我国智慧水土保持体系初探

朱清科,马欢

(北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京)

我国智慧水土保持体系初探

朱清科,马欢

(北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京)

智慧地球战略已经得到了各国的普遍认可,并被广泛应用于水利、林业、交通、电力、环境保护、旅游等不同行业。为了促进水土保持科学与技术发展,亟需开展智慧水土保持体系研究。本文在提出智慧水土保持的概念和总体构架的基础上,比较分析智慧水土保持与数字水土保持的异同,论述智慧水土保持体系建设的关键技术和我国智慧水土保持体系建设的基础,阐明智慧水土保持体系的建设目标、原则和建设内容。智慧水土保持的目标是建立动态反馈、智能决策的水土保持发展新模式。建设内容主要有水土流失监测终端物联网、高速互联网、数据库、水土流失综合防治决策系统、一体化管理系统、数据安全应急系统和对外公众服务平台等7方面。

智慧水土保持；系统构建；信息化；一体化；智能决策

随着新技术的不断发展和人民生活水平的不断提高,实现更便捷、智能、优质的生活环境成了各国政府追求的目标。2008年11月,IBM首席执行官彭明盛首次提出了智慧地球的新理念,指把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中,并且被普遍连接,形成所谓物联网,然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。近年来,智慧地球已得到各国的普遍认可和重视,并引发了世界各地智慧城市建设的热潮[1-3]。 在智慧城市建设的过程中,与其息息相关的云计算、物联网等技术也得到了空前的发展,并在水利、林业、交通、电力、环境保护、医疗、旅游等不同科技发展过程中广泛应用[4-11]。智慧地球和智慧城市的建设、技术的进步和智慧化理念的不断深入都推动了智慧水土保持体系的建设。我国水土流失严重,其成因错综复杂,严重影响我生态安全和生态文明建设；而水土保持又是一项综合性很强的系统工程,需要综合多学科、多尺度、多部门进行。为了满足人民群众日益增长的对生态环境的要求以及对党的“十八大”提出生态文明建设的响应,急需建设数据共享、智能决策、响应迅速的新型水土流失预防监督体系。智慧水土保持因其数据监测的时效性、决策的智能性、防灾预警的及时性等特征,将会使我国水土保持工作迈向新的台阶。

1 智慧水土保持体系总体架构

智慧水土保持是在智慧地球和智慧城市的建设背景下,把传感器和装备嵌入到各种水土保持因素监测设备中,实现水土保持监测物联网,再借助物联网、云计算、大数据挖掘等新技术,组合连接监测设备物联网、互联网和人类社会,对水土保持监测要素实现数据智能识别,对监测数据即时传输和系统存储,对海量数据智能挖掘和模拟仿真,以更加精细、及时、动态、开放的方式实现水土流失预防监督和水土流失综合治理方式的决策。

智慧水土保持体系的总体构架包括横向的物理层、数据层、运算层、应用层和纵向的系统安全维护体系、水土保持数据标准化体系(图1)。

1.1 物理层

图1 智慧水土保持体系主体架构Fig.1 Framework of smart soil and water conservation

物理层是智慧水土保持的基础,主要进行水土保持监测数据的智能化采集,简单的处理和数据的传输、贮存。实现水土保持决策体系和水土保持目标客体的互联感知。采用3S技术、自动识别摄像、物联网、高速移动互联网等技术手段,智能感知和高速贮存气象、地形、水文、植被等水土保持基础监测信息。

1.2 数据层

通过物理层获取到的数据在数据层进行系统贮存,数据层为智慧水土保持提供即时有效的数据来源,全面支撑智慧水土保持的各项应用。数据层主要通过水土保持信息化建设,建成水土保持基础数据库、业务数据库和元数据库[12-14]。

1.3 运算层

运算层是智慧水土保持的中枢,主要运用云计算、大数据挖掘、系统仿真模拟、人工智能的技术手段对收集到的基础数据进行信息加工、海量数据处理、业务流程规范、数表模型分析、智能决策、预测分析等,主要包括水土保持数据云计算、水土流失模型模拟、小流域治理智能规划和专家决策系统等,最终使水土保持实现科学化、集约化和智能化。

1.4 应用层

应用层是智慧水土保持建设与运营的目标和核心,主要进行信息集成共享、资源交换、业务协同等,为智慧水土保持的运营发展提供直接的服务,主要服务对象包括水土流失监测网站、数字土壤侵蚀数据网站、水利环境部门网站、智慧水土保持决策平台等,主要建设平台有水土流失综合治理决策系统、小流域治理规划系统、山地自然灾害防治系统、水土保持林规划设计系统等。

1.5 系统安全维护体系

系统安全与维护体系是智慧水土保持建设与运营的重要保障。系统安全维护体系主要包括3部分:物理设施安全、系统数据安全和保障维护体系建立。物理设施安全需要保证在智慧水土保持运行的过程中物理设备的完备性不受影响,如野外监测设备需要采取防护措施以保证不被野生动物破坏,网络传输线路不受人为破坏等。系统数据安全主要指在智慧水土保持体系运行过程中数据和支撑系统的完备性。需要加强数据备份系统和数字认证,建立各水土保持部门的认证体系,保障信息安全。保障维护体系主要指建立完整的信息安全组织体系,确立组织机构和岗位职责,加强对技术人员的技能培训,同时要建立起故障发生后的快速响应机制以确保智慧水土保持安全、高效的运营。

1.6 水土保持数据标准化体系

水土保持数据标准规范体系是智慧水土保持建设和运营的重要支撑保障体系,完整的标准化体系应该涵盖标准以及标准制定、运行和管理的整个过程[15],其主要包括智慧水土保持总体标准、信息资源标准、应用标准、基础设施标准和管理制度建设。总体标准水土保持信息化建设中的总体性、框架性和基础性的标准,是标准规范体系建设中其他标准制定的基础,包括信息标准化指南、信息术语、信息文本图形符号等标准。智慧水土保持信息资源标准主要包括水土保持信息分类与编码、数据处理与交换、数据库表结构与标识符、数据访问、元数据等方面的标准,促进信息资源标准化、规范处理和整合。用于规范数据库建设中基础地理、预防监督、综合治理、监测评价等信息标准化入库的标准,对数据内容、数据结构、数据组织形式、数据文件命名及元数据等进行规范。智慧水土保持应用标准主要用于规范水土保持信息资源应用的标准,包括业务应用系统流程、业务应用技术规程、信息资源成果文档格式、信息资源目录和交换体系等方面的标准。智慧水土保持基础设施标准用于规范为数据库和应用系统建设提供基础支撑作用的标准,包括信息安全基础设施建设和计算机设备建设的标准,规范身份认证、网络信任、应用与备灾、网络基础设施建设、机房及配套设备建设等。管理制度建设用于规范水土保持信息化建设中的基础设施、数据库、应用系统建设的技术和运行的制度,包括工程建设管理办法、系统运行管理办法和制度、系统运行维护流程等。

2 智慧水土保持与数字水土保持

数字水土保持是近年来我国在水土保持信息化建设的基础上有学者提出的概念,数字水土保持被定义为按地理坐标对水土保持要素状况的数字化描述和处理[16],数字水土保持是数字地球概念的延伸[17],主要面向水土保持数据管理工作,其主要特征是数字化、互联化、智能化,它的建成为水土保持信息化建设提供一个更广泛、更形象化的信息处理环境及支撑系统,为智慧水土保持的发展奠定了基础。智慧水土保持的主要目标和服务功能是面向综合决策,主要以新兴的物联网、云计算、人工智能等技术为支撑。

在应用方面,数字水土保持主要是对水土保持要素数字化描述和处理,按照数字信号对水土保持相关信息进行收集、分析、存储、传输和应用,为水土流失监测预报、预防监督、水土保持规划设计和综合治理等提供技术支撑和决策支持信息。而智慧水土保持着力于构建体系化的水土保持监测感知平台,实现对水土流失的实时感知和监控,实现对山地自然灾害风险的智能预防和控制,直接参与相关决策制定,构建智慧化的水土保持发展模式,打破了层级界限,实现水土保持基础数据的高效共享和充分利用。数字水土保持是实现智慧水土保持的基础,智慧水土保持是水土保持信息化的更高形式。

3 关键支撑技术

3.1 物联网技术

物联网就是物物相连的互联网,其核心和基础仍然是互联网技术,是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术。物联网技术是指通过信息传感设备和约定协议,将物品与互联网相连接,开展通讯和信息交换,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理。物联网主要由感知层、网络传输层和信息处理层组成。物联网用途极其广泛,遍及交通、安保、物流、环保、监测、医疗等多个领域。

3.2 云计算

云计算是分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡、热备份冗余等传统计算机和网络技术发展融合的产物。云计算作为新型计算模式,可以应用到智慧水土保持决策服务方面,通过构建高效可靠智慧水土保持云计算平台为水土保持综合治理规划智能决策提供计算和存储能力。

3.3 3S技术

3S技术是遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)的统称,在水土保持及各学中已得到广泛应用。

3.4 大数据分析

大数据分析是指在合理时间内对规模巨大数据进行分析的过程。大数据可以概括为4个V,数据量大(volume)、速度快(velocity)、类型多(variety)、真实性(veracity)。随着信息技术在水土保持行业的应用及水土保持管理服务的不断加强,大数据技术在水土保持领域的应用也是不可或缺的。

3.5 高速移动互联网技术

主要指Wifi网络建设、4G高速移动互联网建设、光纤高速互联网、IPV6协议等下一代互联网建设,是一种新型的数字通信模式。广义的移动互联网是指用户使用蜂窝移动电话、PDA或者其他手持设备,通过各种无线网络,包括移动无线网络和固定无线接入网等接入到互联网中,进行话音、数据和视频等通信业务。随着无线技术和视频压缩技术的成熟,基于无线技术的网络视频监控系统,为水土保持工作提供了有力的技术保障。基于3G、4G技术的网络监控系统需具备多级管理体系,整个系统基于网络构建,能够通过多级级联的方式构建一张可全网监控、全网管理的视频监控网,提供及时优质的维护服务,保障系统正常运转。

3.6 水土流失预测及治理决策模型构建

集合大量的水土流失预测模型和气象预测模型,结合基础数据库,进行大数据挖掘和模拟,通过人工智能决策和系统虚拟仿真,预测不同条件下的水土流失强度,对水土流失的防治、山地自然灾害的防控进行智能规划和模拟,最终选择最优决策。

4 智慧水土保持建设基础

随着计算机网络和空间技术的应用和发展,我国信息化建设不断加快,目前智慧水土保持建设已初具条件,建设现状主要体现在以下4点[14]。

4.1 信息采集与存储体系初具规模

目前我国已经建成了水利部水土保持监测中心、7大流域机构水土保持监测中心站、30个省(自治区、直辖市)水土保持监测总站和新疆生产建设兵团水土保持监测总站、175个水土保持监测分站和738个水土流失监测点,形成了泥沙、径流、降雨、土壤、植被、土地利用等信息采集体系；省级以上水土保持部门的各类在线存储设备的存储能力不少于200 TB。据不完全统计,截至2011年底,全国省级以上水利部门建成的水土保持数据库数据总量已超过10 000 GB,数据内容涉及土壤侵蚀、综合治理、预防监督、定位观测、法律法规、重要文件等方面。

4.2 业务应用系统开发不断深入

全国水土保持监测与管理信息系统以开发建成,在水利部、7大流域机构、31个省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团水利信息中心安装部署,初步形成了全国水土保持应用系统平台。建成了长江上游滑坡、泥石流预警管理信息系统、黄土高原淤地坝信息管理系统、松辽流域水土保持监测与管理信息系统等一系列专业化的应用管理系统。水土保持公务管理系统的广泛应用,促进了水土保持行政职能、办公方式和服务手段的转变,大大提高了工作效率。

4.3 信息服务社会能力逐步提高

水土保持门户网站是已成为水土保持管理部门向社会发布大量及时、翔实、可靠的水土保持信息的平台,水利部从2003年起,连续发布年度《中国水土保持公报》,长江、黄河、松辽水利委员会也相继发布了流域水土保持公报,引起了社会各界的高度关注,为全国水土保持生态建设、水土流失灾害监控、生态环境评价和生态服务功能评价提供了基础数据,在政府决策、经济社会发展和公众信息服务等方面发挥了积极作用。

4.4 信息化保障能力日益增强

水利部发布了《全国水土保持信息化发展纲要》、先后颁布了省(自治区、直辖市)水土保持信息系统建设基本技术要求、水土保持术语、监测点代码、信息管理技术规程、数据库表结构与标识符、水土保持元数据等一系列技术标准,发布了《水土保持生态环境监测网络管理办法》《全国水土保持监测网络和信息系统运行管理办法》等一系列规程、标准,进一步夯实水土保持信息化工作基础,推进了信息资源共享。水土保持信息化队伍得到了长足发展。在全国水土保持监测网络和信息系统建设一、二期工程的推动下,全国已有近5 000人的水土保持监测专业技术人员,水土保持信息化队伍初步建成。

5 智慧水土保持体系建设的主要目标、原则和内容

5.1 建设目标

实现水土保持信息实时感知、水土保持管理服务高效协同、水土保持监督执法及时有效、水土保持规划科学智能,实现水土保持客体主体化、信息反馈全程化,最终智慧化的水土保持发展新模式。

5.2 建设原则

1)统筹协调,系统管理。智慧水土保持体系的建立需要在全面考虑不同尺度特征和不同服务客体要求的前提统一设计,明确各部分组件的功能重点,以系统学的方式全面管理。

2)标准引领,技术先进。智慧水土保持体系需要在水土保持信息化的基础上进一步规范制订相关规章制度和技术标准,实现管理科学规范化,提高智慧水土保持体系的应急生存能力。规范和指定相关数据标准和访问协议,实现数据高度共享化,在不同的系统、软件之间可以无缝衔接。

3)产研并进,面向创新。以水土保持重点工程为中心,以实际应用为牵引,在智慧水土保持建设的过程中不断创新,研究新的方法和技术,使智慧水土保持永葆活力。

4)服务为本,推动转型。以面向人的服务为建设智慧水土保持体系的本质要求,全面加快建设物联网、下一代物联网等基础设施,推动由数字水土保持向智慧水土保持的转型。

5)整合资源,共享协同。充分利用国家公共信息网络和水利行业的信息化基础资源,避免低水平的重复建设,通过统一的信息资源共享平台,促进资源共享,节约人力和资金成本,提高水土保持信息的利用效率。

5.3 主要建设内容

智慧水土保持体系的特点就是要在获取大量适时数据的基础上,进行数据挖掘和分析,做出最优的决策判断。近年来,虽然我国水土保持信息化建设取得了巨大成就,但是距实现智慧水土保持还有一定差距,主要体现在:1)水土保持监测终端物联网尚未建成,智能数据采集硬件设施不足；2)技术标准体系建设滞后,影响智慧水土保持体系建设；3)水土保持数据库体系建设亟待完善；4)高速互联网,尤其是高速移动互联网建设还不完善,部分经济落后,水土流失严重的地区暂时还无法覆盖移动数据网络,数据传输无法达到智慧水土保持的要求；5)面向大众和水土保持主管部门的应用平台建设不完善；6)适用于我国主要类型区的水土流失模型、水土保持智能规划系统等应用模型有待进一步系统研究开发。

基于以上现状,总的来说实现智慧水土保持体系,主要应从以下7方面建设:

1)水土流失监测终端物联网构建。水土流失监测终端物联网是实现智慧水土保持的基础,是所有上层组件实现的数据来源,在未来的建设中需要加大投入资金,布设多种功能的数据探测终端,对水土保持基础数据进行智能获取,实现数据监测“可测即可见”,实现对数据的即时响应。

2)高速互联网建设。高速互联网是实现物联网和互联网连接的纽带,在骨干网方面需要进一步建设水土保持光纤网,发展IPV6网络,增大网络带宽以满足日益增加的数据传输的需要。在网络末端,需要加大投入增加4G/3G等移动网络的覆盖范围,同时建设重点水土保持区域的Wifi局域网,实现小区域、小流域范围的物联网。

3)水土保持数据库建设。进一步继续建设和完善水土保持基础数据库、业务数据库和元数据库,加强各级数据可的伸缩性、安全性和共享性,提高数据库的更新和移植能力,优化数据库的组织形式和检索算法,使得数据的应用更有效率,为大数据的挖掘、云计算与决策以及最终的面向公众和部门的智慧服务奠定数据基础。

4)水土流失综合防治决策系统构建。水土流失综合防治决策系统包括水土保持智能监督管理系统、水土流失智能预测系统、自然灾害预警防治系统和水土保持智慧规划系统,是在对水土保持数据进行挖掘和计算的基础上,以众多水土保持模型组件协同仿真模拟,以得出水土流失最优防治模式为目标的系统。未来还需进一步对其中水土保持模型进行完善和标定,开发适用不同尺度范围和地域的水土保持模型,逐步构建完善水土流失综合防治决策系统。

5)一体化管理系统构建。智慧水土保持是一项系统工程,需要各个部分协同工作,建立一体化管理系统主要包括2方面:一是数据管理一体化,需要建立各部门之间统一的软件系统,保证数据的规范化和无缝衔接；二是人员管理一体化,需要建立智慧水土保持各运行管理人员的操作规程一体化、人员培训一体化、规章制度一体化,使智慧水土保持高效运行。

6)数据安全应急系统构建。数据安全是智慧水土保持持续运行的保障,不可抗力的破坏、病毒入侵和黑客攻击都可造成数据的缺失和破坏,需要建立应对数据破坏的应急机制,做好数据和相关系统的备份,确保初具安全。

7)对外公众服务平台构建。智慧水土保持的最终目的是服务大众,对外公众服务平台则是整个智慧水土保持体系的输出终端。需要进一步完善个水土保持部门的门户网站的信息发布功能,在门户网站建设的基础上进一步开发短(彩)信信息、微博、微信等新媒体的主动预警和信息发布功能。

6 结束语

智慧水土保持是在智慧地球的建设背景下,以新技术产生为支撑所出现的在水土保持领域的一项重大革新。我国是世界水土流失最严重的国家之一,随着物质生产的极大丰富,人们对水土保持的要求也与日俱增。水土保持工作需要实现集约化、智能化和动态化,同时还要提高水土保持施设建设和当地经济发展的综合决策能力。智慧水土保持体系的构建,对于建设社会主义生态文明社会具有重大意义。

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(责任编辑:程 云)

Preliminary study on smart soil and water conservation in China

Zhu Qingke,Ma Huan
(Beijing Forestry University,Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of Ministry of Education,100083,Beijing,China)

Smarter planet strategy has been generally recognized by countries all around the world and it is widely used in water conservancy,forestry,transportation,electricity,environmental protection, tourism and other various industries.To facilitate the development of soil and water conservation science and technology the smart soil and water conservation system is urgent need to building.This paper put forward the concept and general framework of smart soil and water conservation.Additionally,analyzedand comparedthe similarities and differences between digital soil and water conservation and smart soil and water conservation.Objectives,principles and content of smart soil and water conservation wereput forward based on the current status of soil and water conservation informatization construction.The main content of smart soil and water conservation include 1)The internet of things for soil erosion monitoring. 2)High-speed Internet including high-speed mobile internet.3)Database of soil and water conservation. 4)Erosion control decision system.5)Integrated Management Systems.6)Data security emergency system.7)Public Service Platform.

smart soil and water conservation；system construction；informatization；integration；intelligentdecision

S157.2

A

1672-3007(2015)04-0117-06

2015- 07- 20

2015- 07- 26

朱清科(1953—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:林业生态工程。E-mail:zhuqingke@sohu.com