劉國(guó)波,戎 愷,唐 力,王偉民,周偉奇,韓寶龍,劉 凱,黃 洪

1 青海大學(xué),西寧 810016 2 深圳市鑫云通科技有限公司, 深圳 518031 3上海愷擎智能科技有限公司, 上海 201199 4 深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站, 深圳 518049 5 廣東省深圳生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站, 深圳 518049 6 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085

城市是人類(lèi)文明的標(biāo)志[1],城市生態(tài)環(huán)境是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),為人類(lèi)提供了物資供給、氣候調(diào)節(jié)和精神審美等各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[2]。隨著生態(tài)文明建設(shè)需求和科技進(jìn)步和,建設(shè)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)逐漸成為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、管理、保護(hù)和建設(shè)的重要手段[3]。當(dāng)前,已建成的平臺(tái)類(lèi)型主要包括綜合性智慧城市建設(shè)平臺(tái)、單要素單行業(yè)的監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)和區(qū)域性生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)。智慧城市是數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有機(jī)融合的產(chǎn)物[4—5],智慧城市建設(shè)可有效提升城市治理和管理效率[6],但目前我國(guó)智慧城市建設(shè)存在“重建設(shè)、輕應(yīng)用”等問(wèn)題[7],城市生態(tài)大數(shù)據(jù)方面的建設(shè)力度偏弱且缺乏與生態(tài)模型的耦合而難以支持城市生態(tài)治理的科學(xué)決策。圍繞濕地[8]、城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[9]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)[10—11]等單生態(tài)要素單行業(yè)的信息化平臺(tái)建設(shè)相對(duì)較多,這些平臺(tái)能滿(mǎn)足單個(gè)部門(mén)管理需要,卻難以滿(mǎn)足城市生態(tài)大數(shù)據(jù)管理需要。區(qū)域性生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)在較大尺度范圍也取得了較好的應(yīng)用效果[12—15],如金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理信息系統(tǒng)[14],然后由于尺度效應(yīng)和城市生態(tài)系統(tǒng)自身特點(diǎn),大尺度區(qū)域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理方案難以滿(mǎn)足城市智慧化管理需要。

深圳市地處我國(guó)廣東省南部,野生動(dòng)植物資源豐富[16],經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展導(dǎo)致資源環(huán)境約束趨緊、生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力加大,在生態(tài)文明和智慧城市建設(shè)背景下,如何借助物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)構(gòu)建集數(shù)據(jù)采集、信息提取、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、決策生成和快速服務(wù)為一體的城市生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧化管理與服務(wù)平臺(tái)？如何把城市生態(tài)大數(shù)據(jù)與生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量、服務(wù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等模型進(jìn)行有效耦合,與現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估體系對(duì)接,進(jìn)而提高城市生態(tài)治理能力和決策水平？等等這一系列問(wèn)題的解決亟需開(kāi)展城市生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧管理和服務(wù)平臺(tái)方面的研究。為此,本文基于 “空-地-網(wǎng)-統(tǒng)計(jì)-眾源”等方式[17]獲取的深圳市水、土、氣、生、人等多主題生態(tài)大數(shù)據(jù),利用時(shí)空地理大數(shù)據(jù)整合和共享、大數(shù)據(jù)挖掘、云端一體化業(yè)務(wù)協(xié)同等技術(shù),并結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估、分析和決策模型庫(kù),提出了深圳城市生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧管理和服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建方案,期待為城市生態(tài)大數(shù)據(jù)管理研究,深圳市生態(tài)環(huán)境治理和綠色發(fā)展提供科技支撐。

1 平臺(tái)構(gòu)建

1.1 平臺(tái)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)等信息化技術(shù)的快速發(fā)展為生態(tài)大數(shù)據(jù)的智慧管理和服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建提供了必要的技術(shù)途徑,也使生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具備了實(shí)用性、有效性與快捷性[18]。平臺(tái)總體架構(gòu)共包括4個(gè)層次和兩個(gè)支撐體系(圖1),四個(gè)層次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)匯集和處理層、應(yīng)用層,兩個(gè)支撐體系為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系。

感知層使用在線設(shè)備或衛(wèi)星等搭載對(duì)光照、溫度、濕度、氣體、聲音、影像等信號(hào)具有感知、識(shí)別、通信能力的傳感器,對(duì)城市生態(tài)環(huán)境要素的物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢(shì)進(jìn)行分布式狀態(tài)辨識(shí)和信息采集。也可基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用“人+智能終端APP”方式實(shí)現(xiàn)生態(tài)野外數(shù)據(jù)調(diào)查與采集。

網(wǎng)絡(luò)層基于無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)和通訊協(xié)議,實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)字信息的編碼、認(rèn)證、路由和控制。廣泛覆蓋的移動(dòng)通信2G/3G/4G/5G/WIFI網(wǎng)絡(luò)和ZigBee/NB-IoT技術(shù)可為生態(tài)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和連續(xù)傳輸提供可靠的網(wǎng)絡(luò)保證。

數(shù)據(jù)匯集和處理層借助WebGIS、數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)挖掘、遙感和地理信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理、影像柵格、地面調(diào)查、統(tǒng)計(jì)分析等各類(lèi)生態(tài)大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的匯交、清洗、整合、處理和分析,為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層是整個(gè)平臺(tái)的核心組成部分和信息出口,基于面向生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和評(píng)估的方法庫(kù)/模型庫(kù)/對(duì)策庫(kù),實(shí)現(xiàn)了生態(tài)大數(shù)據(jù)展示和統(tǒng)計(jì)分析、城市生態(tài)評(píng)價(jià)分析、信息服務(wù)和發(fā)布、生態(tài)安全預(yù)測(cè)預(yù)警四項(xiàng)功能,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了面向政府管理部門(mén)和科研人員的城市生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理決策分析系統(tǒng)。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為技術(shù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)質(zhì)量、技術(shù)規(guī)范和組織管理方面的體制保障；安全保障為技術(shù)平臺(tái)穩(wěn)定可靠運(yùn)行提供數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)安全方面的技術(shù)保障。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.1 Platform architecture diagramNB-IoT: 窄帶物聯(lián)網(wǎng) Narrow band internet of things; WIFI: 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) Wireless fidelity; ZIGBEE: 紫蜂協(xié)議 ZigBee

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)組成和管理

數(shù)據(jù)資源是信息化技術(shù)平臺(tái)的基石,隨著遙感影像、社交平臺(tái)和智能終端來(lái)源生態(tài)大數(shù)據(jù)的不斷涌現(xiàn),構(gòu)建科學(xué)合理的數(shù)據(jù)分類(lèi)體系是城市生態(tài)大數(shù)據(jù)有效集成和管理的必要前提[19—21],本文以“分類(lèi)科學(xué)明確、管理方便高效”為原則構(gòu)建了7種數(shù)據(jù)庫(kù)：(1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)行政邊界、道路、興趣點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和采樣點(diǎn)等數(shù)據(jù)。(2)影像柵格數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)深圳市1979年至今的原始高分、中分衛(wèi)星數(shù)據(jù)及其分類(lèi)專(zhuān)題圖。(3)地面生態(tài)調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)植物、動(dòng)物、微生物、水生生物名錄、數(shù)量、多樣性、空間分布、居留型、區(qū)系、生境類(lèi)型、保護(hù)級(jí)別等數(shù)據(jù),涉及動(dòng)物調(diào)查點(diǎn)位記錄17161個(gè),植物調(diào)查樣地885塊,河流水生態(tài)樣點(diǎn)33個(gè),微生物調(diào)查樣點(diǎn)8個(gè)。(4)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)城市歷年各街道人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源利用、污染排放等數(shù)據(jù)。(5)生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),涉及自動(dòng)氣象站的小時(shí)和日值數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量站數(shù)據(jù)、氣象塔數(shù)據(jù)和生態(tài)站碳通量數(shù)據(jù)等。(6)文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)庫(kù),主要存儲(chǔ)深圳市政府各部門(mén)以及其它權(quán)威部門(mén)歷年發(fā)布的生態(tài)環(huán)境類(lèi)文獻(xiàn)資料電子版或者掃描件。(7)多媒體數(shù)據(jù)庫(kù),存儲(chǔ)照片和音視頻數(shù)據(jù)。

元數(shù)據(jù)是對(duì)數(shù)據(jù)基本信息的描述和規(guī)定,也是數(shù)據(jù)交匯和共享體系中連接數(shù)據(jù)提供者、使用者和管理者的紐帶[22]。生態(tài)大數(shù)據(jù)涉及部門(mén)眾多,數(shù)據(jù)類(lèi)型復(fù)雜多樣且時(shí)空屬性信息重要,元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)在基本標(biāo)準(zhǔn)之上根據(jù)數(shù)據(jù)特色進(jìn)行了個(gè)性化定制和擴(kuò)展。平臺(tái)數(shù)據(jù)均包含數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)名稱(chēng)、數(shù)據(jù)類(lèi)別、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)量大小、檢索關(guān)鍵詞、數(shù)據(jù)提供者等基本元數(shù)據(jù)信息；基礎(chǔ)地理等空間數(shù)據(jù)除基本元數(shù)據(jù)信息之外還包含時(shí)間跨度、地理范圍、空間分辨率或比例尺、時(shí)間分辨率、要素類(lèi)型等信息,遙感影像數(shù)據(jù)還需強(qiáng)調(diào)傳感器名稱(chēng)、數(shù)據(jù)波段、加工處理方法；而多媒體數(shù)據(jù)還需要額外提供編碼方式、分辨率、拍攝信息、位置等信息。所有入庫(kù)數(shù)據(jù)均在元數(shù)據(jù)信息完備的基礎(chǔ)上,為數(shù)據(jù)管理和共享服務(wù)提供基礎(chǔ)保障。

數(shù)據(jù)管理是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)[21],本文使用“地理數(shù)據(jù)庫(kù)+關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)+文件數(shù)據(jù)庫(kù)”相結(jié)合的方式對(duì)生態(tài)大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。其中,空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橥豢臻g參考后存儲(chǔ)于PostGIS地理數(shù)據(jù)庫(kù)；調(diào)查統(tǒng)計(jì)等關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Microsoft SQL Server 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；微博爬蟲(chóng)數(shù)據(jù)和動(dòng)植物圖片等非關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于MongoDB分布式文件數(shù)據(jù)庫(kù),方便對(duì)文本型和圖片型數(shù)據(jù)進(jìn)行索引和查詢(xún)。

1.3 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1時(shí)空地理大數(shù)據(jù)整合和共享技術(shù)

時(shí)空地理大數(shù)據(jù)是城市生態(tài)大數(shù)據(jù)的重要組成部分[23],兼具大數(shù)據(jù)容量大(Volume)、多樣性(Variety)、價(jià)值高(Value)、速度快(Velocity)的“4V”特征,還呈現(xiàn)出多載荷、多分辨率、多時(shí)相和多要素的“四多”特點(diǎn)[24],需要借助遙感、地理信息和WebGIS等技術(shù)對(duì)時(shí)空地理大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,向下屏蔽時(shí)空地理大數(shù)據(jù)的復(fù)雜異構(gòu)性,向上提供時(shí)空地理信息基礎(chǔ)底座賦能開(kāi)放多元化業(yè)務(wù)應(yīng)用[25],從而實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)、跨地域和跨層級(jí)間的有效共享。

借助地理信息處理工具對(duì)遙感影像進(jìn)行投影變換、圖像拼接、空間分析和專(zhuān)題制圖等處理；基礎(chǔ)地理等矢量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾何、屬性和拓?fù)錂z查等操作集成到平臺(tái)；生態(tài)監(jiān)測(cè)類(lèi)數(shù)據(jù)、動(dòng)物樣線調(diào)查、植物樣地調(diào)查、植物優(yōu)勢(shì)物種普查和水生態(tài)采樣調(diào)查數(shù)據(jù)等均按照自身空間位置進(jìn)行空間化處理；統(tǒng)計(jì)表格數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)范式進(jìn)行整理、清洗,根據(jù)數(shù)據(jù)所屬行政區(qū)或地理分區(qū)邊界進(jìn)行關(guān)聯(lián)；采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)工具采集的微博評(píng)論數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)隨機(jī)抽樣和分詞工具清理之后建立文本數(shù)據(jù)庫(kù),每條數(shù)據(jù)包含文本評(píng)論內(nèi)容、發(fā)布地點(diǎn)、發(fā)布時(shí)間以及微博用戶(hù)基本信息。最終形成以高分辨率遙感影像和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為基底的生態(tài)環(huán)境“一張圖”核心數(shù)據(jù)體系。

信息化時(shí)代的時(shí)空大數(shù)據(jù)的快速更新、可視化表達(dá)和共享需要滿(mǎn)足互動(dòng)、動(dòng)態(tài)、快速和自動(dòng)等要求[26—27]。使用“Geoserver+Openlayers+Cesium”方式搭建二三維一體化時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化和共享服務(wù)平臺(tái),基于空間數(shù)據(jù)處理軟件編碼實(shí)現(xiàn)時(shí)空地理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)提交、自動(dòng)入庫(kù)、屬性關(guān)聯(lián)、樣式渲染、專(zhuān)題制圖和信息共享；平臺(tái)以SOAP、XML、WSDL、UDDI 等技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)資源目錄,使用角色定義配置各類(lèi)用戶(hù)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限,并通過(guò)地圖服務(wù)、影像服務(wù)、要素服務(wù)、地理處理服務(wù)和定制服務(wù)等方式向用戶(hù)提供服務(wù)。

1.3.2生態(tài)大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)由于自身的特性存在難以集成與管理、難以自動(dòng)化處理與分析的問(wèn)題,尤其是涉及空間相關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘十分困難[5]。生態(tài)大數(shù)據(jù)需要借助機(jī)器學(xué)習(xí)、遙感、GIS空間分析和網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等技術(shù)的深度挖掘與分析[28—29]才能發(fā)現(xiàn)更多深層次信息和知識(shí)。

生態(tài)系統(tǒng)格局是生態(tài)大數(shù)據(jù)的重要組成部分,機(jī)器學(xué)習(xí)可用于揭示生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的格局特征與演變規(guī)律?；诟叻中l(wèi)星遙感數(shù)據(jù),結(jié)合矢量數(shù)據(jù)輔助,利用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的影像自動(dòng)分類(lèi)(非監(jiān)督分類(lèi))多等級(jí)景觀格局提取分析技術(shù),定量解構(gòu)了城市多等級(jí)的生態(tài)精細(xì)格局。城市熱環(huán)境和地表參數(shù)的獲取對(duì)于城市人居舒適度評(píng)價(jià)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估至關(guān)重要,平臺(tái)基于遙感數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用地表溫度反演模型、凈初級(jí)生產(chǎn)力反演模型和植被生物量反演模型等完成上述參數(shù)的獲取。

生態(tài)大數(shù)據(jù)的挖掘涉及生態(tài)、林草、國(guó)土、氣象等多部門(mén)和多源空間數(shù)據(jù)的綜合分析,借助空間插值模型、空間聚類(lèi)分析模型、空間疊加分析模型、最小費(fèi)用模型等方法,完成不同類(lèi)型的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)相互連接和協(xié)同分析,釋放生態(tài)大數(shù)據(jù)的價(jià)值。

城市人居舒適度關(guān)乎人們幸福感,影響人們身心健康,是評(píng)價(jià)一個(gè)城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵[30],也為城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善提供指導(dǎo)方向。微博大數(shù)據(jù)是城市人居舒適度情感調(diào)查的主要數(shù)據(jù)源,平臺(tái)首先以“天氣或空氣質(zhì)量”為關(guān)鍵詞使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)工具采集微博評(píng)論大數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)有效性處理后自動(dòng)化集成,并使用“SnowNLP”情感分析工具計(jì)算每條微博的情感分值；然后以微博情感分值、遙感數(shù)據(jù)反演、監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)分析城市熱環(huán)境與空氣質(zhì)量的空間分布與演變特征、居民對(duì)熱與空氣質(zhì)量的感受等因素實(shí)現(xiàn)了人居舒適度指數(shù)的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和發(fā)布。

1.3.3云端一體化業(yè)務(wù)協(xié)同技術(shù)

平臺(tái)基于生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了“云端互聯(lián)、一云多端”的“一張圖”應(yīng)用體系,即在服務(wù)器端依托深圳政務(wù)云軟硬件資源以“一張圖”為核心實(shí)現(xiàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的匯集、整合、展示、查詢(xún)、處理和共享,并與深圳市原有智慧環(huán)保平臺(tái)無(wú)縫集成,通過(guò)“統(tǒng)一安全防護(hù)、統(tǒng)一資源管理、統(tǒng)一用戶(hù)管理、統(tǒng)一授權(quán)管理、統(tǒng)一門(mén)戶(hù)集成、統(tǒng)一接入管理”的“六統(tǒng)一”方式實(shí)現(xiàn)“資源共建共用、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、業(yè)務(wù)協(xié)同處理、信息及時(shí)共享”,支持多種用戶(hù)跨設(shè)備終端類(lèi)型進(jìn)行訪問(wèn),針對(duì)政府管理人員、生態(tài)環(huán)境科研人員、業(yè)務(wù)部分調(diào)查人員和普通公眾提供差異化系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。

2 平臺(tái)主要功能和應(yīng)用

2.1 生態(tài)野外數(shù)據(jù)調(diào)查采集系統(tǒng)

生態(tài)野外數(shù)據(jù)調(diào)查采集系統(tǒng)服務(wù)于科研人員和業(yè)務(wù)部門(mén)的專(zhuān)業(yè)用戶(hù),包括野外生態(tài)數(shù)據(jù)采集APP和后臺(tái)管理Web系統(tǒng)。采集APP主要包括用戶(hù)登錄與注冊(cè)、最新消息顯示、數(shù)據(jù)采集、樣地調(diào)查、歷史數(shù)據(jù)查看、離線地圖顯示、用戶(hù)設(shè)置等功能,后臺(tái)管理Web系統(tǒng)的主要包括采集員管理、數(shù)據(jù)模板管理、樣地管理、采集任務(wù)管理、采集數(shù)據(jù)管理、采集員監(jiān)控和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。目前,調(diào)查人員通過(guò)APP已上傳5萬(wàn)多個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)和上萬(wàn)張照片。

2.2 城市生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理決策分析系統(tǒng)

城市生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估工作涉及生態(tài)、水文、氣象、遙感、地理信息等多個(gè)學(xué)科的知識(shí),所需評(píng)估模型復(fù)雜多樣,過(guò)程十分繁瑣,技術(shù)門(mén)檻較高,限制了生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)評(píng)估模型在政府決策和跨領(lǐng)域應(yīng)用中的推廣[31]。平臺(tái)借助數(shù)據(jù)和算力優(yōu)勢(shì)運(yùn)用監(jiān)測(cè)評(píng)估生態(tài)模型和算法,實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)計(jì)算、綜合評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、報(bào)告生成、可視化輔助決策等功能,提高了深圳市生態(tài)環(huán)境管理和決策的科學(xué)化水平。

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)格局-構(gòu)成-過(guò)程監(jiān)測(cè)

生態(tài)系統(tǒng)格局評(píng)估模塊提供了生態(tài)系統(tǒng)格局分析、景觀格局指數(shù)計(jì)算、斑-廊-基分析、動(dòng)態(tài)度分析、城市擴(kuò)張分析等功能；生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成評(píng)估模塊全面集成和空間化了深圳市動(dòng)物、植物和微生物的地面調(diào)查數(shù)據(jù),聚焦物種多樣性并揭示其空間分布特征；生態(tài)過(guò)程評(píng)估模塊實(shí)現(xiàn)了深圳市物質(zhì)、能量、水和典型元素代謝特征的空間化評(píng)估。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)格局、構(gòu)成、過(guò)程存在的主要問(wèn)題和變化驅(qū)動(dòng)因素提出了相應(yīng)的提升對(duì)策。具體包括重要廊道保護(hù)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)保護(hù)、綠色網(wǎng)格構(gòu)建等景觀格局優(yōu)化對(duì)策,群落優(yōu)化、生境改善、動(dòng)植物保護(hù)等構(gòu)成優(yōu)化對(duì)策,熱環(huán)境緩解、資源可持續(xù)利用、城市生態(tài)系統(tǒng)效率優(yōu)化等過(guò)程優(yōu)化對(duì)策。如,平臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)格局分析功能基于長(zhǎng)時(shí)間序列的中分衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),揭示了深圳自建市以來(lái)森林、草地、濕地、農(nóng)田和城鎮(zhèn)等生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的空間格局與演變特征。結(jié)果表明,過(guò)去40年深圳市城市化快速發(fā)展,城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)張顯著侵占了大量生態(tài)空間,其面積占比已從1979年的1.36%增長(zhǎng)至2019年的48.36%,與此同時(shí),森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)面積顯著減少(圖2)。針對(duì)城市發(fā)展空間與生態(tài)空間矛盾突出問(wèn)題,提出了劃定基本生態(tài)控制線來(lái)限制城市的持續(xù)蔓延,并結(jié)合城市更新通過(guò)空間整治、生態(tài)修復(fù)等措施提升老區(qū)生態(tài)功能改善人居環(huán)境的對(duì)策。

圖2 1979—2019年深圳市各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)面積占比Fig.2 Proportion of the area of various ecosystems in Shenzhen from 1979 to 2019

2.2.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模塊提供了熱島效應(yīng)消減、徑流調(diào)節(jié)、空氣凈化調(diào)節(jié)、固碳釋氧、土壤保持、生物多樣性維持、海岸帶防護(hù)、綠地服務(wù)供給有效性評(píng)估等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估功能。同時(shí),針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估狀況給出了微氣候調(diào)節(jié)服務(wù)提升、水土保持服務(wù)提升和水源涵養(yǎng)服務(wù)提升對(duì)策。城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有固碳釋氧、降溫增濕、抗污滯塵、減弱噪音等多種生態(tài)功能,對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境,提高城市居民生活品質(zhì)有著舉足輕重的作用,是城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),平臺(tái)使用網(wǎng)絡(luò)分析法研究了239個(gè)城市綠地的可達(dá)性水平,并以到綠地的距離500 m、1000 m和2000 m為界劃分城市綠地可達(dá)性的等級(jí)。結(jié)果表明,深圳市公園綠地社會(huì)服務(wù)范圍有限且空間分布不均,為此,深圳市需要在城市綠地社會(huì)服務(wù)盲區(qū)增加綠地建設(shè),同時(shí),調(diào)整綠地組成與結(jié)構(gòu)特征提升城市綠地生態(tài)功能。

2.2.3生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估是分析生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)及服務(wù)能力,對(duì)其進(jìn)行健康診斷,做出綜合的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)分析,評(píng)價(jià)其當(dāng)前狀態(tài)并預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),為生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)[32]。生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)估模塊使用生態(tài)健康綜合評(píng)估模型、人居舒適度分析模型、水生態(tài)健康評(píng)估模型、基于碳排放指標(biāo)的生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)估模型對(duì)深圳市的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估。

生態(tài)健康綜合評(píng)估模型包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵指標(biāo)、核心指數(shù)、綜合指數(shù)4個(gè)層次：(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層包括與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的城市統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)等。(2)面向國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策銜接的關(guān)鍵指標(biāo)層,其各項(xiàng)指標(biāo)主要來(lái)自“領(lǐng)導(dǎo)干部離任自然資源審計(jì)”、“資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警長(zhǎng)效機(jī)制”、“生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值實(shí)現(xiàn)機(jī)制”和“深圳率先建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化先行區(qū)指標(biāo)體系”,以及深圳市重點(diǎn)生態(tài)問(wèn)題指標(biāo)和后續(xù)需要健全的重要城市長(zhǎng)期生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。(3)面向綜合指數(shù)計(jì)算核心指數(shù)層,其各指標(biāo)按照代謝效率、服務(wù)能力、典型問(wèn)題3個(gè)方面進(jìn)行細(xì)分,核心指數(shù)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整,按照本文給定的方法,調(diào)整指標(biāo)并不會(huì)影響當(dāng)年綜合指數(shù)得分,有效減少了指標(biāo)調(diào)整選擇變化帶來(lái)的得分波動(dòng),提高了長(zhǎng)期可比較性。(4)面向政府評(píng)估和民眾知曉的綜合指數(shù)層,該層包括三類(lèi)指數(shù)和一個(gè)綜合指數(shù)：生態(tài)系統(tǒng)代謝效率指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力指數(shù)、生態(tài)系統(tǒng)典型問(wèn)題指數(shù),以及進(jìn)一步壓縮為一維度的綜合指標(biāo)“城市生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)”,平臺(tái)對(duì)外發(fā)布綜合指數(shù)層內(nèi)容。

人居舒適度分析模型以微博評(píng)論數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,限定深圳為評(píng)論地點(diǎn),以“天氣或空氣質(zhì)量”為關(guān)鍵詞,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)抓取工具收集有關(guān)天氣或氣候相關(guān)的文本評(píng)論數(shù)據(jù),通過(guò)微博數(shù)據(jù)情感分析結(jié)合當(dāng)時(shí)的氣象和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行人居舒適度分析并自動(dòng)計(jì)算和發(fā)布每天的人居舒適度滿(mǎn)意指數(shù)。通過(guò)平臺(tái)對(duì)2020全年的微博情感分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),深圳居民對(duì)人居環(huán)境整體上是滿(mǎn)意的,其中非常滿(mǎn)意率為33.25%,很滿(mǎn)意率為7.24%,滿(mǎn)意為5.81%；不滿(mǎn)意率為35.88%。

水生態(tài)健康評(píng)價(jià)是推進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重要手段,平臺(tái)構(gòu)建了河流水文、河流形態(tài)、河岸帶、水體理化、水生生物和干擾強(qiáng)度等6 項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)及22 項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的河流健康綜合評(píng)價(jià)體系[33]；然后,采用層次分析法確定各指標(biāo)項(xiàng)的權(quán)重,并以100分為滿(mǎn)分按不同的權(quán)重賦予各級(jí)指標(biāo)不同的分值,某樣點(diǎn)6 個(gè)一級(jí)指標(biāo)的的得分總和便是最終的評(píng)價(jià)得分；最后,根據(jù)生態(tài)水文、流域植被、河道生態(tài)護(hù)岸、生態(tài)質(zhì)量、生態(tài)服務(wù)、動(dòng)植物棲息地等生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)對(duì)流域水生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明,深圳市水生態(tài)健康狀況總體得分偏低,有待進(jìn)一步提升,其中,總氮和底棲動(dòng)物多樣性等指標(biāo)得分偏低。

基于工業(yè)碳排放的生態(tài)評(píng)估模型是使用生態(tài)環(huán)境壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(Pressure-State-Response,PSR)模型圍繞工業(yè)碳排放修正生態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系?？紤]到工業(yè)碳排放總量和強(qiáng)度是由于人類(lèi)能源消耗及化石原料使用給生態(tài)安全帶來(lái)的生態(tài)脅迫,且與多項(xiàng)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)關(guān)系明顯,因此參考深圳市低碳城市指標(biāo)體系,結(jié)合歷年工業(yè)環(huán)境污染數(shù)據(jù)的可獲性,構(gòu)建了包含工業(yè)碳排放總量、工業(yè)碳排放強(qiáng)度在內(nèi)的生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)估指標(biāo)體系。

2.2.4生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)防范

生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)防范是城市生態(tài)管理的工作重點(diǎn)。生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)防范模塊基于調(diào)查數(shù)據(jù)使用物種入侵分析方法和面源污染分析方法,對(duì)深圳市外來(lái)物種入侵、城市內(nèi)澇、城市熱風(fēng)險(xiǎn)、臭氧風(fēng)險(xiǎn)、BVOCs排放和花粉致敏等問(wèn)題進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和可視化展示,并為城市生態(tài)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)防范提供防范物種入侵、面源污染和花粉致敏方面的對(duì)策支持。例如,平臺(tái)根據(jù)植物普查、植物花期、花粉致敏植物名錄和花粉致敏等級(jí)數(shù)據(jù),計(jì)算生成了深圳市不同季節(jié)的花粉致敏風(fēng)險(xiǎn)分布圖(圖3),以此針對(duì)花粉致敏易感人群提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范措施,即建議在致敏風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域加強(qiáng)科普和風(fēng)險(xiǎn)提示以保護(hù)人體健康。

圖3 花粉致敏風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.3 Risk distribution of pollen allergy

2.2.5生態(tài)管理戰(zhàn)略與政策

生態(tài)管理戰(zhàn)略與政策模塊為全國(guó)和深圳建市40年以來(lái)實(shí)施的生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策提供了查詢(xún)預(yù)覽功能和深圳生態(tài)管理政策與城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)演進(jìn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能,模塊集成的熵權(quán)法和耦合協(xié)調(diào)度方法模型,為未來(lái)深圳市生態(tài)系統(tǒng)管理戰(zhàn)略框架與政策體系的制定提供了輔助決策功能。

2.3 深圳生態(tài)大調(diào)查

公眾參與是城市生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧管理和服務(wù)平臺(tái)共建、共治、共享的重要途徑,也是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和服務(wù)信息科學(xué)性與準(zhǔn)確性檢驗(yàn)的有效途徑。在2020年5月22日的國(guó)際生物多樣性日主題活動(dòng)中,平臺(tái)對(duì)公眾發(fā)布了深圳生態(tài)大調(diào)查APP,APP服務(wù)于大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和深圳綠色基金會(huì)組織的青少年生態(tài)大調(diào)查挑戰(zhàn)賽等活動(dòng),旨在讓更多市民參與生態(tài)調(diào)查活動(dòng),體驗(yàn)戶(hù)外調(diào)查樂(lè)趣,了解深圳市生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀,感受深圳城市生態(tài)魅力,促進(jìn)人居生活和城市生態(tài)的和諧發(fā)展。其它機(jī)構(gòu)也能夠利用該APP的植物識(shí)別、標(biāo)注和打分功能組織戶(hù)外探索等活動(dòng)。公眾通過(guò)生態(tài)大調(diào)查APP提供的調(diào)查記錄將被用來(lái)與業(yè)務(wù)部門(mén)調(diào)查記錄進(jìn)行相互驗(yàn)證和補(bǔ)充,為專(zhuān)業(yè)調(diào)查提供結(jié)果復(fù)核。

3 平臺(tái)特點(diǎn)及應(yīng)用前景

平臺(tái)集成的生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量、服務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合評(píng)估模型,為多源生態(tài)大數(shù)據(jù)的挖掘分析工作提供了專(zhuān)業(yè)工具,為生態(tài)大數(shù)據(jù)“數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)-決策”的價(jià)值化過(guò)程提供了科學(xué)支撐,平臺(tái)的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：(1)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信息化平臺(tái)缺乏科學(xué)分析的不足,使平臺(tái)不再是原始數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單展示,而是大數(shù)據(jù)中隱式、先前未知和潛在有價(jià)值信息的充分挖掘和快速服務(wù)。(2)平臺(tái)能有效降低了用戶(hù)數(shù)據(jù)收集與處理,及專(zhuān)業(yè)模型操作的難度,突破了原始數(shù)據(jù)應(yīng)用的瓶頸和難點(diǎn),提高了專(zhuān)業(yè)模型在業(yè)務(wù)部門(mén)中的使用率,有效解決了“重建設(shè),輕應(yīng)用”的問(wèn)題。(3)借助大數(shù)據(jù)分析工具和專(zhuān)業(yè)模型分析,實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性多要素、多行業(yè)數(shù)據(jù)的綜合分析,避免了單要素、單行業(yè)數(shù)據(jù)的碎片化管理和分析,為城市生態(tài)大環(huán)保事業(yè)的協(xié)同分析和智慧化管理提供了必要的技術(shù)保障。

平臺(tái)所采用的技術(shù)方案和專(zhuān)業(yè)分析模型,可以在省、市、縣等各級(jí)政府部門(mén)中推廣使用,更好服務(wù)于城市的智慧管理和綠色發(fā)展。同時(shí),生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧管理和服務(wù)平臺(tái)建設(shè)作為智慧環(huán)保建設(shè)的一部分,可以進(jìn)一步加強(qiáng)與智慧交通、智慧水利等服務(wù)平臺(tái)的互聯(lián)互通,為“美麗城市”和“智慧城市”建設(shè)提供一個(gè)“大而智”的綜合性信息化服務(wù)平臺(tái)。

4 結(jié)語(yǔ)

城市生態(tài)大數(shù)據(jù)智慧管理和服務(wù)平臺(tái)依靠“生態(tài)大數(shù)據(jù)+專(zhuān)業(yè)模型”的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了從生態(tài)大數(shù)據(jù)到管理決策知識(shí)的挖掘,克服了傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境管理過(guò)程中遇到的多維數(shù)據(jù)獲取困難、整合挖掘能力不足、專(zhuān)業(yè)分析模型欠缺、數(shù)據(jù)難以有效支持決策等問(wèn)題,從而全面提升了城市生態(tài)治理決策水平。深圳城市生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估管理決策分析系統(tǒng)運(yùn)用監(jiān)測(cè)評(píng)估生態(tài)模型和算法,實(shí)現(xiàn)了指標(biāo)計(jì)算、綜合評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、報(bào)告生成、可視化輔助決策等功能,為深圳市生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)防范提供了數(shù)據(jù)支撐,也為深圳市生態(tài)環(huán)境的管理和決策、科學(xué)研究和公眾科普提供了重要的技術(shù)平臺(tái)。未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)其他信息技術(shù)和專(zhuān)業(yè)模型在生態(tài)大數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用,提升用數(shù)據(jù)支撐決策和服務(wù)的能力。