王夢犀，易小理

(1. 國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650000； 2. 云南北緯數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，云南 昆明 650000)

信息化建設(shè)是國家公園等自然保護(hù)地保護(hù)和監(jiān)測的重要內(nèi)容，通過運(yùn)用高科技手段“武裝”自然保護(hù)地，實(shí)時掌握自然保護(hù)地的運(yùn)行狀態(tài)，提升管理機(jī)構(gòu)在監(jiān)控、監(jiān)測、應(yīng)急指揮等方面的技術(shù)水平和綜合能力，為自然保護(hù)地在新形勢下開展巡護(hù)監(jiān)測和保護(hù)管理提供智力保障和技術(shù)支撐[1]。近年來，國家高度重視自然保護(hù)地的信息化建設(shè)，明確要求：構(gòu)建國家公園自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計(jì)分析平臺[2]，建設(shè)“天空地一體化”監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，充分發(fā)揮地面生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境、氣象等監(jiān)測站點(diǎn)和衛(wèi)星遙感的作用，開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；依托生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺和大數(shù)據(jù)，運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段，加強(qiáng)自然保護(hù)地監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析和綜合應(yīng)用等[3]。

以云南香格里拉普達(dá)措國家公園(簡稱普達(dá)措國家公園)為例，立足國家公園信息化建設(shè)的要求，結(jié)合普達(dá)措國家公園的資源稟賦、基礎(chǔ)設(shè)施、辦公環(huán)境等現(xiàn)狀情況，致力于建立普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心，打造“一中心、兩平臺、三網(wǎng)、四系統(tǒng)”的普達(dá)措國家公園綜合管理信息化服務(wù)平臺，為其他自然保護(hù)地的信息化建設(shè)提供借鑒。

1 背景

普達(dá)措國家公園位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉市，是全國首批國家公園體制試點(diǎn)區(qū)之一，也是中國大陸國家公園探索的最早實(shí)踐地。普達(dá)措國家公園地處中國西南橫斷山脈、青藏高原東南緣和“三江并流”世界自然遺產(chǎn)地的核心腹地，是反映地球演化和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)鍵地區(qū)和杰出代表。國家公園總面積602.1 km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)99°52′17″～100°11′38″，北緯27°43′56″～28°04′28″，以高山湖泊、雪山草甸、原始森林、地質(zhì)遺跡、民族風(fēng)情及宗教文化為主，融豐富的生物多樣性、景觀多樣性、文化多樣性為一體，以其獨(dú)特性、珍稀性、不可替代性和不可模仿性聞名，具有很高的保護(hù)價值和展示價值，比如：普達(dá)措國家公園地處全球34個生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)中的喜馬拉雅山地、印緬地區(qū)和中國西南山地這3個生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)的交錯地帶和全國35個生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)之一的橫斷山南段生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)，是世界級的物種基因庫，這里保存著中國最完整的矮高山櫟原始種群，范圍內(nèi)的優(yōu)勢生態(tài)系統(tǒng)—亞高山寒溫性針葉林是中國低緯度、高海拔寒溫性針葉林的典型代表，與鑲嵌其間的寒溫性山地硬葉常綠闊葉林共同涵養(yǎng)著沼澤化草甸和水生生物群落，構(gòu)成了完整的“森林—湖泊—沼澤—草甸”特殊復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，孕育了長苞冷杉、瀾滄黃杉、黑頸鶴、中甸葉須魚等重要物種，造就了極為豐富的生物多樣性，僅碧塔海區(qū)域就分布有野生種子植物140科568屬2 275種，范圍內(nèi)的鳥類種數(shù)占云南鳥類總數(shù)的1/3和全國鳥類總數(shù)的1/5，更是特有、珍稀瀕危物種高度聚集之地，具有特殊保護(hù)意義的中甸葉須魚是青藏高原快速隆升的殘存產(chǎn)物，在全球范圍內(nèi)僅分布于普達(dá)措國家公園內(nèi)，范圍內(nèi)的種子植物總數(shù)的50%以上為特有種，哺乳動物約有1/3為特有種。

2020年習(xí)近平總書記考察云南時欣慰地指出：“普達(dá)措(國家公園)我還是知道的，很漂亮，很壯觀?！笨倳浱貏e囑托“這是大自然賜予我們的寶貴財富，必須倍加珍惜”。為切實(shí)保護(hù)好普達(dá)措這一生態(tài)財富，實(shí)現(xiàn)國家公園建設(shè)“科學(xué)定位、整體保護(hù)、合理布局、穩(wěn)步推進(jìn)、國家主導(dǎo)、共同參與”的基本原則，有必要加強(qiáng)普達(dá)措國家公園的信息化建設(shè)，通過建立普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心，積極打造普達(dá)措國家公園綜合管理信息化服務(wù)平臺。

2 總體框架

從設(shè)計(jì)思路上，普達(dá)措國家公園整合中央預(yù)算內(nèi)保護(hù)利用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一期項(xiàng)目的安防監(jiān)控系統(tǒng)、二期項(xiàng)目的林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)、三期項(xiàng)目的紅外監(jiān)控系統(tǒng)和信息化平臺、碧塔海濕地監(jiān)測項(xiàng)目的環(huán)境要素監(jiān)測系統(tǒng)、普達(dá)措旅業(yè)分公司的訪客流量監(jiān)控系統(tǒng)以及中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園與香格里拉普達(dá)措國家公園管理局(以下簡稱管理局)共建的普達(dá)措野外綜合監(jiān)測平臺等外部資源，通過自主設(shè)計(jì)信息化服務(wù)平臺系統(tǒng)，形成“一中心”、“兩平臺”、“三網(wǎng)”、“四系統(tǒng)”的總體框架。普達(dá)措國家公園的綜合管理信息化服務(wù)平臺框架效果詳見圖1。

一中心，指大數(shù)據(jù)中心，即建立由指揮中心、監(jiān)控中心、監(jiān)測中心和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫共同組成的普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心；兩平臺，指打造普達(dá)措國家公園一體化生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺；三網(wǎng)，指建立和完善普達(dá)措國家公園“天、空、地”一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系；四系統(tǒng)，指構(gòu)建普達(dá)措國家公園的本底資源信息管理系統(tǒng)、資源保護(hù)與監(jiān)管系統(tǒng)、科研監(jiān)測與科研管理系統(tǒng)、自然教育與對外宣傳系統(tǒng)。

3 綜合管理信息化服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

3.1 一中心

一中心，涵蓋指揮中心、監(jiān)控中心、監(jiān)測中心和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的功能。由于普達(dá)措國家公園地形起伏較大、自然資源覆蓋面多而廣，開展人工監(jiān)控管理、現(xiàn)場監(jiān)測工作壓力較大，通過實(shí)施大數(shù)據(jù)中心建設(shè)，實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度、監(jiān)控查閱、現(xiàn)場會議、遠(yuǎn)程連線和綜合大屏展示等功能，實(shí)時查看普達(dá)措國家公園自然資源生態(tài)因子、自然或人為干擾等因素的實(shí)時運(yùn)行狀況，并配備視頻、音頻等設(shè)備，可滿足不少于30人的現(xiàn)場會議的要求，可以進(jìn)行與分會場的視頻會議連線，現(xiàn)場大屏亦可查看數(shù)據(jù)、平臺、監(jiān)控等系統(tǒng)，便于進(jìn)行匯報、研討等活動。

目前，管理局位于迪慶州政府內(nèi)，由于辦公場地受限，無法滿足信息化平臺綜合管理和集中展示的需求，通過協(xié)商綜合考慮租賃迪慶州電信公司機(jī)房設(shè)施(迪慶州政府隔壁)，包括1間機(jī)房(約15 m2)、1間大數(shù)據(jù)中心功能大廳(約65 m2)，由迪慶州電信公司負(fù)責(zé)機(jī)房的日常運(yùn)行、維護(hù)和管理，管理局派人管理和值守大數(shù)據(jù)中心功能大廳。通過改造形成集指揮、監(jiān)控和監(jiān)測于一體的大數(shù)據(jù)實(shí)體中心。

大數(shù)據(jù)中心的功能大廳，經(jīng)過墻體門窗及地面改造、供電保障、接地保護(hù)、綜合布線、會議音響、應(yīng)急照明、機(jī)房工程等措施后，基本具備大數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)條件，接續(xù)實(shí)施軟件、硬件設(shè)施的完善，最后通過互聯(lián)網(wǎng)專線網(wǎng)絡(luò)、微波、4G、自組網(wǎng)等組合方式與分中心或終端設(shè)備相連接，接收“天空地”三網(wǎng)數(shù)據(jù)和信號，大數(shù)據(jù)中心配備專網(wǎng)防火墻和外網(wǎng)防火墻，協(xié)調(diào)指揮和控制各類視頻或圖片信號，及時作出反饋。另外，大數(shù)據(jù)中心遵循安全性、可靠性、穩(wěn)定性、可拓展性、適用性、標(biāo)準(zhǔn)性的原則，同時具備開放性原則，根據(jù)分級管理和數(shù)據(jù)共享的要求，終端信號由大數(shù)據(jù)中心通過互聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)等方式直接上傳到云南省林草局雙中心，接受上級主管部門的數(shù)據(jù)信號調(diào)度和業(yè)務(wù)監(jiān)管。

在普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)過程中，充分整合已有的3個分中心和正在建設(shè)的1個平臺的圖像及視頻信號，具體包括：碧塔海濕地監(jiān)測分中心，為碧塔海國際重要濕地監(jiān)測項(xiàng)目所建，主要以中甸葉須魚、黑頸鶴等濕地珍稀保護(hù)資源的監(jiān)測為主；尼汝監(jiān)控分中心，由中央預(yù)算內(nèi)保護(hù)利用基礎(chǔ)設(shè)施一期項(xiàng)目的安防監(jiān)控、二期項(xiàng)目的林火視頻監(jiān)控建設(shè)；普達(dá)措旅業(yè)分公司分監(jiān)控中心，由公司自主投資興建的訪客流量監(jiān)控，用于碧塔海片區(qū)生態(tài)旅游活動的人為活動監(jiān)控和訪客管理等；正在由中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園建設(shè)的1個生態(tài)監(jiān)測平臺相關(guān)設(shè)備以及其它管理終端也在陸續(xù)接入到大數(shù)據(jù)中心。大數(shù)據(jù)中心實(shí)時掌握調(diào)度指揮、資源監(jiān)測、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)和信息，并以數(shù)字化大屏綜合展示、VR虛擬應(yīng)用等方式，實(shí)現(xiàn)了對普達(dá)措國家公園信息化管理和綜合決策工作的基礎(chǔ)支撐。普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和總體集成架構(gòu)圖見圖2和圖3。

圖2 普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.2 Network topology of Pudacuo National Park big data center

圖3 普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心總體集成架構(gòu)Fig.3 Overall integration architecture of Pudacuo National Park big data center

3.2 兩平臺

兩平臺由生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺兩部分組成，根據(jù)普達(dá)措國家公園日常保護(hù)和監(jiān)測活動的業(yè)務(wù)范圍，自主設(shè)計(jì)在綜合管理信息化服務(wù)平臺上集中展示。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺，以數(shù)據(jù)采集、實(shí)時傳輸、在線查看、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析等支撐服務(wù)功能為主，在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)一張圖綜合查詢與展示的同時，集成服務(wù)和支撐普達(dá)措國家公園管理的具體業(yè)務(wù)內(nèi)容，包括自然災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急事件預(yù)警和日常巡護(hù)等內(nèi)容組成的應(yīng)急指揮業(yè)務(wù)，由水分、土壤、大氣、噪聲、生物等方面的生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)成果以及全景展示、重點(diǎn)監(jiān)控、樣地樣線等內(nèi)容組成；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺

對自然資源本底數(shù)據(jù)、科研監(jiān)測數(shù)據(jù)、信息監(jiān)控數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)國家公園監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析和綜合應(yīng)用等，全面掌握自然保護(hù)地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、分布與動態(tài)變化，及時評估和預(yù)警生態(tài)風(fēng)險，為下一步定期統(tǒng)一發(fā)布生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測評估報告做準(zhǔn)備。兩個平臺的設(shè)計(jì)效果詳見圖4和圖5。

圖4 生態(tài)環(huán)境監(jiān)管平臺展示Fig.4 Display of ecological environment supervision platform

圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺展示Fig.5 Display of data statistical analysis platform

3.3 三網(wǎng)

三網(wǎng)指“天、空、地”一體化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系(圖6)，通過整合設(shè)計(jì)，解決先前資金項(xiàng)目各自為政的弊端，形成普達(dá)措國家公園各類自然資源統(tǒng)一監(jiān)管和科研監(jiān)測的平臺共享優(yōu)勢。

天網(wǎng)，主要指衛(wèi)星遙感。比如通過設(shè)計(jì)算法，針對多期衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行植被指數(shù)(NDVI)、地物類別等內(nèi)容變化識別和特征分析，標(biāo)記出變化較大的區(qū)域，為國家公園的研究與管理工作提供輔助決策。

空網(wǎng)，主要指無人機(jī)航空遙感和無人機(jī)應(yīng)急指揮。無人機(jī)航空遙感作為遙感數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測的重要補(bǔ)充，成為低空巡查和日常監(jiān)測工作的重要工具，負(fù)責(zé)采集國家公園航片、固定點(diǎn)位地類變化分析、風(fēng)光圖像采集等工作，比如VR全景展示圖；無人機(jī)應(yīng)急指揮，當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，能夠把現(xiàn)場的一些情況快速傳輸回來，便于及時采取相關(guān)措施。

地網(wǎng)，主要針對普達(dá)措國家公園內(nèi)已有的各類地面監(jiān)測設(shè)施和設(shè)備。

1)林火視頻監(jiān)控：通過架設(shè)制高點(diǎn)云臺攝像機(jī)(紅外+可見光)，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)、病蟲害等自然災(zāi)害的實(shí)時監(jiān)測、防范與預(yù)警。

2)科研視頻監(jiān)控：通過布設(shè)林下視頻監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對樣地、樣線及國家公園內(nèi)珍稀動植物資源的可視化監(jiān)控。

3)人為因子監(jiān)控：在人為活動聚集的重點(diǎn)區(qū)域及周邊、卡口建立人為因子監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)出國家公園內(nèi)的人、車、火種火源等人為干擾因子的有效管控，實(shí)現(xiàn)對破壞林草資源和違法生產(chǎn)經(jīng)營行為的及時監(jiān)控與預(yù)警。

4)安防系統(tǒng)監(jiān)控：在野外巡護(hù)道路沿線建立安防監(jiān)控攝像頭，有效保障巡護(hù)的野外安全，加強(qiáng)對外來因素干擾的監(jiān)控。

5)紅外相機(jī)監(jiān)控：結(jié)合人工智能識別技術(shù)，對國家公園內(nèi)瀕危珍稀保護(hù)物種信息進(jìn)行實(shí)時跟蹤與采集。

6)生態(tài)因子監(jiān)測：通過鋪設(shè)前端智能傳感器實(shí)現(xiàn)對國家公園范圍內(nèi)氣象、水質(zhì)、水文、土壤等生境信息的實(shí)時收集，為“森林—湖泊—沼澤—草甸”特殊復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)管理、科研監(jiān)測、生態(tài)修復(fù)、自然教育等提供強(qiáng)有力的決策支持。生態(tài)因子監(jiān)測的總體框架參見圖7。

圖7 生態(tài)因子監(jiān)測總體框架Fig.7 Overall framework of ecological factor monitoring

3.4 四系統(tǒng)

根據(jù)普達(dá)措國家公園的管理和展示需求進(jìn)行定制化開發(fā)的四系統(tǒng)，包括本底資源信息管理系統(tǒng)、資源保護(hù)與監(jiān)管系統(tǒng)、科研監(jiān)測與管理系統(tǒng)、自然教育與對外宣傳系統(tǒng)。以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、社區(qū)數(shù)據(jù)等各類信息資源整合展示為重點(diǎn)方向，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，形成大數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3.4.1本底資源信息管理系統(tǒng)

運(yùn)用GIS技術(shù)在地圖上進(jìn)行點(diǎn)、線、面等空間位置的渲染及標(biāo)注，并根據(jù)普達(dá)措國家公園邊界、保護(hù)地、動植物分布、鄉(xiāng)鎮(zhèn)河流、道路等圖層進(jìn)行動態(tài)顯隱控制，同時點(diǎn)擊對應(yīng)的地圖要素實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)詳情查看。包括組織機(jī)構(gòu)管理、自然資源管理、野生動植物資源管理、樣地(線)管理、林地權(quán)屬與土地利用管理、集體林管理、固定資產(chǎn)管理和社區(qū)發(fā)展等功能模塊。

3.4.2資源保護(hù)與監(jiān)管系統(tǒng)

集成普達(dá)措國家公園各類監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)，通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)與圖像識別算法，分別實(shí)現(xiàn)對動植物的識別、火災(zāi)識別、人流量分析、地類分析、植被蓋度分析等功能。包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人為因子干擾監(jiān)控、森林防火、巡護(hù)監(jiān)測、病蟲害防范、入侵物種預(yù)防管理、案件管理等功能模塊。

3.4.3科研監(jiān)測與管理系統(tǒng)

實(shí)時接收水文、土壤、氣象、噪聲等監(jiān)測站的實(shí)時數(shù)據(jù)，主要涵蓋兩個功能：科研監(jiān)測、科研管理。包括環(huán)境變化監(jiān)測、專項(xiàng)目標(biāo)監(jiān)測、科研項(xiàng)目管理、科研成果展示等功能模塊。

3.4.4自然教育與對外宣傳系統(tǒng)

依托生態(tài)環(huán)境監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析平臺收集的數(shù)據(jù)，把允許公開的信息通過web系統(tǒng)對公眾展示，前端使用基于vue開發(fā)框架，與后臺實(shí)現(xiàn)前后端分離設(shè)計(jì)，使用自適應(yīng)解決方案，實(shí)現(xiàn)各種主流分辨率下良好顯示，數(shù)據(jù)層面使用頁面靜態(tài)化技術(shù)，一方面能夠提升頁面加載速度，另一方面提升抓取效率。整合了線上和線下功能，包括門戶網(wǎng)站、手機(jī)、微信公眾號等平臺的線上宣傳、虛擬國家公園和數(shù)字標(biāo)本館的自然教育、國家公園智能應(yīng)用、國家公園管理預(yù)測預(yù)警功能、國家公園決策支持系統(tǒng)等功能模塊。

4 結(jié)論

以國家公園的視角，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息化手段，通過普達(dá)措國家公園大數(shù)據(jù)中心建設(shè)，建立了“一中心、兩平臺、三網(wǎng)、四系統(tǒng)”的普達(dá)措國家公園綜合管理信息化服務(wù)平臺，改變了傳統(tǒng)單一或分散的指揮、監(jiān)測或監(jiān)控格局，彌補(bǔ)了在國家公園信息化建設(shè)致力于高起點(diǎn)、大尺度、多樣性方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為國家公園乃至整個自然保護(hù)地的信息化建設(shè)提供了案例借鑒和技術(shù)參考。