趙盛萍 李璟瑞

（1.玉溪師范學(xué)院 云南省玉溪市 653100 2.紅河學(xué)院 云南省紅河哈尼族彝族自治州蒙自縣 661100）

1984年在日本大津市召開了首屆世界湖泊會議，共同討論解決湖泊環(huán)境問題，并逐步把3S、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)手段等應(yīng)用到湖泊及流域管理作為重點(diǎn)問題討論。1992年在里約熱內(nèi)盧召開的環(huán)境與發(fā)展大會中提出了有關(guān)水資源管理的一攬子措施，實(shí)施的措施中明確包含了要通過構(gòu)建信息化的水資源管理模式和方法來提高對水資源的管理和水資源的保護(hù)[1]。以此為基礎(chǔ)經(jīng)歷了從數(shù)字湖泊到智慧湖泊的研究發(fā)展。智慧湖泊是數(shù)字湖泊的廣泛推廣和深入研究。

1 數(shù)字湖泊研究

數(shù)字湖泊研究涉及的學(xué)科領(lǐng)域眾多：地理學(xué)、水科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、遙感、全球定位等，是一個復(fù)雜、龐大的體系。數(shù)字湖泊的相關(guān)研究在區(qū)域管理、地理空間研究方面較為集中，主要結(jié)合遙感技術(shù)(Remote Sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GPS)，統(tǒng)稱3S 技術(shù)，形成了有代表意義的水資源監(jiān)控管理平臺：美國水質(zhì)檢索與評估系統(tǒng)、英國水質(zhì)檔案系統(tǒng)和加拿大國家水質(zhì)數(shù)據(jù)庫[2]。Zhao Shuqing 等利用遙感技術(shù)，對長江中部洪湖流域進(jìn)行了研究，通過對比衛(wèi)星遙感影像對土地分類，對比11年間土地類型的轉(zhuǎn)化情況，分析土地利用變化對景觀特性的影響[3]。萬幼川等將GIS 與應(yīng)用模塊結(jié)合使用，對湖泊N、P、COD 等主要污染物濃度等模擬，實(shí)現(xiàn)GIS 與專業(yè)模型的綜合應(yīng)用。葉仰明等探討了數(shù)字海洋的總體技術(shù)框架和關(guān)鍵技術(shù)，探討了數(shù)字海洋基礎(chǔ)軟件平臺的發(fā)展方向，提出了Metadata 體系結(jié)構(gòu)[4]。

1.1 數(shù)字湖泊概念模型

綜合考慮數(shù)字湖泊的要求和應(yīng)用需求，其概念模型如圖1。其特點(diǎn)是，整體模型是一個動態(tài)循環(huán)狀態(tài)；涉及專業(yè)領(lǐng)域廣泛，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程；關(guān)鍵技術(shù)較多，需要處理好各個環(huán)節(jié)間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

1.2 數(shù)字湖泊構(gòu)架

系統(tǒng)的多層構(gòu)架結(jié)構(gòu)是近年來大型系統(tǒng)設(shè)計中常用的設(shè)計思想，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層相隔離，可以更好的適應(yīng)今后的模式變化發(fā)展。數(shù)字湖泊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參照多層構(gòu)架思想設(shè)計，分為四層：數(shù)據(jù)層、中間層、模型層、應(yīng)用層，如圖2所示。

數(shù)據(jù)層：用于數(shù)據(jù)的存儲、管理。包括地理空間數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、區(qū)域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)選用：Oracle、Informix 等。

模型層：用于地理空間特性分析和專業(yè)數(shù)據(jù)分析。包括GIS 空間分析模型、水質(zhì)模型等，為區(qū)域管理與決策提供支持。

應(yīng)用層：包括系統(tǒng)管理員、數(shù)據(jù)庫操作員和專業(yè)管理人員。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理、協(xié)同辦公提供便利。

圖1：數(shù)字湖泊概念模型

圖2：數(shù)字湖泊區(qū)域管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智慧湖泊研究

2008年在紐約召開的外國關(guān)系理事會上，IBM 提出了“智慧地球”這一理念，引發(fā)了智慧城市建設(shè)的熱潮，相繼引出了“智慧城市”、“智慧海洋”、“智慧湖泊”等概念。智慧湖泊建設(shè)是數(shù)字湖泊發(fā)展的高級階段，其“運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、云計算、大數(shù)據(jù)、地理空間信息集成等新一代信息技術(shù)，是促進(jìn)湖泊管理、建設(shè)、規(guī)劃和智慧化的新理念和新模式”[5]。

2.1 智慧湖泊特征

圖3：智慧湖泊生態(tài)環(huán)境一體化綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)

數(shù)字湖泊通過區(qū)域地理空間信息、遙感數(shù)據(jù)等各方面信息的數(shù)字化在虛擬空間再現(xiàn)區(qū)域湖泊特征，而智慧湖泊則注重在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用傳感技術(shù)、智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對區(qū)域湖泊動態(tài)變化的自動、實(shí)時、全面透徹的感知；智慧湖泊則更強(qiáng)調(diào)開放、整合、協(xié)同的區(qū)域湖泊管理的信息化架構(gòu)，成為智慧城市、智慧地球建設(shè)的重要環(huán)節(jié)；數(shù)字湖泊主要是基于互聯(lián)網(wǎng)形成初步的業(yè)務(wù)協(xié)同，智慧湖泊則更注重通過泛在網(wǎng)絡(luò)、移動技術(shù)實(shí)現(xiàn)無所不在的互聯(lián)和隨時隨地隨身的智能融合服務(wù)，服務(wù)范圍更廣。

智慧湖泊建設(shè)綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和衛(wèi)星遙感、3D、VR、5G 通信等先進(jìn)技術(shù)，對湖泊存在的水質(zhì)變化、生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域氣象變化等問題，構(gòu)建以天、地、空三位一體的立體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。大數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，云計算是平臺，物聯(lián)網(wǎng)是支撐，區(qū)塊鏈為智慧湖泊平臺建設(shè)提供技術(shù)保障；人工智能為智慧湖泊的場景應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2015年武漢市建成的“武漢市智慧湖泊綜合管理平臺”結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，借助視頻監(jiān)控平臺，通過監(jiān)控和視頻分析，增強(qiáng)了及時發(fā)現(xiàn)和制止污染物排放的能力，并沿湖布設(shè)水位、雨量等遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)湖泊狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控[6]。

2.2 智慧湖泊框架

智慧湖泊作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，相關(guān)框架研究可以借鑒智慧城市、智慧海洋的框架體系研究：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院[7]：智慧城市的框架一般包括三個支撐體系和四個層次要素。三個支撐體系為：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全保障體系、建設(shè)管理體系。四個層次要素為：感知層、通信層、數(shù)據(jù)及服務(wù)支撐層、智慧應(yīng)用層；朱亞杰等[8]從大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用角度提出智慧城市的框架，包括以下四層：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用層。以區(qū)域湖泊管理為例，構(gòu)建智慧湖泊生態(tài)環(huán)境一體化綜合監(jiān)測管理系統(tǒng)如圖3。

2.3 相關(guān)技術(shù)研究

2.3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)即“萬物相連”，是一個無限延伸和不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，將各種傳感器和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)互連在一起而發(fā)展形成的一個巨大信息網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)在任何地點(diǎn)任何時間人、機(jī)、物的信息互聯(lián)互通。

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5G 網(wǎng)絡(luò)峰值的下行速率可達(dá)到20Gb/s，上行速率10Gb/s。將基于5G 無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)融入到智慧湖泊的建設(shè)，利用新一代的移動信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來提高湖泊治理能力，加速整體信息反應(yīng)管理能力、提升現(xiàn)代化管理水平[9]。也將為智慧湖泊建設(shè)中以大視頻為數(shù)據(jù)主體的數(shù)據(jù)分析、實(shí)時監(jiān)控提供技術(shù)支持。

2.3.2 人工智能

近年來人工智能加速發(fā)展，呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機(jī)協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征。人工智能為智慧湖泊建設(shè)的高效數(shù)據(jù)分析、環(huán)境監(jiān)控預(yù)測等提供了技術(shù)支持。在大數(shù)據(jù)處理、智能數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)安全等方面有突出表現(xiàn)。

隨著各類數(shù)據(jù)量的增大，實(shí)時處理能力成為了許多計算任務(wù)需要面對的重要挑戰(zhàn)，基于GFS、MapReduce 和Bigtable 的分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)，降低了數(shù)據(jù)處理成本，提高了處理能力。

時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能數(shù)據(jù)處理方法廣泛的應(yīng)用在含水層參數(shù)的識別方法、地下污染物的遷移模型分析、水質(zhì)的預(yù)測、湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化的評價研究等方面，為智慧湖泊建立提供了豐富多樣的模型支持，從而為水環(huán)境質(zhì)量的綜合管理與決策支持提供科學(xué)依據(jù)[10]。

人工智能算法可以從大量的、不完全的、含噪聲的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息中，提取潛在可理解、有價值的信息和知識并對其進(jìn)行清洗和分類；再根據(jù)態(tài)勢生成模型和指標(biāo)體系，對安全風(fēng)險和威脅進(jìn)行量化；最后以人機(jī)友好的方式將分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為可視結(jié)構(gòu)，輔助管理員進(jìn)行有效決策。從動態(tài)、持續(xù)、全局、協(xié)同的設(shè)計思維出發(fā)，構(gòu)建能與風(fēng)險演進(jìn)相適應(yīng)的，具有自主更新與進(jìn)化能力的安全生態(tài)。

3 總結(jié)

智慧湖泊建設(shè)是智慧地球、智慧城市建設(shè)的重要部分，集物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)和區(qū)域管理于一體，能夠解決湖泊治理和可持續(xù)發(fā)展中的很多關(guān)鍵問題，有利于政府管理、湖泊研究和資源的開發(fā)、保護(hù)，有助于民眾更加親近自然、了解自然。是未來湖泊管理、研究的發(fā)展的趨勢。