模式,真正實現草原生態建設和生態產業發展互相促進、和諧共進,成為創新內蒙古自治區生態發展模式的重要途徑[3]。

1 建設目標

為了推動遙感、物聯網等在草原生態領域的應用,構建內蒙古草原長勢、蓋度、產量、退化,與水、土壤、氣候等為一體的生態監測體系,完善政府、企業、農牧民等多用戶的相關數據采集、處理、應用、服務機制,搭建“草原大數據監管與服務平臺”,著力推進數據匯集與深度挖掘,形成草原資源與生態動態大數據方案,為內蒙古草原生態保護、精準修復、動態管理及合理利用提供科學依據[4]。

著力推動新一代大數據技術與草原生態各項業務深度融合、創新應用,為草原生態監管提供精準數據服務和智能化解決方案,切實提高草原生態資源保護和生態建設的質量和效率。實現全自治區統一規范評估、統一數據管理,基礎數據全部采集入庫,并實施動態精準監管,完成全區“草原生態資源一張圖”,實現草原生態資源精確定位、精細保護;運用大數據分析技術,準確掌握草原生態系統的質量狀態和發展趨勢;實現草原生態監測、預警、管理的智能化[5]。

2 平臺架構

2.1 平臺總體架構

內蒙古草原大數據監管與服務平臺體系架構由基礎設施即服務層、數據即服務層、平臺即服務層、軟件應用層構成,如圖1所示。

圖1 平臺總體架構圖

通過遙感、物聯網、數據采集終端等采集草原生態數據,經數據匯集交換系統同步、清洗,生成可使用的數據格式,儲存到管理系統的數據倉庫,并根據基礎庫和業務庫分類管理,然后通過數據智能分析系統發現業務規律,通過算法與模型解決業務問題,再運用圖形及顏色等可視化技術使數據信息易讀、易識別、易理解,根據不同的使用場景如手機端、電腦端和大屏進行操作。

2.1.1基礎設施即服務層(IaaS)

基礎設施即服務層主要是保障平臺運行的軟硬件及網絡環境等[6],充分利用自治區林草局已有的基礎設施、網絡、物聯監控等基礎設備,并根據項目建設進行設備擴展。

2.1.2數據即服務層(DaaS)

按照國家林草信息化建設中對數據庫規劃建設內容,草原生態大數據平臺實現試點區域草原資源數據的集成管理,并根據草原資源共享應用的需要,將資源層的各種基礎空間數據進行抽取、轉換和定制,形成面向不同專題的數據服務,為資源共享平臺提供數據支撐。

2.1.3平臺即服務層(PaaS)

實現對各類資源的管理以及各類草原資源服務以及外部公共基礎數據服務有效聚合,形成資源數據服務、功能服務的集成管理,并基于二維地圖引擎、機器學習引擎為核心,實現草原資源展現、定位管理、綜合查詢服務等,為應用層各類應用提供共享服務的應用展示和共享服務資源的展示支撐。

2.1.4軟件即服務層(SaaS)

以草原資源綜合數據庫為支撐,對草原資源進行數據抽取、復合、統計、挖掘等,以專題圖、統計表格、二三維展示等表現形式,直觀、準確、動態地展示草原現狀、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管成果的應用需求。

2.2 功能模塊構成

平臺主要由3類功能模塊構成,分別是生態數據倉庫、生態監測和草畜平衡管理,如圖2所示。

圖2 平臺功能模塊構成示意圖

3 平臺功能分析

3.1 生態數據倉庫

3.1.1公共基礎數據庫

包括基礎地理、遙感影像、社會經濟、氣象、土壤、道路、地理等數據。完善基礎地理數據庫,擴展遙感影像數據庫,包含多源、多時相、多分辨率的海量遙感數據;收集社會經濟數據庫,包含人口、交通、經濟產值等數據;完善氣象、土壤、水資源等數據。

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

(2)土壤資源數據:依托龐大的土壤樣本庫,在類型基礎上,針對化驗指標自動判別土壤營養元素含量豐缺,實現智能配肥,作為生態修復配方施肥的依據。

(3)氣象數據:基于大量歷史數據,能實現精度5 km,時間15 d的氣象預測,為草原返青、產量等生態指標估算提供數據依據,指導草原科學合理生產。

(4)地理生態數據:精準化、智能化判別土地利用類型,自動統計任意時間、任意區域地貌、坡度、生態資源類型的分布和面積。

3.1.2生態基礎數據庫

完善草原數據庫,包括各種調查數據、植物物種、退化數據。

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

(2)草原利用數據:結合圖像的紋理、顏色及其他特征,實現智能提取草原“三化”、國家級自然保護區、礦山、打草場等分布。

(3)植物資源數據:擁有鄉土植物種質資源庫,采集植物種質資源5 605份、植物標本33 756份,已成熟應用到各類工程項目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據庫,細分植物與人、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,結合生態修復可以做到在推薦修復植物的同時,檢索修復植物生態功能,增加生態修復的經濟價值。

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

3.1.3生態專題數據庫

包括工程管理、科技創新、災害管理等方面的數據。完善政務服務數據庫,包含行政執法數據等;建設工程管理數據庫,包含草原修復等數據;完善災害管理數據庫,包含防火數據、有害生物數據等;建設科技創新數據庫,包括生態定位監測數據等。

3.1.4目錄與元數據庫

包括各類生態數據庫的目錄和元數據,與相應數據庫同步建設,方便用戶檢索、查詢、使用各類數據。

3.1.5運行支撐數據庫

包括各業務應用系統的使用單位、部門、用戶、角色、日志等數據,在系統應用范圍擴展時同步完善。

3.1.6標準與規范庫

包括平臺基礎設施、信息資源、業務應用、安全管理等方面的標準與規范,在現行標準的基礎上繼續完善。

3.2 生態監測

建立衛星、無人機和地面相結合的“空天地人一體化”草原監測體系,提供牧草返青、植被蓋度、草產量、沙地等變化。衛星記錄草原生態“底片”,發生的任何生態變化都可通過遙感解譯、反演和比對,完成對生態變化的取證和效驗,從而實現及時、快速、準確的草原生態監測監管,第一時間提供決策依據。

3.2.1返青監測

利用氣象數據,結合土壤墑情數據,建立不同草原類型返青期預測模型,在連續地理空間上對未來草原的返青期進行預估,并根據實地調查或視頻傳輸圖片數據對返青期模型預報結果進行修正和驗證。每3 d發布數據,預測未來兩周一公里范圍返青時間段,自動推送至PC端或APP,指導合理規劃放牧及休牧時間。

3.2.2植被蓋度監測

基于遙感監測NDVI和定標采集數據,構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,對比統計各級行政區域蓋度值,揭示逐月變化,作為準確評價草原生態狀況的依據。

3.2.3草產量監測

基于遙感監測NDVI、氣象數據和定標采集數據,構建不同草原類型牧草估產模型,遙感定量反演草原牧草產量?？刹檎夷骋坏攸c具體的草產量,提前15 d預測草產量,對比統計各級行政區域草產量,揭示逐月變化,準確判斷載畜量及購買飼草料的數量。

3.2.4沙地監測

自動檢測多期數據遙感數據,置入不同遙感數據源解譯模型,實現自動識別草原退化、沙化、鹽漬化及礦山分布,并同時統計變化面積。

3.3 草畜平衡管理

通過動態監測數據,結合歷史數據,應用機器深度學習方法,預測當年產草量,以推算出不同草原類型、不同時間的合理載畜量,再結合對草原生態狀況的評估,評價其草場的利用強度。

3.3.1合理載畜量計算

基于家畜數量以及飼喂狀況等基本生產經營情況,通過遙感監測放牧場、打草場草地生產力,結合當地合理載畜量計算標準,疊加牧戶確權界限,可實現以戶為單位計算草地載畜能力,提出合理的家畜飼養規模。

3.3.2過牧預警

綜合植被蓋度、產量、多樣性等指標,建立不同草原類型的生態閾值,對每一牧戶放牧方案進行動態管理,準確測算利用強度,提前估算養殖量是否超過變動警戒線,自動推送監管部門及牧戶休牧、禁牧、減畜及恢復時間的通知。由生態閾值判定草畜平衡的狀況。

3.3.3合理打草管理

推廣科學合理的打草場管理制度,推薦合理打草時間,實施科學留草帶制度,保證合理留茬高度,在現有草場生產條件下,依據土壤檢測數據,配方施肥培育草場,基于大數據平臺識別的中度重度退化草原,可實施免耕補播,增加草地生產能力以及牧草質量,增加草地利用效率。

4 平臺可用性分析

4.1 遙感數據處理

平臺中數據涉及大量的遙感數據,在云平臺環境支撐下,在不同的工序節點經過不同的處理,通過人員的協作、任務流和數據流的流轉,經數據的生產、上傳、審核、發布、可視化等一系列標準過程,生成最終的遙感信息產品的過程。分布式協同生產控制的整體框架可以實現跨部門、跨地域,以有效的協調方式響應用戶需求,提高生產應變能力和生產的敏捷性。遙感影像處理及產品智能生產需要依據任務類型、資源與環境需求、優先級、時間要求節點等特點,計算節點的CPU/GPU數據、運行負載、內存及網絡狀況以及其它自定義約束對作業/任務進行調度,充分挖掘系統整體的計算能力,提高數據處理服務的吞吐量。

4.2 數據挖掘技術

當全區數據生產完成后,各市、縣、鄉鎮數據專題圖及統計結果自動輸出,用戶可隨意切換。無需切割整體數據,同一數據可按不同行政區域檢索、調用及計算。用戶可根據拾取的坐標點或繪制矩形等方式檢索出該位置所有入庫的數據值,打破同一平臺不同模塊之間的數據壁壘,體現生態資源數據環環相扣、休戚相關的特點。

4.3 數據精確性

本平臺數據獲取技術主要包括感知技術(傳感器、遙感技術等)、識別技術(RIFD、光譜掃描、檢測技術)、移動采集技術(智能終端、APP)等,結合實地調研、物聯網技術和地面監測技術等手段對獲取的數據進行精修,進一步提高了數據源的精確性。

4.4 數據有效性

平臺數據采用實時更新、全部更新、增量更新等方式,針對不同類別的生態數據,選擇符合其特點的方式進行更新。此過程遵照統一的信息分類與編碼標準、數據采集標準、數據入庫標準,對各類生態數據進行采集、檢查、修改、復核、入庫等處理,形成符合標準、可共享的各類生態數據。

5 結論

草原承載著整個國民經濟的基礎產業,直接關系到國家的糧食安全、食品安全和生態安全,內蒙古草原大數據監管與服務平臺的建設將對內蒙古自治區乃至全國的生態健康持續發展和社會發展產生重要的影響。在平臺的引導下,轉變傳統的數據庫管理模式,通過整合行業離散數據,解決草原生態數據量大、面廣、資料無從查找等問題,制定統一的數據標準。借助云計算、互聯網+、物聯網技術建設面向公眾的智慧共享平臺,進行生態建設技術集成及科研成果快速轉化,推動產業化發展,用數據來說話、用數據來管理、用數據來決策、用數據來創新。它是一個導航器,指導農牧區經濟合作,組織規?；a企業科學合理地利用生態資源;它也是一個工具箱,使草畜平衡做到精準,達到生態自然平衡,為內蒙古生態保護、產業化應用開辟新途徑。