李偉超 鞠蜜蜜 郝博文 楊晟章

（1.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州 450046；2.航空經濟發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046）

0 引言

2019年9月18 日，習近平總書記在黃河流域舉行的關于“綠色發(fā)展”的專題討論會上指出，黃河是國家的戰(zhàn)略要道，是國家實現(xiàn)全面小康社會建設的關鍵地區(qū)，黃河在國家的發(fā)展和生態(tài)安全中占有舉足輕重的位置，是關系到民族振興與可持續(xù)發(fā)展的長遠大事。國家提出了大數(shù)據發(fā)展戰(zhàn)略［1］，將大數(shù)據技術應用于生態(tài)環(huán)境保護領域中，但中國在該領域尚處于探索階段［2］。其中，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據分析與利用為提高大面積的生態(tài)環(huán)境質量提供有效的監(jiān)測、評估和預報，為國家的生態(tài)環(huán)境保護和管理提供科學依據［3］。王占明［4］基于海城水文觀測數(shù)據，利用灰色數(shù)學方法，對海城今后可能出現(xiàn)的各類洪災進行預報和分析。Bahraminejad等［5］認為預警系統(tǒng)可作為一個實用廉價的工具，用于保護生態(tài)環(huán)境，從而使大數(shù)據成為解決生態(tài)環(huán)境問題的重要參考，能更加有效地維護區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量。

近年來，在沿黃流域生態(tài)保護與發(fā)展中使用了“云計算+生態(tài)預警”“數(shù)字經濟+高質量發(fā)展”“數(shù)字化轉型+高質量發(fā)展”“數(shù)據黃河+生態(tài)保護”“5G+高質量發(fā)展”等先進科技手段，對沿黃流域生態(tài)保護與高質量發(fā)展起到促進作用［6］。王軍［7］認為開展基于黃河流域的空天地融合大數(shù)據系統(tǒng)建設是十分有必要的。黃河流域的生態(tài)數(shù)據處理與分析將直接關系到黃河流域的差異化、精準化的生態(tài)環(huán)境保護。

本研究以沿黃流域為例，結合實際，探討大數(shù)據在生態(tài)環(huán)境保護中的應用，為進一步加強生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理和預警服務提供有益的借鑒。

1 大數(shù)據管理與預警服務概念

1.1 大數(shù)據管理概念

與常規(guī)數(shù)據相比，大數(shù)據有以下4個特點。一是速度快，這意味著數(shù)據的加工和傳播的及時性很高。隨著大數(shù)據的發(fā)展，依托大數(shù)據進行信息的集成和分析，進一步提高數(shù)據的處理效率，在保證質量的同時，也保證時效性；二是體量大，也就是說數(shù)據量很多。隨著時代的發(fā)展，大數(shù)據的量已從TB級升至PB級；三是價值高，即大數(shù)據有更高的價值；四是多樣性，即大數(shù)據類型的多樣性和內容的多樣性，涉及地理位置、圖片、視頻、文本等［8］。與常規(guī)數(shù)據管理不同的是，大數(shù)據管理的管理理念和管理對象是動態(tài)、系統(tǒng)、開放的，從數(shù)據屬性和獲得方面來看，大數(shù)據管理的是不具結構性特征、規(guī)模巨大、彼此可能并無關聯(lián)的數(shù)據流，要依賴新興技術對其進行處理。

1.2 預警服務體系概念

通過協(xié)調各階段的情報資源，可拓展和豐富風險社會突發(fā)危機事件管理的思路，為優(yōu)化應急預警服務提供新思路［9］。預警服務體系通過監(jiān)控技術手段來構建監(jiān)控網絡、信息發(fā)布系統(tǒng)和完整的組織體系，從而實現(xiàn)始終堅持以人為本，第一時間公布災害和緊急情況，讓民眾及時得到正確的防災減災資料，使政府做出科學的決策，并采取有效的防災減災措施，將損失降到最小。

2 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理

2.1 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理概述

生態(tài)環(huán)境是指影響人類生存發(fā)展的自然和環(huán)境因素，包括水、土壤、天然氣等資源能源，以及人以外的其他生物和其他環(huán)境因素［10］。大數(shù)據技術為解決生態(tài)環(huán)境問題提供新的思路，基于多部門、多源和多尺度的大量數(shù)據，對生態(tài)環(huán)境大數(shù)據進行管理，通過“空天地一體”技術能持續(xù)獲得生態(tài)和環(huán)境等方面的信息。利用模型模擬、集群分析、云計算、機器學習等方法，對生態(tài)環(huán)境數(shù)據進行挖掘分析，并找出其中的關鍵問題，從而制定出相應的解決方案。

隨著信息技術的發(fā)展，數(shù)據源的種類也越來越多。目前，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據的種類有衛(wèi)星遙感數(shù)據、地面監(jiān)測數(shù)據、地理信息、社會統(tǒng)計數(shù)據等［11］。

2.2 生態(tài)環(huán)境大數(shù)據預警應用

生態(tài)環(huán)境風險的預警工作可分為3個方面。一是對生態(tài)環(huán)境狀況進行評估；二是對生態(tài)環(huán)境今后的發(fā)展狀況進行預報；三是對評估與預報結果進行適時預警。大數(shù)據通過其在實際應用中產生的作用對生態(tài)環(huán)境產生影響。對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預警技術的研究包括對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、地質災害監(jiān)測、水質監(jiān)測和大氣監(jiān)測進行研究，也包括對國土開發(fā)、旅游保障和林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等的研究。

在區(qū)域生態(tài)環(huán)境預警中，以流域內濕地生態(tài)安全為出發(fā)點，基于壓力?狀態(tài)?響應（PSR）模型構建適合該區(qū)域的生態(tài)安全評價指標體系。同時，基于灰色預測模型構建濕地生態(tài)安全預測模型，對未來40年的濕地安全進行預測。采用狀態(tài)空間法和人工神經網絡模型對區(qū)域的生態(tài)承載力進行預警分析。選擇人工神經網絡模型與生態(tài)足跡指標體系相結合的方式，對生態(tài)敏感區(qū)的生態(tài)安全預警模型進行設計。

3 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警示范系統(tǒng)

沿黃流域生態(tài)環(huán)境問題治理是一個系統(tǒng)工程，使用大數(shù)據、云計算等新技術在統(tǒng)一協(xié)調機構規(guī)劃部署下構建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理平臺，在做好頂層設計的基礎上，建立沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警示范系統(tǒng)，及時、全面、準確地解決監(jiān)測、調度、調控、預警等問題，能更加有效地解決沿黃流域生態(tài)環(huán)境問題。

3.1 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)分析

沿黃流域生態(tài)系統(tǒng)是一個有機整體，要從上中下游來綜合考慮。目前，沿黃流域受水土流失、洪水風險、水資源短缺和水污染等問題的困擾。因此，實施沿黃流域的在線管理、在線調度、在線辦公和在線監(jiān)測，建立生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理和生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是解決沿黃河流域生態(tài)環(huán)境問題，預防沿黃流域內環(huán)境污染和自然災害的必由之路。

3.2 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)設計

根據沿黃流域生態(tài)保護和預警服務的現(xiàn)實需求，來構建沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警服務系統(tǒng)。充分運用數(shù)據集成，形成一個全流域、全時域、全要素的三維數(shù)據收集系統(tǒng)，為實現(xiàn)沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據智能化管理與預警打下基礎。

本研究通過建立數(shù)學模型、深度神經網絡模型、陰影關聯(lián)分析模型和三維地圖模型，來構建沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對沿黃流域多角度的監(jiān)測和分析，充分發(fā)揮在線匯總、在線監(jiān)測和在線處理等功能，為沿黃流域提供大數(shù)據服務。該系統(tǒng)的邏輯結構采用四層架構，即數(shù)據采集層、基礎支撐層、數(shù)據資源層、應用層，分別對應系統(tǒng)中的數(shù)據庫、信息管理子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)和信息發(fā)布子系統(tǒng)（見圖1）。

3.2.1 數(shù)據采集層。該層負責采集沿黃流域的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據，建立SQL和NoSQL數(shù)據庫，解決生態(tài)環(huán)境大數(shù)據的存儲問題。系統(tǒng)要先確定沿黃流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的具體指標，通過遙感監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對沿黃流域現(xiàn)有的地質水文情況等不同類型數(shù)據的實時監(jiān)測，將不同格式的信息轉化為統(tǒng)一的格式，并上傳到監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據庫中，從而實現(xiàn)對監(jiān)測結果和設備運行狀態(tài)的實時更新。

3.2.2 基礎支撐層。該層對應信息管理子系統(tǒng)，負責數(shù)據管理與交換業(yè)務，包括從遙感系統(tǒng)和監(jiān)測點中獲取沿黃流域生態(tài)環(huán)境靜態(tài)數(shù)據和動態(tài)數(shù)據，對采集到的數(shù)據進行存儲、處理、分析及備份等，為沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據的存儲和管理安全提供保障。

3.2.3 數(shù)據資源層。該層對應決策支持子系統(tǒng)，對采集到的環(huán)境質量數(shù)據和業(yè)務應用數(shù)據進行分類和管理，并確定沿黃流域生態(tài)環(huán)境預警閾值，對水污染、水量變化異常、土壤侵蝕等進行預警決策，為功能展示層提供支持。信息發(fā)布子系統(tǒng)可實現(xiàn)流域環(huán)境質量結果展示、統(tǒng)計分析、預報預警、發(fā)布流域環(huán)境質量實況等。最后，基于SOA服務框架，組成沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)。

3.3 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)實現(xiàn)

3.3.1 用智能設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)設備，可利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測、傳感器等實時收集數(shù)據，并在項目監(jiān)測、項目控制和項目評估中進行智能處理。

3.3.2 建設智慧的土壤保護系統(tǒng)。通過傳感器對監(jiān)測點土壤侵蝕因子進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據進行數(shù)據挖掘，對土壤侵蝕因子進行預測，并采取人工措施，來減少沿黃流域的洪澇和泥沙。

3.3.3 在污染控制上，對黃河沿岸的主要污水處理廠進行監(jiān)測。該系統(tǒng)采用基于網絡的傳感器技術，可對廢水排放進行實時監(jiān)測，并通過信息發(fā)布子系統(tǒng)將發(fā)現(xiàn)的可能污染區(qū)域展示出來。

3.3.4 使用智能洪水監(jiān)測法和可靠的綜合洪水預警系統(tǒng)。使用智能技術和大數(shù)據技術，在汛期前對水量變化進行監(jiān)測、預測和預報，一旦達到預警閾值，自動發(fā)送警告信息。汛期間，通過無人機對災區(qū)及時進行救援，并實時掌握洪水的具體情況。汛期過后，對災害及時進行統(tǒng)計，掌握災害情況。

3.3.5 科學分配水資源，提高用水效率，完善沿河黃流域水資源管理體制。運用智能技術來監(jiān)測流域內水量和用水的變化情況，把握用水規(guī)律，合理分配水量，通過新一代信息化技術，對流域的水資源實現(xiàn)快速監(jiān)測和預測［12］。

3.4 沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警系統(tǒng)建設建議

3.4.1 將云計算和生態(tài)預警有機地結合起來。利用云技術將現(xiàn)有生態(tài)問題的相關信息保存起來，獲取當前生態(tài)信息，并將其與相應的流域治理數(shù)據進行對比，對沿黃流域的主要問題、風險和風險時段進行重點預警，可實現(xiàn)實時生態(tài)預警。

3.4.2 把高質量發(fā)展和數(shù)字經濟有機結合起來。利用大數(shù)據技術對沿黃流域的數(shù)字經濟發(fā)展的相關數(shù)據進行存檔，以數(shù)字經濟引導、信息化建設和系統(tǒng)運用為主要目標，并結合沿黃流域的實際情況，提出科學發(fā)展途徑。

3.4.3 把數(shù)字化轉型和高質量發(fā)展有機地結合起來。利用大數(shù)據技術對沿黃流域現(xiàn)有的企業(yè)轉型、行業(yè)升級、結構調整和環(huán)境匹配等資料進行保存，對影響黃河流域高品質發(fā)展的產業(yè)結構和產業(yè)升級等關鍵信息進行監(jiān)測，實現(xiàn)對沿黃流域產業(yè)結構調整和產業(yè)升級的監(jiān)測。

3.4.4 把黃河與生態(tài)環(huán)境保護有機地聯(lián)系起來。利用大數(shù)據技術對沿黃流域現(xiàn)有的生態(tài)保護與高質量發(fā)展的原始資料進行儲存，努力建設“數(shù)據黃河”，加速實現(xiàn)資源化利用。

3.4.5 要把5G和高質量發(fā)展聯(lián)系起來。利用大數(shù)據，緊緊抓住科技創(chuàng)新與工業(yè)轉型的契機，強化“5G+高質量發(fā)展”的運用，著力引進高科技、高附加值項目，著力破解黃河流域的工業(yè)結構斷裂和產業(yè)結構斷裂問題，提高沿黃流域科技創(chuàng)新與運用的能力。

4 結語

沿黃流域的生態(tài)環(huán)境保護與高質量發(fā)展已被列入國家重要發(fā)展戰(zhàn)略。沿黃流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據管理與預警服務體系是一個龐大復雜的系統(tǒng)［13］，不僅要有大量流域內生態(tài)環(huán)境數(shù)據作為支撐，還要與沿黃流域內各地區(qū)的實地環(huán)境相結合，形成每個地區(qū)相對獨立的預警系統(tǒng)，還要與其他地區(qū)的系統(tǒng)相互聯(lián)系，憑借更精確的大數(shù)據信息，使具體的預警更具有針對性，加強流域內監(jiān)測力度，從而形成沿黃流域整體的大數(shù)據管理與預警服務體系，使沿黃流域生態(tài)環(huán)境得到切實保護與改善，大力推進沿黃流域高質量發(fā)展。