时空数据融合的自然遗产地监测与保护管理平台设计方案研究

2020-12-23项波

中国园林 2020年11期

关键词：遗产地世界遗产数据库

项波

温婷

郭汉

刘红纯

刘智*

中国自1985年加入《世界遗产公约》以来，经过30多年的快速发展，截至2019年7月，已有55项世界遗产，位居全球第一，成为世界遗产大国。其中自然遗产14项、文化遗产37项(文化景观遗产5项)，文化和自然双重遗产4项。今后，世界遗产的重心任务，将从“重数量”向“重质量”转变，自然遗产的保护压力将与日俱增。从当前世界遗产全球保护发展趋势来看，根据《保护世界文化和自然遗产公约》及其《操作指南》的规定，为实施世界遗产中心的5C战略中的核心战略可信度(credibility)和严格保护(conservation)，全球的世界遗产项目需要接受世界遗产保护管理状况的定期监测评估和反应性监测，对缔约国保护、监测、管理世界自然遗产提出了更高的要求。对国内管理部门而言，利用地理、信息和传统技术，实施对世界自然遗产的系统化、网络化、数字化和信息化管理，实现快速反应，并制定有效的保护管理措施，迅速提高管理效率，节约政府管理成本，越来越成为关键手段之一。

我国55项世界遗产涉及41处国家级风景名胜区。机构改革之前，作为风景名胜区和世界自然遗产的主管部门，国家住房和城乡建设部自2003年起，按照国务院要求，启动了国家级风景名胜区监管信息系统平台建设工作，开始加强对风景名胜区资源保护和规划实施的动态监测，并着手推动我国风景名胜区信息化建设。同时，依托风景名胜区监管平台对我国世界自然遗产进行保护管理。过去几年，在风景名胜区监管信息系统的良好运行和动态监测核查工作的开展下，我国世界自然遗产的保护管理取得了良好的成效。但近年来，随着信息化技术的不断发展，当前风景名胜区监管信息系统的核心技术平台已相对落后，需要进行深层次的技术拓展；同时，世界遗产行业发展日新月异，遗产保护与可持续发展也出现了新理念、新战略、新要求，需要在不断研究自然遗产保护各级主管部门管理业务需求的基础上进行业务拓展和模块重构，建设新的监管应用平台[1]。此外，机构改革之后，世界自然遗产的管理部门发生了变化，原本依托风景名胜区建立的监测核查系统不再适用于世界遗产的管理，亟须根据世界遗产的特点建立专门的世界自然遗产监测保护管理平台。

1 建设目标

设计遗产地监测与保护管理信息平台总体架构，分析总结国家、省、遗产地管理机构对遗产动态监测、保护管理、教育展示等方面的需求，提出国家、省、遗产地三级管理平台的综合架构，设计遗产地分布式数据库，集成遗产地动态监测评估、可视化展示、保护管理应用系统，构建与我国自然遗产地管理体制相适应的综合性网络平台。通过统一的数据访问交换接口，集成资源与环境动态监测、视频监控、规划管理、电子政务、电子商务、多媒体可视化展示和LED信息发布等各子系统，实现各业务模块之间的对接，建立数据管理调用规范和软件模块化开发机制。

2 建设背景

世界自然遗产地监测与保护管理在全球范围内，目前美国国家公园具有系统化的管理系统，但由于美国国家公园生态环境保护基础较好，保护和管理的需求较少，其侧重在生态系统服务价值研究，故未广泛集成物联网等偏重保护监管的技术。我国目前世界自然遗产监测与保护管理，国家主管部门主要依托国家风景名胜区监管平台[2]，各遗产地有部分自建监测系统[3]，但尚未建立系统化的自然遗产监测与保护管理评价体系[4]，较少涉及生态系统服务价值评估[5]，未建立可业务化运行的评估遗产地突出普遍价值(Outstanding Universal Value，OUV)的空间监测指标体系[6]及监测与保护管理系统。因此需要梳理自然遗产保护各级主管部门管理在监测、保护与管理，以及生态系统服务价值等多方面业务需求，建设时空数据融合的自然遗产地监测与保护管理平台，实现全面、系统化的自然遗产监测与保护管理。

图1 遗产地监测与保护管理信息平台总体框架

2.1 服务对象

世界自然遗产地国家、省、遗产地三级主管部门(机构)，世界遗产从业者及公众等。

2.2 管理平台建设需求分析

2.2.1 构建与我国自然遗产地管理体制相适应的综合性网络平台

《实施世界遗产公约操作指南》和IUCN的《世界自然遗产保护管理指南》都指出，世界遗产的管理可以同缔约国自然保护地的管理体制相结合。当前，我国世界自然遗产地管理为中央部门监管和地方属地管理相结合的体制，即国务院行政主管部门监管-省级行政主管部门监管-市县级属地监管-世界自然遗产地管理机构属地管理的模式，其中世界自然遗产地管理机构多为县级以上人民政府的派出机构。各层次管理的职能、侧重点、诉求会有较大差异。因此，需要构建部、省、遗产地三级既相对独立又交互式的综合性网络平台，既要满足各级管理的差异性需求，又要实现平台的整体性、系统性，实现数据交换与共享、信息发布等联动共享功能。

其中，国家级平台建设服务对象为国务院行政主管部门，需设计平台主体结构、数据中心、业务应用系统和服务接口等，并搭建系统平台，预留与省级、遗产地，以及公众服务的匹配端口；省级和遗产地级平台服务对象分别为自然遗产省级主管部门、市县级主管部门及遗产地管理机构，预留与国家级平台及公众服务的匹配端口。遗产地监测与保护管理信息平台总体框架如图1所示。

2.2.2 实现管理与服务相结合

基于世界自然遗产保护监管与可持续利用的总体目标，实现网络平台资源保护数字化、项目管理平台化、服务经营网络化的定位，重点建设规划建设、遥感监测、游客统计分析和智慧景区建设等系统和模块、接口。各层次平台和系统端口对接流畅，实现安全共享。

2.2.3 具有较强的应用性和展示性

除办公、管理、交流和传达功能外，系统还应具有较强的综合分析功能，为行政决策提供重要依据参考。包括监测数据分析、遗产健康诊断、游客流量统分、管理机制优化和景观三维展示等功能。实现对世界自然遗产地的动态监测，为政府宏观决策和依法行政提供科学依据。

2.2.4 建立基础数据库

通过系统平台的构建，建立国内权威、准确、完整的世界自然遗产地分布式遗产资源，实现规划建设、遥感影像、地理地形、旅游管理，以及基础数据的存储和便捷调用。

2.2.5 支持自定义化系统，具有科普和宣传功能

预留自定义应用系统接口，满足不同层级、不同需求的管理部门网络综合布线系统。开设公众浏览和互动关口，向公众科普和宣传世界遗产基本知识、情况简介、法律法规、应用技术和管理成效等，预留公众问题建议反馈窗口。

3 系统设计

3.1 遗产地分布式数据库设计

3.1.1 数据库设计层次

自然遗产地监测与保护管理平台分国家-省-遗产地三级，各类数据分布在不同地方，因此需要采用分布式数据库，通过数据接口方式进行数据汇聚与系统集成。自然遗产地分布式数据库的概念设计主要说明本数据库将反映的自然遗产地的实体、属性和它们之间的关系等的原始数据形式，包括各数据项、记录、文卷的标识符、定义、类型、度量单位和值域，是本数据库的用户视图。数据库逻辑设计主要说明把遗产地原始数据进行分解、合并后重新组织起来的数据库全局逻辑结构，包括所确定的关键字和属性、重新确定的记录结构和文卷结构、所建立的各个文卷之间的相互关系，形成数据库的数据库管理员视图。数据库物理设计主要建立系统程序员视图，包括数据在内存中的安排，对索引区、缓冲区的设计，所使用的外存设备及外存空间的组织，索引区、数据块的组织与划分，访问数据的方式方法。数据字典设计，主要对自然遗产地数据库设计中涉及的各种项目，如数据项、记录、系、文卷、模式和子模式等建立数据字典，以说明它们的标识符、同义名及有关信息。数据安全设计，考虑自然遗产地管理的分级特点，通过区分不同的访问者、不同的访问类型和不同的数据对象，进行分别对待。

3.1.2 数据库建设技术流程

系统中各子系统数据库包含大量的数据文件，为保证对数据文件进行有效的管理，便于查询，不致发生混淆现象，以遗产编号为主，结合遗产地空间数据编码及数据类别对文件命名。

由于自然遗产地数据中有大量矢量和栅格数据，数据库管理系统需支持各类空间数据存储，故选择PostgreSQL进行数据存取。本系统支持的矢量数据包括Coverage、Shapfile、Grids等；栅格数据包括TIFF、BMP、JPEG、GIF、PNG、Digtial Elevation Models等；属性数据包括txt、mdb、dbf、xls等。数据库建设的技术流程如图2所示。

数据库集成的流程除了将属性数据对应空间位置入库，还需要将各类自然遗产地动态监测评估模型以统一的标准、服务化的形式入库。模型本体及参数适宜于用XML形式描述，故采用MongoDB数据库存储。

环境资源数据中由传感器采集到的时间连续离散数据，适合用全内存数据库Redis存储。

图2 数据库建设技术流程

3.1.3 数据库与应用集成

动态监测评估应用系统，从基础地理信息数据库和遥感监测专题数据库中抽取空间连续的遥感数据，从自然遗产接口数据库中抽取时间连续的传感器数据，选取动态监测模型库中对应的服务化模型，融合遥感数据空间连续属性和传感器数据时间连续属性，实现时空连续的自然遗产地动态监测评估。

可视化展示应用系统，从自然遗产本体库、业务库、管理库、基础地理信息库和遥感监测专题库中抽取遗产相关信息，从接口数据库中对接实时遥感数据、视频监控、人流统计等系统接口，进行多维可视化展示。

保护管理应用系统也需从遗产地本体信息、业务信息、空间信息等各数据库中提取并分析得出有效信息，服务自然遗产地区域环境动态变化监测管理。

基于国家-省-遗产地三级分布式数据库设计，根据业务系统需求，设计自然遗产地元数据标准和数据字典，为连接现有自然遗产地各数据库系统，消除信息孤岛，建立融合互通的自然遗产地监测与保护多级管理平台打下数据基础。

3.2 遗产地动态监测评估应用系统建设

3.2.1 建设内容

为了对遗产地生态健康状况进行时空连续监测、分析，需以动态数据驱动范式(DDDAS)[7]为指导，利用空间连续的高分辨率精细遥感观测数据和持续获取的时间连续的环境物联网数据，调用遗产地模型库中的生物多样性监测、重要物种生境适宜度评价等模型，集成构建遗产地动态监测评估应用系统，实现自然遗产地健康状态综合评估、动态更新及预警发布功能。同时实现对自然遗产地生态系统服务价值的量化分析。

3.2.2 关键技术

根据遗产地基础地理数据(DOM、DEM、DRG、DLG)、遥感影像数据(国产卫星高分系列、资源系列、环境系列、国外卫星WorldView系列、SPOT系列、陆地卫星系列和飞机航片等)、专题数据(遗产的属性数据和规划数据)、人类活动数据(景区刷卡数据、移动端APP数据、手机信令数据等)的特点，以服务化方式集成不同类型的数据；基于集成的遗产地数据与模型库，建立遗产地健康诊断评估模型；以地理分析和景观分析为基础，计算遗产地健康状态阈值；以SaaS服务形式，建设基于网络环境，并具备遗产地健康状态更新及预警发布技术的遗产地动态监测评估应用系统。其中，能够支持遗产地健康状态计算的遗产地健康诊断评估技术，是动态监测评估应用系统的关键技术。

1)遗产地健康诊断评估。

自然遗产地健康诊断评估，可通过景观生态健康状态来表征。景观生态健康是景观生态发展的一种状态，在此状态下该生态环境处在可维持系统生存的水平。健康的景观生态具有弹性，保持着内稳定性。基于研究区突出普遍价值，可通过景观格局指数从景观类型水平和整体景观水平来分析景观系统健康状况。

通过对整体景观的健康评价，可反映出遗产地总体景观健康状况，评估其综合的自然地理景观美学价值，反映遗产保护工作、政府政策，以及当地居民生产生活方式等对维持自然遗产地突出普遍价值及景观美学价值的影响。

2)遗产地健康状态计算。

通过景观信息空间分析技术，获得研究区景观类型转换的图表。通过计算以下各景观指数：斑块密度指数(PD)、景观形状指数(LSI)、周长面积分维指数(PAFRAC)、散布与并列指数(IJI)、斑块结合度指数(COHESION)、聚集度指数(AI)、香农多样性指数(SHDI)，得到景观格局演化特征，从而对研究区景观健康状况进行深入分析。

3.2.3 自然遗产地OUV空间监测指标体系

遗产地经过健康诊断评估后，会得到若干指标，对指标进行科学分类、组合，建立能够反映遗产地健康状况的动态监测评估指标体系，可量化自然遗产地健康状况，及时对遗产地采取保护管理措施。

1)指标体系构建原则。

在世界自然遗产地监测过程中应遵循以下监测原则：

(1)以世界自然遗产地表征要素、干扰要素及其动态变化作为监测内容设定监测指标，反映遗产地OUV价值的稳定性和原生性，能够满足监测目的的要求；

(2)必须按照规定的频率长期进行指标监测；

(3)不能以破坏监测区域地表环境为代价。

2)遗产地OUV空间监测指标提取方法。

选取适当的遥感影像，结合其他辅助数据，利用遥感监测技术和GIS手段对体现遗产地价值的载体(自然要素，包括冰川、植被、水体、湿地和珍稀濒危动植物栖息地等)及其影响要素(人工要素，包括道路、居民区、基础设施和建筑等)进行研究。主要方法流程为以下内容。

(1)遥感图像预处理，主要包括波段组合、大气校正、图像增强、影像镶嵌与裁剪等。

(2)遗产地遥感图像解译与分类，包括初分类和二次分类2步。其中，冰川、河流及湖泊与其地物光谱差异较大，无须选择样本而直接对影像进行非监督分类即可取得较好的效果；人工要素主要为水库、耕地、居民点及道路，其均有明显的几何和纹理结构，在影像上表现直观，可直接提取。

表1 系统能够提供数据推送服务的卫星数据

(3)在初分类的基础上进行二次分类。基于面向对象分类和目视解译的方法，结合NDVI指数，通过建立不同的分类规则，完成对林地、草地、沼泽、沙地和其他未利用地的二次分类。

(4)为了保证验证结果的有效性，采用多种方法对分类结果进行检验，具体包括分类误差矩阵、高分辨率遥感数据验证、文献数据验证和地形图验证等。

(5)分析遗产地各监测对象的时空变化特征，包括冰川、森林、草地、湿地(河流、湖泊、沼泽)、耕地、道路和居民地等景观的变化(如面积和空间范围)，并针对不同遗产地重点分析其代表景观的变化。

(6)遗产地各监测对象时空变化的归因探析，包括自然因子(如平均气温、年降水量)和人为因子(如土地破碎度、交通状况)。

上述方法以SaaS服务形式，集成在遗产地动态监测评估应用系统中，各类算法均可通过服务化方式调用，实现遗产地动态监测评估应用在线化服务。

3.2.4 方案设计

遗产地动态监测评估应用系统，要实现自然遗产地健康状态综合评估、动态更新及预警发布的功能，需要考虑环境和人两方面因素。因此，在方案设计中，需要利用遥感、物联网、人工智能等技术手段，分别获取遗产地环境和人的信息，再利用模型对遗产地健康状况进行评估预警。

1)自然遗产地环境监测。

基于遥感数据，利用光学和雷达数据协同观测方法，自动识别违法建设和违法用地信息，利用深度学习算法，自动提取遗产地环境要素信息。

2)游客量统计。

通过数据接口，接入省级和遗产地级系统提供的遗产地游客量统计数据，并做图形化数据展示。

3)健康评估预警。

调用集成的遗产地分布式多元异构数据库、遗产地生物多样性监测、重要物种生境适宜度评价等模型，集成构建遗产地动态监测评估应用系统，实现自然遗产地健康状态综合评估、动态更新及预警发布功能。

遗产地动态监测评估应用系统是自然遗产地监测与保护管理平台的核心业务系统。系统创新利用了包括以卫星遥感数据、航空遥感数据为代表的空间数据，以及以手机信令数据、景区刷卡数据为代表的时间数据，将时空数据通过动态数据驱动范式进行融合处理，分析遗产地健康状态并进行预警发布，从而对遗产地相关人类活动进行引导，实现世界自然遗产地保护与可持续发展的目标。

3.3 遗产地可视化展示应用系统建设

3.3.1 建设内容

基于遗产地监测保护与管理信息三级平台，设计基于场景一体化的高效协同运算方案，构建数字化自然遗产多维度可视化展示系统，实现遗产地实景三维模型、全景影像、4D数据等超大规模多源异构数据的可视化展示；以“互联网+”为驱动，应用网站、移动终端APP等信息发布技术，开发自然遗产地示范区定制化信息推送子系统，实现长时间序列动态监测数据与对应综合评价数据周期性可视化推送与展示。

3.3.2 关键技术

根据自然遗产地的特点，设计符合自然遗产地场景特点的一体化的高效协同展示方案，实现3D模型、全景影像、4D数据等超大规模多源异构数据的高效可视化，同时实现卫星遥感数据的实时可视化。将遗产地所有相关的多元跨域异构数据处理成带地理信息的数据，实现遗产地数据空间化表达。并利用多元遥感数据获取优势，实现精细遗产地动态变化观测。对于遗产地核心区域，为提高监测频度和实时性，借助多元数据融合、遥感数据实时推送等技术，实现定点长时间序列动态监测数据周期性推送。遗产地可视化展示应用系统支持多颗国内外卫星数据实时推送，如表1所示，其中包括国内外多颗具有全球获取数据能力的主流卫星，获取的数据可输出为多种格式。

3.3.3 方案设计

基于遥感影像实时推送技术，实现自然遗产地遥感数据远程实时移动窗显示与信息播报。实时将陆地卫星站网接收的不同光学遥感卫星、传感器的快视推送到自然遗产地的三级管理部门，使不同级别用户均能及时获取卫星快视数据，实现遗产地大区域实时可视化，并从快视图像中分析卫星过境自然遗产地区域情况。

系统的核心特点是按需与实时推送。即用户按自己的关注卫星、传感器、接收站请求访问数据；服务系统在卫星获取数据后10min以内将数据推送到用户终端。数据可周期性推送，有助于自然遗产地管理部门开展遗产地精细动态变化监测，适合需要使用遥感数据持续观测大面积区域的自然遗产地监测管理用户。通过在线服务与数据支持，自然遗产地各级管理部门可以实现对地面接收站获取的数据同步接收，可帮助管理部门实现与地面站近同步快速获取遥感图像初级影像(全分辨率，近实时)，图像数据与多种矢量元素叠加，可用于向公众和媒体展示自然遗产地遥感监测技术的过程，降低数据获取成本。

遗产地可视化展示应用系统基于数字地球技术，以三维可视化方式，实时融合天-空-地多源数据，对自然遗产地的表征要素和干扰要素进行全方位展示。形成的自然遗产地定制化监测信息推送子系统，实现了长时间序列动态监测数据与对应综合评价数据周期性可视化推送与展示，为遗产地保护与管理提供了时空数据融合的高效可视化工具。