智慧湖泊建设

赵盛萍 李璟瑞

（1.玉溪师范学院 云南省玉溪市 653100 2.红河学院 云南省红河哈尼族彝族自治州蒙自县 661100）

1984年在日本大津市召开了首届世界湖泊会议，共同讨论解决湖泊环境问题，并逐步把3S、大数据、物联网等先进技术手段等应用到湖泊及流域管理作为重点问题讨论。1992年在里约热内卢召开的环境与发展大会中提出了有关水资源管理的一揽子措施，实施的措施中明确包含了要通过构建信息化的水资源管理模式和方法来提高对水资源的管理和水资源的保护[1]。以此为基础经历了从数字湖泊到智慧湖泊的研究发展。智慧湖泊是数字湖泊的广泛推广和深入研究。

1 数字湖泊研究

数字湖泊研究涉及的学科领域众多：地理学、水科学、环境科学、遥感、全球定位等，是一个复杂、庞大的体系。数字湖泊的相关研究在区域管理、地理空间研究方面较为集中，主要结合遥感技术(Remote Sensing，RS)、地理信息系统(Geographic Information System，GIS)和全球定位系统(Global Navigation Satellite System，GPS)，统称3S 技术，形成了有代表意义的水资源监控管理平台：美国水质检索与评估系统、英国水质档案系统和加拿大国家水质数据库[2]。Zhao Shuqing 等利用遥感技术，对长江中部洪湖流域进行了研究，通过对比卫星遥感影像对土地分类，对比11年间土地类型的转化情况，分析土地利用变化对景观特性的影响[3]。万幼川等将GIS 与应用模块结合使用，对湖泊N、P、COD 等主要污染物浓度等模拟，实现GIS 与专业模型的综合应用。叶仰明等探讨了数字海洋的总体技术框架和关键技术，探讨了数字海洋基础软件平台的发展方向，提出了Metadata 体系结构[4]。

1.1 数字湖泊概念模型

综合考虑数字湖泊的要求和应用需求，其概念模型如图1。其特点是，整体模型是一个动态循环状态；涉及专业领域广泛，是一个复杂的系统工程；关键技术较多，需要处理好各个环节间的关系，实现有机结合。

1.2 数字湖泊构架

系统的多层构架结构是近年来大型系统设计中常用的设计思想，其特点是数据层与应用层相隔离，可以更好的适应今后的模式变化发展。数字湖泊的系统结构参照多层构架思想设计，分为四层：数据层、中间层、模型层、应用层，如图2所示。

数据层：用于数据的存储、管理。包括地理空间数据、遥感影像数据、水质数据、区域生态环境数据等。数据库管理系统选用：Oracle、Informix 等。

模型层：用于地理空间特性分析和专业数据分析。包括GIS 空间分析模型、水质模型等，为区域管理与决策提供支持。

应用层：包括系统管理员、数据库操作员和专业管理人员。为实现数字化管理、协同办公提供便利。

图1：数字湖泊概念模型

图2：数字湖泊区域管理系统结构图

2 智慧湖泊研究

2008年在纽约召开的外国关系理事会上，IBM 提出了“智慧地球”这一理念，引发了智慧城市建设的热潮，相继引出了“智慧城市”、“智慧海洋”、“智慧湖泊”等概念。智慧湖泊建设是数字湖泊发展的高级阶段，其“运用物联网基础设施、云计算、大数据、地理空间信息集成等新一代信息技术，是促进湖泊管理、建设、规划和智慧化的新理念和新模式”[5]。

2.1 智慧湖泊特征

图3：智慧湖泊生态环境一体化综合监测管理系统

数字湖泊通过区域地理空间信息、遥感数据等各方面信息的数字化在虚拟空间再现区域湖泊特征，而智慧湖泊则注重在此基础上进一步利用传感技术、智能技术实现对区域湖泊动态变化的自动、实时、全面透彻的感知；智慧湖泊则更强调开放、整合、协同的区域湖泊管理的信息化架构，成为智慧城市、智慧地球建设的重要环节；数字湖泊主要是基于互联网形成初步的业务协同，智慧湖泊则更注重通过泛在网络、移动技术实现无所不在的互联和随时随地随身的智能融合服务，服务范围更广。

智慧湖泊建设综合运用物联网、人工智能、云计算、大数据、区块链和卫星遥感、3D、VR、5G 通信等先进技术，对湖泊存在的水质变化、生态系统、区域气象变化等问题，构建以天、地、空三位一体的立体化监测网络。大数据是基础，云计算是平台，物联网是支撑，区块链为智慧湖泊平台建设提供技术保障；人工智能为智慧湖泊的场景应用提供技术支持。

2015年武汉市建成的“武汉市智慧湖泊综合管理平台”结合“互联网+”的技术优势和特点，借助视频监控平台，通过监控和视频分析，增强了及时发现和制止污染物排放的能力，并沿湖布设水位、雨量等远程监控点，实现湖泊状态数据的实时监控[6]。

2.2 智慧湖泊框架

智慧湖泊作为一个复杂系统，相关框架研究可以借鉴智慧城市、智慧海洋的框架体系研究：中国电子技术标准化研究院[7]：智慧城市的框架一般包括三个支撑体系和四个层次要素。三个支撑体系为：标准规范体系、安全保障体系、建设管理体系。四个层次要素为：感知层、通信层、数据及服务支撑层、智慧应用层；朱亚杰等[8]从大数据技术应用角度提出智慧城市的框架，包括以下四层：数据获取层、数据存储层、数据分析层、应用层。以区域湖泊管理为例，构建智慧湖泊生态环境一体化综合监测管理系统如图3。

2.3 相关技术研究

2.3.1 物联网技术

物联网即“万物相连”，是一个无限延伸和不断扩展的网络，将各种传感器和设备通过网络互连在一起而发展形成的一个巨大信息网络，最终实现在任何地点任何时间人、机、物的信息互联互通。

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5G 网络峰值的下行速率可达到20Gb/s，上行速率10Gb/s。将基于5G 无线网络的物联网信息技术融入到智慧湖泊的建设，利用新一代的移动信息网络技术来提高湖泊治理能力，加速整体信息反应管理能力、提升现代化管理水平[9]。也将为智慧湖泊建设中以大视频为数据主体的数据分析、实时监控提供技术支持。

2.3.2 人工智能

近年来人工智能加速发展，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征。人工智能为智慧湖泊建设的高效数据分析、环境监控预测等提供了技术支持。在大数据处理、智能数据分析和网络安全等方面有突出表现。

随着各类数据量的增大，实时处理能力成为了许多计算任务需要面对的重要挑战，基于GFS、MapReduce 和Bigtable 的分布式数据处理技术，降低了数据处理成本，提高了处理能力。

时间序列分析、神经网络等智能数据处理方法广泛的应用在含水层参数的识别方法、地下污染物的迁移模型分析、水质的预测、湖泊水质富营养化的评价研究等方面，为智慧湖泊建立提供了丰富多样的模型支持，从而为水环境质量的综合管理与决策支持提供科学依据[10]。

人工智能算法可以从大量的、不完全的、含噪声的多源异构数据信息中，提取潜在可理解、有价值的信息和知识并对其进行清洗和分类；再根据态势生成模型和指标体系，对安全风险和威胁进行量化；最后以人机友好的方式将分析结果转换为可视结构，辅助管理员进行有效决策。从动态、持续、全局、协同的设计思维出发，构建能与风险演进相适应的，具有自主更新与进化能力的安全生态。

3 总结

智慧湖泊建设是智慧地球、智慧城市建设的重要部分，集物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术和区域管理于一体，能够解决湖泊治理和可持续发展中的很多关键问题，有利于政府管理、湖泊研究和资源的开发、保护，有助于民众更加亲近自然、了解自然。是未来湖泊管理、研究的发展的趋势。