朱清科,馬歡

(北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京)

我國(guó)智慧水土保持體系初探

朱清科,馬歡

(北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京)

智慧地球戰(zhàn)略已經(jīng)得到了各國(guó)的普遍認(rèn)可,并被廣泛應(yīng)用于水利、林業(yè)、交通、電力、環(huán)境保護(hù)、旅游等不同行業(yè)。為了促進(jìn)水土保持科學(xué)與技術(shù)發(fā)展,亟需開(kāi)展智慧水土保持體系研究。本文在提出智慧水土保持的概念和總體構(gòu)架的基礎(chǔ)上,比較分析智慧水土保持與數(shù)字水土保持的異同,論述智慧水土保持體系建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)和我國(guó)智慧水土保持體系建設(shè)的基礎(chǔ),闡明智慧水土保持體系的建設(shè)目標(biāo)、原則和建設(shè)內(nèi)容。智慧水土保持的目標(biāo)是建立動(dòng)態(tài)反饋、智能決策的水土保持發(fā)展新模式。建設(shè)內(nèi)容主要有水土流失監(jiān)測(cè)終端物聯(lián)網(wǎng)、高速互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、水土流失綜合防治決策系統(tǒng)、一體化管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全應(yīng)急系統(tǒng)和對(duì)外公眾服務(wù)平臺(tái)等7方面。

智慧水土保持；系統(tǒng)構(gòu)建；信息化；一體化；智能決策

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,實(shí)現(xiàn)更便捷、智能、優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境成了各國(guó)政府追求的目標(biāo)。2008年11月,IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出了智慧地球的新理念,指把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中,并且被普遍連接,形成所謂物聯(lián)網(wǎng),然后將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái),實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。近年來(lái),智慧地球已得到各國(guó)的普遍認(rèn)可和重視,并引發(fā)了世界各地智慧城市建設(shè)的熱潮[1-3]。 在智慧城市建設(shè)的過(guò)程中,與其息息相關(guān)的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)也得到了空前的發(fā)展,并在水利、林業(yè)、交通、電力、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、旅游等不同科技發(fā)展過(guò)程中廣泛應(yīng)用[4-11]。智慧地球和智慧城市的建設(shè)、技術(shù)的進(jìn)步和智慧化理念的不斷深入都推動(dòng)了智慧水土保持體系的建設(shè)。我國(guó)水土流失嚴(yán)重,其成因錯(cuò)綜復(fù)雜,嚴(yán)重影響我生態(tài)安全和生態(tài)文明建設(shè)；而水土保持又是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程,需要綜合多學(xué)科、多尺度、多部門進(jìn)行。為了滿足人民群眾日益增長(zhǎng)的對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求以及對(duì)黨的“十八大”提出生態(tài)文明建設(shè)的響應(yīng),急需建設(shè)數(shù)據(jù)共享、智能決策、響應(yīng)迅速的新型水土流失預(yù)防監(jiān)督體系。智慧水土保持因其數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的時(shí)效性、決策的智能性、防災(zāi)預(yù)警的及時(shí)性等特征,將會(huì)使我國(guó)水土保持工作邁向新的臺(tái)階。

1 智慧水土保持體系總體架構(gòu)

智慧水土保持是在智慧地球和智慧城市的建設(shè)背景下,把傳感器和裝備嵌入到各種水土保持因素監(jiān)測(cè)設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng),再借助物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù),組合連接監(jiān)測(cè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和人類社會(huì),對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)要素實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能識(shí)別,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳輸和系統(tǒng)存儲(chǔ),對(duì)海量數(shù)據(jù)智能挖掘和模擬仿真,以更加精細(xì)、及時(shí)、動(dòng)態(tài)、開(kāi)放的方式實(shí)現(xiàn)水土流失預(yù)防監(jiān)督和水土流失綜合治理方式的決策。

智慧水土保持體系的總體構(gòu)架包括橫向的物理層、數(shù)據(jù)層、運(yùn)算層、應(yīng)用層和縱向的系統(tǒng)安全維護(hù)體系、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系(圖1)。

1.1 物理層

圖1 智慧水土保持體系主體架構(gòu)Fig.1 Framework of smart soil and water conservation

物理層是智慧水土保持的基礎(chǔ),主要進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能化采集,簡(jiǎn)單的處理和數(shù)據(jù)的傳輸、貯存。實(shí)現(xiàn)水土保持決策體系和水土保持目標(biāo)客體的互聯(lián)感知。采用3S技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別攝像、物聯(lián)網(wǎng)、高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段,智能感知和高速貯存氣象、地形、水文、植被等水土保持基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)信息。

1.2 數(shù)據(jù)層

通過(guò)物理層獲取到的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)層進(jìn)行系統(tǒng)貯存,數(shù)據(jù)層為智慧水土保持提供即時(shí)有效的數(shù)據(jù)來(lái)源,全面支撐智慧水土保持的各項(xiàng)應(yīng)用。數(shù)據(jù)層主要通過(guò)水土保持信息化建設(shè),建成水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)[12-14]。

1.3 運(yùn)算層

運(yùn)算層是智慧水土保持的中樞,主要運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘、系統(tǒng)仿真模擬、人工智能的技術(shù)手段對(duì)收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息加工、海量數(shù)據(jù)處理、業(yè)務(wù)流程規(guī)范、數(shù)表模型分析、智能決策、預(yù)測(cè)分析等,主要包括水土保持?jǐn)?shù)據(jù)云計(jì)算、水土流失模型模擬、小流域治理智能規(guī)劃和專家決策系統(tǒng)等,最終使水土保持實(shí)現(xiàn)科學(xué)化、集約化和智能化。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是智慧水土保持建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)和核心,主要進(jìn)行信息集成共享、資源交換、業(yè)務(wù)協(xié)同等,為智慧水土保持的運(yùn)營(yíng)發(fā)展提供直接的服務(wù),主要服務(wù)對(duì)象包括水土流失監(jiān)測(cè)網(wǎng)站、數(shù)字土壤侵蝕數(shù)據(jù)網(wǎng)站、水利環(huán)境部門網(wǎng)站、智慧水土保持決策平臺(tái)等,主要建設(shè)平臺(tái)有水土流失綜合治理決策系統(tǒng)、小流域治理規(guī)劃系統(tǒng)、山地自然災(zāi)害防治系統(tǒng)、水土保持林規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)等。

1.5 系統(tǒng)安全維護(hù)體系

系統(tǒng)安全與維護(hù)體系是智慧水土保持建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的重要保障。系統(tǒng)安全維護(hù)體系主要包括3部分:物理設(shè)施安全、系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和保障維護(hù)體系建立。物理設(shè)施安全需要保證在智慧水土保持運(yùn)行的過(guò)程中物理設(shè)備的完備性不受影響,如野外監(jiān)測(cè)設(shè)備需要采取防護(hù)措施以保證不被野生動(dòng)物破壞,網(wǎng)絡(luò)傳輸線路不受人為破壞等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全主要指在智慧水土保持體系運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)和支撐系統(tǒng)的完備性。需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)和數(shù)字認(rèn)證,建立各水土保持部門的認(rèn)證體系,保障信息安全。保障維護(hù)體系主要指建立完整的信息安全組織體系,確立組織機(jī)構(gòu)和崗位職責(zé),加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的技能培訓(xùn),同時(shí)要建立起故障發(fā)生后的快速響應(yīng)機(jī)制以確保智慧水土保持安全、高效的運(yùn)營(yíng)。

1.6 水土保持?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系

水土保持?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系是智慧水土保持建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的重要支撐保障體系,完整的標(biāo)準(zhǔn)化體系應(yīng)該涵蓋標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)制定、運(yùn)行和管理的整個(gè)過(guò)程[15],其主要包括智慧水土保持總體標(biāo)準(zhǔn)、信息資源標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)和管理制度建設(shè)?？傮w標(biāo)準(zhǔn)水土保持信息化建設(shè)中的總體性、框架性和基礎(chǔ)性的標(biāo)準(zhǔn),是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)中其他標(biāo)準(zhǔn)制定的基礎(chǔ),包括信息標(biāo)準(zhǔn)化指南、信息術(shù)語(yǔ)、信息文本圖形符號(hào)等標(biāo)準(zhǔn)。智慧水土保持信息資源標(biāo)準(zhǔn)主要包括水土保持信息分類與編碼、數(shù)據(jù)處理與交換、數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、元數(shù)據(jù)等方面的標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)信息資源標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范處理和整合。用于規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中基礎(chǔ)地理、預(yù)防監(jiān)督、綜合治理、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等信息標(biāo)準(zhǔn)化入庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織形式、數(shù)據(jù)文件命名及元數(shù)據(jù)等進(jìn)行規(guī)范。智慧水土保持應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)主要用于規(guī)范水土保持信息資源應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),包括業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)流程、業(yè)務(wù)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程、信息資源成果文檔格式、信息資源目錄和交換體系等方面的標(biāo)準(zhǔn)。智慧水土保持基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)范為數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐作用的標(biāo)準(zhǔn),包括信息安全基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和計(jì)算機(jī)設(shè)備建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)信任、應(yīng)用與備災(zāi)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機(jī)房及配套設(shè)備建設(shè)等。管理制度建設(shè)用于規(guī)范水土保持信息化建設(shè)中的基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)和運(yùn)行的制度,包括工程建設(shè)管理辦法、系統(tǒng)運(yùn)行管理辦法和制度、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)流程等。

2 智慧水土保持與數(shù)字水土保持

數(shù)字水土保持是近年來(lái)我國(guó)在水土保持信息化建設(shè)的基礎(chǔ)上有學(xué)者提出的概念,數(shù)字水土保持被定義為按地理坐標(biāo)對(duì)水土保持要素狀況的數(shù)字化描述和處理[16],數(shù)字水土保持是數(shù)字地球概念的延伸[17],主要面向水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理工作,其主要特征是數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化,它的建成為水土保持信息化建設(shè)提供一個(gè)更廣泛、更形象化的信息處理環(huán)境及支撐系統(tǒng),為智慧水土保持的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。智慧水土保持的主要目標(biāo)和服務(wù)功能是面向綜合決策,主要以新興的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)為支撐。

在應(yīng)用方面,數(shù)字水土保持主要是對(duì)水土保持要素?cái)?shù)字化描述和處理,按照數(shù)字信號(hào)對(duì)水土保持相關(guān)信息進(jìn)行收集、分析、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用,為水土流失監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)防監(jiān)督、水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)和綜合治理等提供技術(shù)支撐和決策支持信息。而智慧水土保持著力于構(gòu)建體系化的水土保持監(jiān)測(cè)感知平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失的實(shí)時(shí)感知和監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)對(duì)山地自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的智能預(yù)防和控制,直接參與相關(guān)決策制定,構(gòu)建智慧化的水土保持發(fā)展模式,打破了層級(jí)界限,實(shí)現(xiàn)水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的高效共享和充分利用。數(shù)字水土保持是實(shí)現(xiàn)智慧水土保持的基礎(chǔ),智慧水土保持是水土保持信息化的更高形式。

3 關(guān)鍵支撐技術(shù)

3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng),其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備和約定協(xié)議,將物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,開(kāi)展通訊和信息交換,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息處理層組成。物聯(lián)網(wǎng)用途極其廣泛,遍及交通、安保、物流、環(huán)保、監(jiān)測(cè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。

3.2 云計(jì)算

云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算、效用計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬化、負(fù)載均衡、熱備份冗余等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物。云計(jì)算作為新型計(jì)算模式,可以應(yīng)用到智慧水土保持決策服務(wù)方面,通過(guò)構(gòu)建高效可靠智慧水土保持云計(jì)算平臺(tái)為水土保持綜合治理規(guī)劃智能決策提供計(jì)算和存儲(chǔ)能力。

3.3 3S技術(shù)

3S技術(shù)是遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的統(tǒng)稱,在水土保持及各學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用。

3.4 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析是指在合理時(shí)間內(nèi)對(duì)規(guī)模巨大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程。大數(shù)據(jù)可以概括為4個(gè)V,數(shù)據(jù)量大(volume)、速度快(velocity)、類型多(variety)、真實(shí)性(veracity)。隨著信息技術(shù)在水土保持行業(yè)的應(yīng)用及水土保持管理服務(wù)的不斷加強(qiáng),大數(shù)據(jù)技術(shù)在水土保持領(lǐng)域的應(yīng)用也是不可或缺的。

3.5 高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

主要指Wifi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、4G高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、光纖高速互聯(lián)網(wǎng)、IPV6協(xié)議等下一代互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),是一種新型的數(shù)字通信模式。廣義的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是指用戶使用蜂窩移動(dòng)電話、PDA或者其他手持設(shè)備,通過(guò)各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò),包括移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和固定無(wú)線接入網(wǎng)等接入到互聯(lián)網(wǎng)中,進(jìn)行話音、數(shù)據(jù)和視頻等通信業(yè)務(wù)。隨著無(wú)線技術(shù)和視頻壓縮技術(shù)的成熟,基于無(wú)線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng),為水土保持工作提供了有力的技術(shù)保障?；?G、4G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)需具備多級(jí)管理體系,整個(gè)系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,能夠通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)建一張可全網(wǎng)監(jiān)控、全網(wǎng)管理的視頻監(jiān)控網(wǎng),提供及時(shí)優(yōu)質(zhì)的維護(hù)服務(wù),保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.6 水土流失預(yù)測(cè)及治理決策模型構(gòu)建

集合大量的水土流失預(yù)測(cè)模型和氣象預(yù)測(cè)模型,結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘和模擬,通過(guò)人工智能決策和系統(tǒng)虛擬仿真,預(yù)測(cè)不同條件下的水土流失強(qiáng)度,對(duì)水土流失的防治、山地自然災(zāi)害的防控進(jìn)行智能規(guī)劃和模擬,最終選擇最優(yōu)決策。

4 智慧水土保持建設(shè)基礎(chǔ)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和空間技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,我國(guó)信息化建設(shè)不斷加快,目前智慧水土保持建設(shè)已初具條件,建設(shè)現(xiàn)狀主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)[14]。

4.1 信息采集與存儲(chǔ)體系初具規(guī)模

目前我國(guó)已經(jīng)建成了水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心、7大流域機(jī)構(gòu)水土保持監(jiān)測(cè)中心站、30個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)水土保持監(jiān)測(cè)總站和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持監(jiān)測(cè)總站、175個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)分站和738個(gè)水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn),形成了泥沙、徑流、降雨、土壤、植被、土地利用等信息采集體系；省級(jí)以上水土保持部門的各類在線存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)能力不少于200 TB。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2011年底,全國(guó)省級(jí)以上水利部門建成的水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)總量已超過(guò)10 000 GB,數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及土壤侵蝕、綜合治理、預(yù)防監(jiān)督、定位觀測(cè)、法律法規(guī)、重要文件等方面。

4.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不斷深入

全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)以開(kāi)發(fā)建成,在水利部、7大流域機(jī)構(gòu)、31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水利信息中心安裝部署,初步形成了全國(guó)水土保持應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)。建成了長(zhǎng)江上游滑坡、泥石流預(yù)警管理信息系統(tǒng)、黃土高原淤地壩信息管理系統(tǒng)、松遼流域水土保持監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)等一系列專業(yè)化的應(yīng)用管理系統(tǒng)。水土保持公務(wù)管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,促進(jìn)了水土保持行政職能、辦公方式和服務(wù)手段的轉(zhuǎn)變,大大提高了工作效率。

4.3 信息服務(wù)社會(huì)能力逐步提高

水土保持門戶網(wǎng)站是已成為水土保持管理部門向社會(huì)發(fā)布大量及時(shí)、翔實(shí)、可靠的水土保持信息的平臺(tái),水利部從2003年起,連續(xù)發(fā)布年度《中國(guó)水土保持公報(bào)》,長(zhǎng)江、黃河、松遼水利委員會(huì)也相繼發(fā)布了流域水土保持公報(bào),引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注,為全國(guó)水土保持生態(tài)建設(shè)、水土流失災(zāi)害監(jiān)控、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)和生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),在政府決策、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和公眾信息服務(wù)等方面發(fā)揮了積極作用。

4.4 信息化保障能力日益增強(qiáng)

水利部發(fā)布了《全國(guó)水土保持信息化發(fā)展綱要》、先后頒布了省(自治區(qū)、直轄市)水土保持信息系統(tǒng)建設(shè)基本技術(shù)要求、水土保持術(shù)語(yǔ)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)代碼、信息管理技術(shù)規(guī)程、數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符、水土保持元數(shù)據(jù)等一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),發(fā)布了《水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)管理辦法》《全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)運(yùn)行管理辦法》等一系列規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)一步夯實(shí)水土保持信息化工作基礎(chǔ),推進(jìn)了信息資源共享。水土保持信息化隊(duì)伍得到了長(zhǎng)足發(fā)展。在全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)一、二期工程的推動(dòng)下,全國(guó)已有近5 000人的水土保持監(jiān)測(cè)專業(yè)技術(shù)人員,水土保持信息化隊(duì)伍初步建成。

5 智慧水土保持體系建設(shè)的主要目標(biāo)、原則和內(nèi)容

5.1 建設(shè)目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)水土保持信息實(shí)時(shí)感知、水土保持管理服務(wù)高效協(xié)同、水土保持監(jiān)督執(zhí)法及時(shí)有效、水土保持規(guī)劃科學(xué)智能,實(shí)現(xiàn)水土保持客體主體化、信息反饋全程化,最終智慧化的水土保持發(fā)展新模式。

5.2 建設(shè)原則

1)統(tǒng)籌協(xié)調(diào),系統(tǒng)管理。智慧水土保持體系的建立需要在全面考慮不同尺度特征和不同服務(wù)客體要求的前提統(tǒng)一設(shè)計(jì),明確各部分組件的功能重點(diǎn),以系統(tǒng)學(xué)的方式全面管理。

2)標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng),技術(shù)先進(jìn)。智慧水土保持體系需要在水土保持信息化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)范制訂相關(guān)規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)管理科學(xué)規(guī)范化,提高智慧水土保持體系的應(yīng)急生存能力。規(guī)范和指定相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和訪問(wèn)協(xié)議,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高度共享化,在不同的系統(tǒng)、軟件之間可以無(wú)縫銜接。

3)產(chǎn)研并進(jìn),面向創(chuàng)新。以水土保持重點(diǎn)工程為中心,以實(shí)際應(yīng)用為牽引,在智慧水土保持建設(shè)的過(guò)程中不斷創(chuàng)新,研究新的方法和技術(shù),使智慧水土保持永葆活力。

4)服務(wù)為本,推動(dòng)轉(zhuǎn)型。以面向人的服務(wù)為建設(shè)智慧水土保持體系的本質(zhì)要求,全面加快建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)、下一代物聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施,推動(dòng)由數(shù)字水土保持向智慧水土保持的轉(zhuǎn)型。

5)整合資源,共享協(xié)同。充分利用國(guó)家公共信息網(wǎng)絡(luò)和水利行業(yè)的信息化基礎(chǔ)資源,避免低水平的重復(fù)建設(shè),通過(guò)統(tǒng)一的信息資源共享平臺(tái),促進(jìn)資源共享,節(jié)約人力和資金成本,提高水土保持信息的利用效率。

5.3 主要建設(shè)內(nèi)容

智慧水土保持體系的特點(diǎn)就是要在獲取大量適時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析,做出最優(yōu)的決策判斷。近年來(lái),雖然我國(guó)水土保持信息化建設(shè)取得了巨大成就,但是距實(shí)現(xiàn)智慧水土保持還有一定差距,主要體現(xiàn)在:1)水土保持監(jiān)測(cè)終端物聯(lián)網(wǎng)尚未建成,智能數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)施不足；2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)滯后,影響智慧水土保持體系建設(shè)；3)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)體系建設(shè)亟待完善；4)高速互聯(lián)網(wǎng),尤其是高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)還不完善,部分經(jīng)濟(jì)落后,水土流失嚴(yán)重的地區(qū)暫時(shí)還無(wú)法覆蓋移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳輸無(wú)法達(dá)到智慧水土保持的要求；5)面向大眾和水土保持主管部門的應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)不完善；6)適用于我國(guó)主要類型區(qū)的水土流失模型、水土保持智能規(guī)劃系統(tǒng)等應(yīng)用模型有待進(jìn)一步系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)。

基于以上現(xiàn)狀,總的來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)智慧水土保持體系,主要應(yīng)從以下7方面建設(shè):

1)水土流失監(jiān)測(cè)終端物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建。水土流失監(jiān)測(cè)終端物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智慧水土保持的基礎(chǔ),是所有上層組件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)來(lái)源,在未來(lái)的建設(shè)中需要加大投入資金,布設(shè)多種功能的數(shù)據(jù)探測(cè)終端,對(duì)水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能獲取,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)“可測(cè)即可見(jiàn)”,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的即時(shí)響應(yīng)。

2)高速互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。高速互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)連接的紐帶,在骨干網(wǎng)方面需要進(jìn)一步建設(shè)水土保持光纖網(wǎng),發(fā)展IPV6網(wǎng)絡(luò),增大網(wǎng)絡(luò)帶寬以滿足日益增加的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｔ诰W(wǎng)絡(luò)末端,需要加大投入增加4G/3G等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,同時(shí)建設(shè)重點(diǎn)水土保持區(qū)域的Wifi局域網(wǎng),實(shí)現(xiàn)小區(qū)域、小流域范圍的物聯(lián)網(wǎng)。

3)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。進(jìn)一步繼續(xù)建設(shè)和完善水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù),加強(qiáng)各級(jí)數(shù)據(jù)可的伸縮性、安全性和共享性,提高數(shù)據(jù)庫(kù)的更新和移植能力,優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)的組織形式和檢索算法,使得數(shù)據(jù)的應(yīng)用更有效率,為大數(shù)據(jù)的挖掘、云計(jì)算與決策以及最終的面向公眾和部門的智慧服務(wù)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4)水土流失綜合防治決策系統(tǒng)構(gòu)建。水土流失綜合防治決策系統(tǒng)包括水土保持智能監(jiān)督管理系統(tǒng)、水土流失智能預(yù)測(cè)系統(tǒng)、自然災(zāi)害預(yù)警防治系統(tǒng)和水土保持智慧規(guī)劃系統(tǒng),是在對(duì)水土保持?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和計(jì)算的基礎(chǔ)上,以眾多水土保持模型組件協(xié)同仿真模擬,以得出水土流失最優(yōu)防治模式為目標(biāo)的系統(tǒng)。未來(lái)還需進(jìn)一步對(duì)其中水土保持模型進(jìn)行完善和標(biāo)定,開(kāi)發(fā)適用不同尺度范圍和地域的水土保持模型,逐步構(gòu)建完善水土流失綜合防治決策系統(tǒng)。

5)一體化管理系統(tǒng)構(gòu)建。智慧水土保持是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要各個(gè)部分協(xié)同工作,建立一體化管理系統(tǒng)主要包括2方面:一是數(shù)據(jù)管理一體化,需要建立各部門之間統(tǒng)一的軟件系統(tǒng),保證數(shù)據(jù)的規(guī)范化和無(wú)縫銜接；二是人員管理一體化,需要建立智慧水土保持各運(yùn)行管理人員的操作規(guī)程一體化、人員培訓(xùn)一體化、規(guī)章制度一體化,使智慧水土保持高效運(yùn)行。

6)數(shù)據(jù)安全應(yīng)急系統(tǒng)構(gòu)建。數(shù)據(jù)安全是智慧水土保持持續(xù)運(yùn)行的保障,不可抗力的破壞、病毒入侵和黑客攻擊都可造成數(shù)據(jù)的缺失和破壞,需要建立應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)破壞的應(yīng)急機(jī)制,做好數(shù)據(jù)和相關(guān)系統(tǒng)的備份,確保初具安全。

7)對(duì)外公眾服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建。智慧水土保持的最終目的是服務(wù)大眾,對(duì)外公眾服務(wù)平臺(tái)則是整個(gè)智慧水土保持體系的輸出終端。需要進(jìn)一步完善個(gè)水土保持部門的門戶網(wǎng)站的信息發(fā)布功能,在門戶網(wǎng)站建設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)短(彩)信信息、微博、微信等新媒體的主動(dòng)預(yù)警和信息發(fā)布功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

智慧水土保持是在智慧地球的建設(shè)背景下,以新技術(shù)產(chǎn)生為支撐所出現(xiàn)的在水土保持領(lǐng)域的一項(xiàng)重大革新。我國(guó)是世界水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一,隨著物質(zhì)生產(chǎn)的極大豐富,人們對(duì)水土保持的要求也與日俱增。水土保持工作需要實(shí)現(xiàn)集約化、智能化和動(dòng)態(tài)化,同時(shí)還要提高水土保持施設(shè)建設(shè)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合決策能力。智慧水土保持體系的構(gòu)建,對(duì)于建設(shè)社會(huì)主義生態(tài)文明社會(huì)具有重大意義。

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(責(zé)任編輯: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,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:zhuqingke@sohu.com