大数据时代下草原监管模式的探讨

尤 炜

(国家林业和草原局产业发展规划院,北京 100010)

内蒙古自治区东西跨度大、生态类型复杂多样且境内分布多个气候带,其过渡区域生态脆弱。随着内蒙古自治区经济社会发展,草原放牧数量不断增加,超载放牧、偷牧等违法利用草原问题尚未根本解决,天然草原负荷持续加大[1]。内蒙古草原近年来发生了不同程度的退化,已制约当地的经济发展。

2021年8月,由国家林业和草原局、国家发展改革委员会共同编制的《“十四五”林业草原保护发展规划纲要》发布,提出加强草原保护修复,内容涉及严格草原禁牧和草畜平衡,加快草原生态修复以及推行草原休养生息。2021年10月1日起施行《内蒙古自治区草畜平衡和禁牧休牧条例》(以下简称“条例”)。《条例》提出运用数字现代智能技术对草原面积、等级、植被构成、生产能力、生物灾害与草畜平衡和禁牧休牧等草原基本状况实行动态监测,达到由控畜向畜草“双控”转变,解决以往草原监督管理制度作用欠佳等关键性问题。因此,科学的监测、评价及预测生态现状及发展趋势,是草原生态管理的重大需求。

随着“互联网+”生态行动的快速推进,通过感知化、物联化、智能化手段,构建一套草原大数据监管与服务平台。形成生态立体感知、管理协同高效、服务内外一体的新型管理模式,并可以作为破解草原生态产业创新发展难题、促进生态产业发展方式转变、全面提升生态产业质量效益的关键抓手[2]。将大数据的发展成果与草原生态建设深度融合,推动生态科技进步,提升草原生态产业创新水平,建设草原生态产业一体化、协同化、最优化的发展模式,真正实现草原生态建设和生态产业发展互相促进、和谐共进,成为创新内蒙古自治区生态发展模式的重要途径[3]。

1 建设目标

为了推动遥感、物联网等在草原生态领域的应用,构建内蒙古草原长势、盖度、产量、退化,与水、土壤、气候等为一体的生态监测体系,完善政府、企业、农牧民等多用户的相关数据采集、处理、应用、服务机制,搭建“草原大数据监管与服务平台”,着力推进数据汇集与深度挖掘,形成草原资源与生态动态大数据方案,为内蒙古草原生态保护、精准修复、动态管理及合理利用提供科学依据[4]。

着力推动新一代大数据技术与草原生态各项业务深度融合、创新应用,为草原生态监管提供精准数据服务和智能化解决方案,切实提高草原生态资源保护和生态建设的质量和效率。实现全自治区统一规范评估、统一数据管理,基础数据全部采集入库,并实施动态精准监管,完成全区“草原生态资源一张图”,实现草原生态资源精确定位、精细保护;运用大数据分析技术,准确掌握草原生态系统的质量状态和发展趋势;实现草原生态监测、预警、管理的智能化[5]。

2 平台架构

2.1 平台总体架构

内蒙古草原大数据监管与服务平台体系架构由基础设施即服务层、数据即服务层、平台即服务层、软件应用层构成,如图1所示。

图1 平台总体架构图

通过遥感、物联网、数据采集终端等采集草原生态数据,经数据汇集交换系统同步、清洗,生成可使用的数据格式,储存到管理系统的数据仓库,并根据基础库和业务库分类管理,然后通过数据智能分析系统发现业务规律,通过算法与模型解决业务问题,再运用图形及颜色等可视化技术使数据信息易读、易识别、易理解,根据不同的使用场景如手机端、电脑端和大屏进行操作。

2.1.1基础设施即服务层(IaaS)

基础设施即服务层主要是保障平台运行的软硬件及网络环境等[6],充分利用自治区林草局已有的基础设施、网络、物联监控等基础设备,并根据项目建设进行设备扩展。

2.1.2数据即服务层(DaaS)

按照国家林草信息化建设中对数据库规划建设内容,草原生态大数据平台实现试点区域草原资源数据的集成管理,并根据草原资源共享应用的需要,将资源层的各种基础空间数据进行抽取、转换和定制,形成面向不同专题的数据服务,为资源共享平台提供数据支撑。

2.1.3平台即服务层(PaaS)

实现对各类资源的管理以及各类草原资源服务以及外部公共基础数据服务有效聚合,形成资源数据服务、功能服务的集成管理,并基于二维地图引擎、机器学习引擎为核心,实现草原资源展现、定位管理、综合查询服务等,为应用层各类应用提供共享服务的应用展示和共享服务资源的展示支撑。

2.1.4软件即服务层(SaaS)

以草原资源综合数据库为支撑,对草原资源进行数据抽取、复合、统计、挖掘等,以专题图、统计表格、二三维展示等表现形式,直观、准确、动态地展示草原现状、历史以及趋势,满足各级林草资源管理部门在日常管理工作中对草原监管成果的应用需求。

2.2 功能模块构成

平台主要由3类功能模块构成,分别是生态数据仓库、生态监测和草畜平衡管理,如图2所示。

图2 平台功能模块构成示意图

3 平台功能分析

3.1 生态数据仓库

3.1.1公共基础数据库

包括基础地理、遥感影像、社会经济、气象、土壤、道路、地理等数据。完善基础地理数据库,扩展遥感影像数据库,包含多源、多时相、多分辨率的海量遥感数据;收集社会经济数据库,包含人口、交通、经济产值等数据;完善气象、土壤、水资源等数据。

(1)水资源数据:建立模型自动识别水域分布,并计算面积动态变化,直观、全面掌握河湖信息及变化规律。

(2)土壤资源数据:依托庞大的土壤样本库,在类型基础上,针对化验指标自动判别土壤营养元素含量丰缺,实现智能配肥,作为生态修复配方施肥的依据。

(3)气象数据:基于大量历史数据,能实现精度5 km,时间15 d的气象预测,为草原返青、产量等生态指标估算提供数据依据,指导草原科学合理生产。

(4)地理生态数据:精准化、智能化判别土地利用类型,自动统计任意时间、任意区域地貌、坡度、生态资源类型的分布和面积。

3.1.2生态基础数据库

完善草原数据库,包括各种调查数据、植物物种、退化数据。

(1)草原资源数据:结合地面数据,建立样本特征库,实现自动解译、计算草原类型、草地分级的分布情况和面积。

(2)草原利用数据:结合图像的纹理、颜色及其他特征,实现智能提取草原“三化”、国家级自然保护区、矿山、打草场等分布。

(3)植物资源数据:拥有乡土植物种质资源库,采集植物种质资源5 605份、植物标本33 756份,已成熟应用到各类工程项目100余种,收录中国植物信息2.7万余种。正在建立功能较全的植物数据库,细分植物与人、动物、植物、气候、水、土壤6大类、31小类功能,分类更精确,查找更快捷,结合生态修复可以做到在推荐修复植物的同时,检索修复植物生态功能,增加生态修复的经济价值。

(4)植物分布数据:通过植物生长的生态条件,野外采集植物标本的终端会实时传输标本数据,系统根据已建立模型划定植物适宜生长区,目前可检索2 000余种植物的生物学特性信息和适宜生长的区域分布。

3.1.3生态专题数据库

包括工程管理、科技创新、灾害管理等方面的数据。完善政务服务数据库,包含行政执法数据等;建设工程管理数据库,包含草原修复等数据;完善灾害管理数据库,包含防火数据、有害生物数据等;建设科技创新数据库,包括生态定位监测数据等。

3.1.4目录与元数据库

包括各类生态数据库的目录和元数据,与相应数据库同步建设,方便用户检索、查询、使用各类数据。

3.1.5运行支撑数据库

包括各业务应用系统的使用单位、部门、用户、角色、日志等数据,在系统应用范围扩展时同步完善。

3.1.6标准与规范库

包括平台基础设施、信息资源、业务应用、安全管理等方面的标准与规范,在现行标准的基础上继续完善。

3.2 生态监测

建立卫星、无人机和地面相结合的“空天地人一体化”草原监测体系,提供牧草返青、植被盖度、草产量、沙地等变化。卫星记录草原生态“底片”,发生的任何生态变化都可通过遥感解译、反演和比对,完成对生态变化的取证和效验,从而实现及时、快速、准确的草原生态监测监管,第一时间提供决策依据。

3.2.1返青监测

利用气象数据,结合土壤墒情数据,建立不同草原类型返青期预测模型,在连续地理空间上对未来草原的返青期进行预估,并根据实地调查或视频传输图片数据对返青期模型预报结果进行修正和验证。每3 d发布数据,预测未来两周一公里范围返青时间段,自动推送至PC端或APP,指导合理规划放牧及休牧时间。

3.2.2植被盖度监测

基于遥感监测NDVI和定标采集数据,构建不同草原类型植被盖度估测模型。可查找某一地点具体的植被盖度,对比统计各级行政区域盖度值,揭示逐月变化,作为准确评价草原生态状况的依据。

3.2.3草产量监测

基于遥感监测NDVI、气象数据和定标采集数据,构建不同草原类型牧草估产模型,遥感定量反演草原牧草产量。可查找某一地点具体的草产量,提前15 d预测草产量,对比统计各级行政区域草产量,揭示逐月变化,准确判断载畜量及购买饲草料的数量。

3.2.4沙地监测

自动检测多期数据遥感数据,置入不同遥感数据源解译模型,实现自动识别草原退化、沙化、盐渍化及矿山分布,并同时统计变化面积。

3.3 草畜平衡管理

通过动态监测数据,结合历史数据,应用机器深度学习方法,预测当年产草量,以推算出不同草原类型、不同时间的合理载畜量,再结合对草原生态状况的评估,评价其草场的利用强度。

3.3.1合理载畜量计算

基于家畜数量以及饲喂状况等基本生产经营情况,通过遥感监测放牧场、打草场草地生产力,结合当地合理载畜量计算标准,叠加牧户确权界限,可实现以户为单位计算草地载畜能力,提出合理的家畜饲养规模。

3.3.2过牧预警

综合植被盖度、产量、多样性等指标,建立不同草原类型的生态阈值,对每一牧户放牧方案进行动态管理,准确测算利用强度,提前估算养殖量是否超过变动警戒线,自动推送监管部门及牧户休牧、禁牧、减畜及恢复时间的通知。由生态阈值判定草畜平衡的状况。

3.3.3合理打草管理

推广科学合理的打草场管理制度,推荐合理打草时间,实施科学留草带制度,保证合理留茬高度,在现有草场生产条件下,依据土壤检测数据,配方施肥培育草场,基于大数据平台识别的中度重度退化草原,可实施免耕补播,增加草地生产能力以及牧草质量,增加草地利用效率。

4 平台可用性分析

4.1 遥感数据处理

平台中数据涉及大量的遥感数据,在云平台环境支撑下,在不同的工序节点经过不同的处理,通过人员的协作、任务流和数据流的流转,经数据的生产、上传、审核、发布、可视化等一系列标准过程,生成最终的遥感信息产品的过程。分布式协同生产控制的整体框架可以实现跨部门、跨地域,以有效的协调方式响应用户需求,提高生产应变能力和生产的敏捷性。遥感影像处理及产品智能生产需要依据任务类型、资源与环境需求、优先级、时间要求节点等特点,计算节点的CPU/GPU数据、运行负载、内存及网络状况以及其它自定义约束对作业/任务进行调度,充分挖掘系统整体的计算能力,提高数据处理服务的吞吐量。

4.2 数据挖掘技术

当全区数据生产完成后,各市、县、乡镇数据专题图及统计结果自动输出,用户可随意切换。无需切割整体数据,同一数据可按不同行政区域检索、调用及计算。用户可根据拾取的坐标点或绘制矩形等方式检索出该位置所有入库的数据值,打破同一平台不同模块之间的数据壁垒,体现生态资源数据环环相扣、休戚相关的特点。

4.3 数据精确性

本平台数据获取技术主要包括感知技术(传感器、遥感技术等)、识别技术(RIFD、光谱扫描、检测技术)、移动采集技术(智能终端、APP)等,结合实地调研、物联网技术和地面监测技术等手段对获取的数据进行精修,进一步提高了数据源的精确性。

4.4 数据有效性

平台数据采用实时更新、全部更新、增量更新等方式,针对不同类别的生态数据,选择符合其特点的方式进行更新。此过程遵照统一的信息分类与编码标准、数据采集标准、数据入库标准,对各类生态数据进行采集、检查、修改、复核、入库等处理,形成符合标准、可共享的各类生态数据。

5 结论

草原承载着整个国民经济的基础产业,直接关系到国家的粮食安全、食品安全和生态安全,内蒙古草原大数据监管与服务平台的建设将对内蒙古自治区乃至全国的生态健康持续发展和社会发展产生重要的影响。在平台的引导下,转变传统的数据库管理模式,通过整合行业离散数据,解决草原生态数据量大、面广、资料无从查找等问题,制定统一的数据标准。借助云计算、互联网+、物联网技术建设面向公众的智慧共享平台,进行生态建设技术集成及科研成果快速转化,推动产业化发展,用数据来说话、用数据来管理、用数据来决策、用数据来创新。它是一个导航器,指导农牧区经济合作,组织规模化生产企业科学合理地利用生态资源;它也是一个工具箱,使草畜平衡做到精准,达到生态自然平衡,为内蒙古生态保护、产业化应用开辟新途径。