大數據推動生態環境建設研究

王福嶺 李懷強 衣強 張巖 郭華 郭偉紅

[摘要]大數據技術在水土保持監測的結合使用，能夠使得水土流失發生規律的探索更為高效，這有助于災害的提前預判，從而為生態決策的制定提供足夠的理論依據，使得最終的大數據決策發揮出更大的作用。

[關鍵詞]水土保持監測;大數據;生態環境建設

[中圖分類號]X321-39

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-0037（2017）11-78-3

水土流失已成為我國頭號環境問題，成為社會普遍關注的熱點，越來越受黨和國家的高度重視，黨中央、國務院對水土保持生態建設做出一系列新的戰略決策和部署，將其確定為我國必須長期堅持的一項基本國策，加大投入，創新機制，加快發展。水利部提出在建設和完善水土保持信息化的要求下，水土保持監測作為一項十分重要的水土保持基礎性工作。

l 水土保持是生態環境建設的主體工程和根本性措施

習近平總書記指出，生態文明建設功在當代、利在千秋。十八大以來，水利部高度重視水土保持監測與信息化工作，隨著水土保持信息化工作的開展，其管理制度體系建設工作也相應得到推進。根據水土保持監測與信息化工作管理層次、管理對象、管理流程和管理要素等內容，2011年制定了《省（自治區、直轄市）水土保持信息系統建設基本技術要求》。

地面徑流泥沙觀測場和小流域綜合試驗區水土流失觀測，在監測、科研、示范、推廣等方面做出了重要貢獻。1981-1990年，河南省對7個水土保持試驗站所小流域控制站、徑流小區和雨量站徑流、泥沙和氣象觀測資料進行了整匯編和刊印。2011年河南省監測站網建成后，全省監測點從2011年開展觀測工作至今已取得了5個監測小流域控制站、13個坡面徑流場和11個水文站降水、徑流和泥沙監測成果數據。為了有效管理、應用監測成果數據，河南省2012年開始恢復監測成果數據整匯編和刊印工作。自1999年利用1995年本底數據開展全國水土保持遙感普查以來，河南省已擁有1995年、2000年的遙感普查成果數據，以及2012年為完成全國第一次水利普查工作任務，收集和處理2010年河南省境內1 002個野外單元的多層面、多元化地理信息數據。由于多次普查時間跨度大、技術路線不同，三個階段成果數據的范圍和精度均有差異，各自數據庫相對獨立，信息數據之間對比分析能力低。除此之外的基礎地理空間信息十分匱乏，遠不能滿足高速發展的信息時代的需要，信息化工作具體應用亟待開發。

截至2016年底，依托全國水土保持監測網絡和信息系統建設一期、二期工程，全國共建成水利部水土保持監測中心、7個流域機構水土保持監測中心站、31個省級水土保持監測總站、175個水土保持監測分站和735個水土保持監測點，監測任務與內容決定了發展大數據的可能，監測工作進展為發展大數據打下了良好基礎。為了使得水土保持監測工作得以持續地進行，要進行大數據的深入研究，并且制定好發展的計劃，有條不紊地進行大數據的應用探究工作，從而確定最為合適的大數據應用方案，將其真正運用到水土保持監測過程之中。

2 大數據在生態環境建設中的應用

隨著物聯網、云計算和移動通信等信息技術的不斷發展，水土保持管理者對水土監測信息獲取的需求日益強烈，這也為水土監測信息化的發展提供了技術支撐和動力。

大數據思維是大數據應用的核心，大數據應用更加重視相關關系分析。水土保持監測是一項重要的基礎性工作，發展和應用大數據，水利部五年來，對16個國家級水土流失重點預防區、19個重點治理區和1個生產建設項目集中區開展了水土流失動態監測，完成79萬平方公里監測范圍的土地利用、植被覆蓋、水土流失狀況和生產建設活動擾動狀況的動態監測，持續開展了69條典型小流域和92個典型監測點的水土流失定位觀測。根據動態監測結果，為掌握水土流失變化情況、指導全國水土保持和生態建設提供了重要依據。

日前河南省水土保持監測機構共有監測人員292人，其中，省總站49人，監測分站72人，監測點171人。監測人員中教授級高級工程師5人，高級工程師24人，工程師77人，全國水土保持監測網絡和信息系統建設二期工程（河南省）已于2011年完成驗收。二期工程在河南省建設29個水蝕監測點。其中，1個觀測場（新建1個），15個控制站（新建4個，利用水文站點11個），13個徑流場（新建13個）。涵蓋了河南省重點治理區、重點監督區和重點預防保護區。基本形成了泥沙、徑流、降雨、土壤、植被、土地利用等信息采集體系，監測站已經具備了一定范圍內的水土保持信息的分析能力，為信息化工 作的開展積累了成功經驗。

水利部提出了系統軟硬件環境建設、數據庫建設、應用系統開發完善及監管示范等方面的任務。陸續制定和頒布省（自治區、直轄市）水土保持信息系統建設基本技術要求、水土保持數據庫表結構與標識符、水土保持元數據、小流域劃分及編碼規范、水土保持遙感監測技術規范等標準規范。

近年來，水土保持監測的信息化主要還停留在以“3S”技術為代表的信息化階段，從21世紀初的第二次、第三次遙感工作的開始，至2013年完成的全國第一次水利普查，河南省培養了一批3S技術的應用型人才，人數由最初的2人發展到20多人，工作內容也從最初的遙感調查，拓展至規劃、實施方案、設計等各個方面，為信息化技術的廣泛應用和發展做好了人員儲備。但與整個信息化的技術發展相比，缺少有效的創新。

水土保持監測大數據具有信息量大、離散程度高、數據源廣、各種數據處理方式不一致等特征。以水土保持監測網絡和信息應用為重點，依托河南省水土保持監測二期網絡工程項目，結合國務院《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》提出的重點行動，結合IPv6的特點，重點研究物聯網標識與編碼、通信、數據處理與融合、電子標識、智能感知、定位導航、電子圖像處理等監測關鍵核心技術，以大數據技術為驅動解決河南省水土保持監測發展中的突出難題。

大數據必將日益凸顯其核心作用。實現與水土保持監測工作的有效融合，有助于建立比較完善的水土保持數據采集、傳輸、交換和發布體系，和國家、流域保持一致，實現信息資源的充分分享和有效開發利用。

3 以大數據技術為驅動的互聯網+水土保持監測技術體系

隨著技術不斷發展進步，免費或比較便宜的衛星遙感數據越來越豐富，而且好用，以資源三號等衛星影像為主要信息源，基于遙感軟件，采用面向對象分類等技術快速提取土地利用、植被覆蓋度等，能夠反映河南省小流域自然和其生態環境、流域農業和城鎮化、氣象信息等情況的衛星影像數據也越來越多。面向對象分類技術，利用對象信息（色調、形狀、紋理、層次）、類間信息（與鄰近對象、子對象、父對象的相關特征），針對對象而非傳統意義上的像素進行高分辨率遙感影像識別，是遙感影像自動識別技術的發展方向之一，可有效提高水土保持遙感監測解譯精度和工作效率，利用大數據技術對這類數據進行高效轉換、萃取、融合、分析，將為研究掌握流域水情水資源的情勢及水土保持工 作提供必不可少的幫助。

河南省小流域水土保持監測數據及其將來的定期更新維護，為我們提供了海量數據。目前，日趨嚴重的水土流失現狀迫切需要我們利用遙感影像預處理、影像分割、面向對象分類、矢量數據處理、利用矢量數據進行影像處理和變化檢測，土地利用、植被覆蓋度等信息快速提取技術以及eCognition、ERDAS等遙感軟件先進的技術手段，使大數據具有多樣、海量、快速和價值等特點。這些數據反映了流域整體情況，充分利用大數據技術深層挖掘分析這些寶貴的數據，可有助于研究流域經濟社會與河南省小流域水土保持之間的關系，可揭示其相互制約影響和促進發展的模式。基于遙感RS、地理信息系統GIS和全球定位系統GPS的“3S”有效結合技術，為土壤流失量、面源污染量的定量監測模型提供模型所需的因子（圖）數據而獲得定量監測結果，為水土流失治理和依法監督管理等提供有力的科學依據。

4 基于微信平臺的水土保持監測

微信是近年來涌現出的幾款的手機應用程序之一，從它問世起就迅速地積累了大量的用戶。它使用方便，功能強大，其微信公眾平臺更是成為各個企業機構進行品牌推廣的首選方式。河南財經政法大學項目團隊目前正在致力于微信公眾號在水土保持監測中的應用研究。通過微信公眾號實現各監測站點水土保持數據的時間段查詢，分析水土保持數據的特點，提供水位數據、氣象數據、TDR數據的時段查詢及推送。

大數據思維是大數據應用的核心，大數據應用更加重視相關關系分析。水土保持監測是一項重要的基礎性工 作，發展和應用大數據，有助于我們探索和找出水土流失發生發展的規律，實現科學預測，為生態決策從經驗決策、量化決策向大數據決策轉變提供支撐。監測任務與內容決定了發展大數據的可能，監測工作進展為發展大數據打下了良好基礎。進行水土保持大數據收集，通過云儲存上傳至終端設備，結合云計算進行分析，進而為水土保持工作的有效開展提供強大的支撐，對于水土保持監測信息化的發展將具有深遠的影響。

習近平總書記在十九大報告中指出，加快生態文明體制改革，建設美麗中國。人與自然是生命共同體，人類必須尊重自然、順應自然、保護自然。我們要建設的現代化是人與自然和諧共生的現代化，既要創造更多物質財富和精神財富以滿足人民日益增長的美好生活需要，也要提供更多優質生態產品以滿足人民日益增長的優美生態環境需要。水土保持工作者在生態文明建設中不僅要承擔起生態建設的重任，更要做生態文化的先鋒。要盡可能地創造出 豐富的生態成果、物質成果和生態文化成果，努力做生態文明建設的引導者、組織者、實踐者和推動者。

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