水土保持碳匯項目管理信息系統的開發探索

吳 勇，倪友聰，鄒海威，曹正金

（1.福建師范大學地理研究所，350117，福州；2.福建師范大學計算機與網絡安全學院，350117，福州；3.福建數智碳索科技有限公司，350116，福州；4.福建省長汀縣水土保持站，366300，長?。?/p>

在福建省長汀縣羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯項目開發過程中，項目團隊嘗試運用衛星遙感技術、激光雷達和人工智能等先進手段與部分傳統監測手段相結合解決“點—面”的核算困境，實現了長汀水土保持試點區域的實景三維建模、多源異構數據入庫以及試點區域項目信息化平臺原型系統的構建。在此基礎上，形成了“項目業主服務端+主管部門管理端”的雙端管理模式，實現了多源數據整合、業務管理數據有序以及出具管理過程數據便捷的目標，對于提升水土保持碳匯項目管理水平具有重大意義。

一、水土保持碳匯項目管理信息系統的整體架構

1.主要挑戰

（1）碳匯數據獲取與整合難度大

水土保持碳匯主要是由植被和土壤碳庫組成，甚至還要考慮水體碳庫。因此，水土保持碳匯項目管理信息系統需要聚合土壤數據、林草生長數據和管理數據等。從數據獲取方式所帶來的數據類型來看，包括人工采集記錄的數據、遙感影像和激光雷達等空間數據、物聯網監測流式數據，還有管理部門的監管數據。因此，從數據的來源和組成來看，水土保持碳匯的數據是多源異構的，并且數據要滿足項目業主、項目咨詢方、項目監管方和交易市場等多主體的需求，需確保數據的準確性和完整性。

（2）碳匯數據核算與分析效率低

傳統的監測與核算方法主要是通過專業技術人員到項目樣地中設置標準樣方進行數據采集、紙質記錄，并采用通用經驗模型進行統計計算，存在效率低、成本高和精準性差等問題。為了提高工作效率，水土保持碳匯項目管理系統需要整合碳匯量的監測技術、數據傳輸與通信技術、地理信息系統技術、數據安全存儲與應用技術等綜合應用，各項技術對數據的處理環環相扣，方法和原理迥異，專業性強，系統開發和應用需要將各項技術有機融合起來，為碳匯項目的開發提供技術保障。

（3）利益相關方對系統協作要求高

碳匯項目開發的過程較為復雜，各個環節的數據相互關聯，數據聚合展示效果差，管理精細化程度低。項目業主是項目開發的主體，是各項治理工作的推動者和記錄者，是典型的數據輸入者和生產者。咨詢單位協助項目業主保障項目開發符合碳匯管理要求，是數據獲取和使用方之一。第三方為項目提供審定和核證工作，在工作中將對項目開發全過程數據進行核證，是項目真實性、可靠性的重要技術保障。政府機關作為項目的信用擔保方，需要對數據的真實可靠性進行復核，而其重要依據是項目業主和第三方的工作。政府的信用擔保為項目成功進入碳交易市場提供堅實保障。系統的有效運轉和真實可靠促進各方積極參與和協作，是系統成功的關鍵。

2.建設目標

將數據的格式、數據的質量和數據的存儲等進行統一標準化，通過構建統一的數據庫，將各類多源異構的碳匯數據進行整合入庫，以提高數據的準確性和完整性。建立統一的信息化平臺，在碳匯核算方面嵌入人工智能和區塊鏈技術，實現碳匯項目設計文本的部分智能化以及數據的可追溯性，以提高碳匯數據核算與分析的效率。提供友好的用戶交互界面，以方便不同用戶獲取和使用數據，比如業主和咨詢方的數據錄入，核證方的查驗，主管部門的審批和管理，碳交易市場及相關方面的驗證、查閱和交易等，通過聚合的可視化平臺使人員減少不必要溝通，有效降低項目協作成本。

3.系統總體框架與功能

圍繞建設目標，綜合利用GIS地理信息技術、物聯網技術和區塊鏈等新一代信息技術構建水土保持碳匯項目的管理信息系統，為項目業主、主管部門提供高效、便捷、易操作和可視化的高質量信息服務。系統總體架構主要包括基礎設施層、應用支撐層、業務層和應用層等（見圖1）。

圖1 水土保持碳匯項目管理信息系統總體架構

（1）基礎設施層

基礎設施層主要由感知設備、計算設備、網絡設備和存儲設備組成。感知設備主要包括各種水土流失監測設備、植物生理生態采集設備和環境監測設備等常見物聯網設備，以及衛星、無人機和雷達等空間遙感設備。計算設備主要包括支持安裝部署平臺軟件及基礎支撐軟件的應用服務器。存儲設備主要包括數據庫服務器、文件服務器和NAS服務器等存儲設施。網絡設備主要包括核心交換機、路由器、網橋和防火墻等網絡專用設備。

（2）應用支撐層

應用支撐層主要由物聯網、GIS空間、工作流、區塊鏈加密、公共服務等引擎模塊組成。

物聯網引擎主要是實現支持多種物聯網設備的融合接入，實現設備和數據的統一管理和服務，提供豐富的場景服務組件，減少重復性開發，提高開發效率和質量；提供統一的事件中心和跨應用的場景聯動，實現業務邏輯的靈活配置和執行；提供API網關和數據訂閱，實現能力的共享和輸出，支持多種方式的應用集成和對接。

GIS 空間引擎提供訪問空間數據庫的統一接口，支持多種碳匯空間數據格式，如Shapefile、TIFF、LAS等，以及多種空間數據庫，如Oracle Spatial、PostGIS、SQL Server Spatial等；提供碳匯空間數據相關的空間索引和空間分析等功能。

工作流引擎提供業務流程定義和業務流程執行分析等功能，可通過圖形化界面或者編程定義碳匯業務流程的各個步驟、條件、分支、循環等，以及每個步驟的執行者、輸入、輸出、事件、操作等；支持根據定義好的業務流程，自動或者半自動地調度和執行各個步驟，監控和記錄流程的狀態和數據，處理流程的異常和錯誤，以及提供流程的分析和優化等。

區塊鏈加密引擎通過多種加密算法，如對稱加密、非對稱加密、哈希函數、零知識證明等，滿足不同的數據安全需求，支持多種數據類型，如文本、圖片、視頻、音頻、文件等，實現數據的多樣化和豐富化；支持多種數據操作，如查詢、檢索、分析、轉換、共享等，實現數據的動態化和智能化；支持多種數據場景，如云存儲、物聯網、大數據、人工智能等，實現數據的跨域和協同。

公共服務引擎通過統一的身份認證管理，提供多應用多層次的權限配置服務，支持數據級和功能級的訪問日志管理，提供郵件服務管理、文件管理以及第三方推送服務的管理。

（3）業務層

業務層主要由項目管理、咨詢管理、核算管理、審定管理、核證管理、經營管理、監管管理和宣傳管理等業務模塊組成。

項目管理包括水土保持碳匯項目的基礎數據管理、項目關聯方管理、項目設計審查、合同管理和文檔管理等核心功能。咨詢管理為咨詢方所需的核心業務服務，具體包括項目設計文件的導覽式設計、專家知識庫提示和項目設計文檔輸出等核心功能。核算管理以方法學為指導核算體系配置服務，具體包括方法學分類管理、方法學公式配置管理、小流域水土保持碳匯核算模型管理和小流域水土保持碳匯預測模型管理等核心功能。審定管理提供審定方所需的業務服務，具體包括項目審定關聯管理、項目審定單位管理和審定校驗管理等核心功能。

核證管理提供核證方所需的業務服務，具體包括項目核證關聯管理、項目核證單位管理和核證監測管理等核心功能。監管管理為主管部門提供監管所需的業務服務，具體包括項目信息變更監管、項目數據變更監管、項目經營監管、項目審定監管、項目核證監管和項目交易監管等核心功能。宣傳管理提供碳匯現狀管理、碳匯能力評估管理、碳匯建議管理和統一宣傳內容管理等核心功能，以及滿足相關利益方的宣傳需求。

（4）系統應用層

系統應用層主要由項目業主端和主管部門端應用組成。

項目業主端包含項目經營系統、咨詢方系統、審定核證系統和碳匯可視化系統。項目經營系統為項目業主提供詳細經營活動真實記錄；提供項目立項申報、經營活動記錄、空間數據、監測數據以及文檔資源的統一管理；支持業主選擇聘請咨詢機構、審定和核證機構；支持全流程項目申報到交易上報備案，可以選擇是否開通咨詢方系統，含有咨詢方的所有功能。咨詢方系統為項目業主和第三方咨詢機構，提供編寫項目開發設計方案規劃輔助功能；支持方法學選擇或者專家知識庫配置，提供智能碳匯核算預測；提供實施監測工作編寫和監測報告導出并可提交到主管機構和交易市場。審定核證系統為項目審定方和核證方，提供水土保持碳匯項目審定業務管理，審定方和核定方可根據其不同業務需求，一鍵調取項目所有相關數據，具體包含項目的基本信息、空間地理信息和文件證明等各項不可篡改的數據；在此基礎上，按照標準化流程實現其獨立第三方的業務工作。碳匯可視化系統以二三維一體的三維底圖從時域和空域方面融合展示水土保持碳匯項目的全要素信息，為管理者提供直觀的項目統計指標以及項目實時進展狀態詳情，同時可面向參觀者提供一體化的宣傳服務。

主管部門端包含項目經營監管系統、項目綜合查詢系統、宣傳公共服務系統、碳匯經營模擬系統和后臺管理系統。項目經營監管系統為主管部門各級業務專員提供其轄區內各項目業主所有水土保持碳匯項目的經營監管，具體包括從項目的立項、審批、審定、核證到交易的全流程信息統一匯總及審批監管。項目綜合查詢系統為項目核證方、投資方和交易機構提供轄區內水土保持碳匯項目詳實資料查閱，根據需要支持出具相應報告并提供導出功能。宣傳公共服務系統向公眾提供轄區內水土保持碳匯現狀、開發潛力和建議報告，為項目投資方和交易機構提供轄區內生態系統基本碳匯信息；支持向公眾展示水土保持碳匯成效等公共服務。碳匯經營模擬系統通過模擬不同情景下的碳匯發展情況，為碳匯項目投資方和交易機構提供轄區內碳匯項目的構建與發展情景；面向公眾提供參與水土保持工作及碳匯項目的模擬。后臺管理系統為管理部門系統運維人員，包含專家知識庫管理、素材庫管理、數據配置管理、日志管理和統一的用戶功能權限配置等功能。

二、羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯項目應用情況

1.項目簡介

長汀水土保持碳匯試點項目在全面調查羅地河小流域2001年以來的水土流失治理情況、監測主要水土保持措施碳匯指標的基礎上，構建水土保持項目碳匯監測與核算方法和指標體系，為實施水土保持項目碳匯動態監測和評價提供技術和方法，為水土保持項目參與碳排放權交易與研究制定相關規則提供理論和方法支撐。其中，收集了包括項目區小流域崩崗調查歷史資料，確定了項目邊界、統計指標體系等項目基礎資料，并進一步通過試驗樣地的布設、生物量和有機碳調查以及水土保持措施保碳效應分析，得到關于試點項目碳匯的相關數據。在此基礎上，取得了2022年羅地河小流域碳儲量空間分布、碳儲量和碳密度的時間變化特征、各治理措施碳儲量與碳密度變化特征、羅地河小流域碳匯能力變化情況等一系列成效報告。

在羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯項目開發過程中，項目團隊嘗試運用衛星遙感技術、人工智能和區塊鏈等先進手段替代傳統監測方法，將水土保持碳匯項目管理信息系統應用到該項目中，解決了碳匯數據獲取整合難度大、碳匯核算與分析效率低以及水土保持碳匯項目參與各方協作難等問題。在此基礎上，形成了“項目業主服務端+主管部門管理端”的雙端管理模式，實現了以羅地河小流域綜合治理為案例的多源數據整合、業務管理數據有序以及出具管理過程數據便捷的目標，對于提升水土保持碳匯項目管理水平具有重大意義。

2.項目業主服務

（1）項目咨詢方系統

羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯項目由福建師范大學和福建森林碳計量技術開發應用工程研究中心提供技術咨詢服務。結合現行國家核證自愿減排量（CCER）的基本要求，聯合水利部水土保持監測中心等單位制定了《南方紅壤區小流域綜合治理水土保持碳匯方法學》，并將碳匯核算相關參數和檢測方法固化到系統中，嚴格按照方法學要求實現了項目設計文件（PDD）半自動化編寫，包括項目概述、計劃、減排量計算等。遴選第三方核準認定機構（DOE）審定，確保項目滿足減排和方法學要求，編寫審定報告，生成備案材料等，提交項目資料至主管機構，通過評審會獲得項目備案，獲得相關碳匯出售資格。

（2）項目經營方系統

項目業主通過系統可實現項目全過程開發，也可通過給咨詢機構開通賬戶，用于委托碳匯項目開發的全過程咨詢服務，比如錄入水土保持的治理過程，項目地實景以及相關數量等?？梢允跈嘧稍兎介_展項目的監測等工作，編寫監測報告，委托業務咨詢方聘請審定和核證機構，即委托水利部水土保持監測中心對項目進行審定和核證工作。同時，也可以委托咨詢方進行項目申報和交易資格申報，咨詢機構向主管部門福建省水土保持監測站申報該項目，由廈門市碳與排污權交易中心進行登記出售。

（3）宣傳窗口

羅地河小流域綜合治理項目實現了實景三維建模，從時域和空域方面融合展示水土保持碳匯項目的全要素信息。管理者可以便捷查詢和統計項目的各個統計指標，實時展示碳匯項目的進展情況等。同時，可面向參觀者提供一體化宣傳服務。

3.主管部門服務

福建省水土保持監測站和龍巖市水利局作為該項目的主管部門，能夠詳細查閱項目所有數據，并對其是否符合交易基本需求作出研判。核證部門和項目業主對數據準確性和可靠性負責，主管部門可以根據實際情況對項目進行批復登記，并授權給交易機構進行交易登記。

三、存在問題及相關建議

雖然該系統在羅地河小流域碳匯開發中，實現了項目的數據管理、碳匯數據自動核算、區域碳匯數據的立體呈現，同時探索了“項目業主服務端+主管部門管理端”的雙端管理模式，但目前案例較少，系統還存在以下問題待持續完善。

1.算據基礎需進一步夯實

羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯監測感知體系包括不同林草措施的生物量監測感知系統、林內外氣象監測感知系統、大氣與林草措施的碳通量監測系統、土壤呼吸監測系統、泥沙流失量智能監測系統、視頻監控系統等。試點項目中，羅地河小流域設立監測樣地34 個，其中包含26 個馬尾松樣地（含禁封治理等）、5 個板栗樣地、2 個楊梅樣地、1 個未治理地（基線情景），本次監測采用激光雷達和遙感影像進行林木生物量探測，因為時間緊、經費緊張等，未開展其他系列以碳動態為線索的實時監測。按照工作計劃，作為水土保持碳匯監測示范樣地，還會有大量的安全監測監控設備、網絡視頻監視設備。這些監測樣點為實現羅地河小流域綜合治理的生態恢復成效評估和碳匯實時動態監測提供了重要信息源，也能為羅地河小流域綜合治理水土保持碳匯的數字孿生系統建設提供重要基礎保障。但與數字孿生小流域及水土保持碳匯的實時動態監測目標中物理流域全要素數字映射要求還存在差距。若要進行水土保持碳匯開發示范，應對原有碳動態和水利感知網進行改造、升級、補充和完善，同時結合碳動態檢測設備，加強衛星遙感、高清視頻等新型監測手段應用，提升流域水利管理活動和生態恢復情況的動態感知能力，滿足水利及水土保持碳匯開發業務對數據和信息在空間尺度、時間頻次等方面的需求。

2.算法模型需更加優化

羅地河小流域在水土保持碳匯方面已建設有小流域水土保持碳匯核算模型和小流域水土保持碳匯預測模型等，但因缺乏監測設備的碳相關實時數據，從而導致業務模型仿真度不高。例如，現有數據只是治理過程中的一個面板數據的分析，難以描述水土保持工作實施過程中生態恢復的動態特征和不同水土保持措施的碳匯變化規律等，為該流域水土保持碳匯下一階段的開發和項目碳匯收益的預測帶來較大難度，也難以為碳匯水土保持提供科學數據支撐。

3.算力水平需持續提升

羅地河小流域目前還沒有完整的水利業務網，項目團隊為了滿足水土保持碳匯項目順利開展和數據的真實性僅開發了一套水土保持碳匯項目管理信息系統。但為了達到小流域水土保持碳匯開發的示范作用，以及作為水土保持碳匯研究的重要基地，隨著后期羅地河小流域綜合治理生態恢復數字孿生系統的新一輪建設，需要更高的算力水平；同時，隨著美麗中國建設的持續推進，結合小流域生態綜合治理和生態恢復及碳動態的實時動態監測需要，應進一步完善業務網絡，適當補充計算和存儲資源。另外，隨著水土保持碳匯開發項目持續推進，項目數量和各類數據不斷增加，未來整體系統無論存儲能力還是算力水平均需持續提升。