基于大數據技術的海南紅樹林保護初探

王明松，錢靜媛

（三亞學院 信息與智能工程學院，海南 三亞 572022；三亞理工職業學院，海南 三亞 572022）

基于大數據技術的海南紅樹林保護初探

王明松，錢靜媛

（三亞學院 信息與智能工程學院，海南 三亞 572022；三亞理工職業學院，海南 三亞 572022）

紅樹林資源廣泛分布于海南的環海岸線，對防浪護堤、促淤造陸、維持生物多樣性和凈化自然環境等起著重要的作用，是建設綠色智慧旅游島的基礎環境保障。可以利用以大數據為代表的現代信息技術，保護被日益破壞的紅樹林種群而提出的基礎框架，為紅樹林的全面保護與開發給出了一條創新性思路。

大數據；紅樹林保護；綠色旅游島；信息系統

一、紅樹林對海南社會經濟發展中的作用

紅樹林是以草本、藤本紅樹等物種為主體的常綠灌木或喬木組成的潮灘濕地木本生物群落，其一般長在熱帶、亞熱帶低海岸潮間帶上部，受到周期性潮水浸淹，主要分布于陸地與海洋交界帶的灘涂淺灘，是陸地向海洋過度的特殊生態系統。全世界約有55種紅樹林樹種。中國紅樹林共有27種，分屬20科、25屬。主要分布于廣西、廣東、臺灣、海南、福建和浙江南部沿岸。無論是種類和分布范圍，在太平洋西岸，中國的紅樹林都具有代表性。

海南的紅樹林種類豐富，在熱帶海岸線上形成了一道獨特的景觀，是我國紅樹林種類較多的地區之一。其主要分布于海南島東部、東北部的文昌市清欄港、下場港及與瓊山縣相連的東寨港；南部的三亞、榆林等港灣及東南部陵水縣新村港等處也分布廣泛。東部萬寧市的楊梅港、北部匯邁縣的花場港及臨高縣的馬裊港也有分布，西部澹州市的新英港及海頭港和昌江縣的南羅新港等地亦有分布。

紅樹林對海南島的生態保護和社會經濟發展具有重要意義。

（一） 防浪護堤作用

由于紅樹林長期生長在海潮浸淹的鹽漬土壤上,所以形成一種與環境相適應的、獨一無二的生態學特性，通過網羅碎屑的方式促進土壤的形成，抵抗潮汐的沖擊，對固堤護岸、抗風浪有很好的作用。根系發達、在海邊茂密生長的紅樹林固灘護堤的能力很強,對風浪具有強大的“消能”作用，是抵擋海嘯的天然屏障。研究表明，沿海灘涂紅樹林防護林帶寬度100m，高度4～6m，郁閉度達40%，消浪效果可達80%以上。

（二）促淤造陸功能

通過網羅碎屑的方式促進土壤的形成。紅樹林發達的根系減緩了流速，促進了顆粒物質的沉積。測定結果表明，紅樹林灘涂淤積速率大大高于鄰近裸灘2—3倍。因此，紅樹林可加速灘地淤高和向海伸展，使海灘面積不斷擴大和抬升，從而達到鞏固堤岸的作用。紅樹林的促淤造陸功能在防止因全球變暖帶來的海平面上升方面有獨特的作用。

（三）維持生物多樣性功能

由于紅樹林區內潮溝發達，吸引深水區的動物來到紅樹林區內覓食棲息。為海洋動物提供良好的生長發育環境。紅樹林擁有豐富的鳥類食物資源，是候鳥的越冬場和遷徙中轉站，更是各種海鳥的覓食棲息，生產繁殖的場所，海鳥的消化殘余物堆積在紅樹林濕地土壤里，使得濕地土壤的生產力大大提高，此外，鳥類的糞便也是小型魚類的食物。在發育良好的紅樹林還偶有野豬、貍類及鼠類等小型哺乳類出沒其間。紅樹林里也招致了某些蜂類、蠅類和螞蟻等棲息。它們對紅樹植物的傳粉和受精起著一定的作用。

（四）凈化環境功能

紅樹植物屬于常綠闊葉林，凈化空氣質量的功能很強，是二氧化碳的消耗者和氧氣的釋放者。紅樹林下泥土中H2S的含量很高，泥灘中大量的厭氧菌在光照條件下能利用H2S為還原劑，使CO2還原為有機物，這是陸地森林所不具備的。此外，紅樹林可以吸收SO2、HF和其它有害氣體。

但是隨著經濟社會的發展和人口的增加，人類對紅樹林的破壞活動日趨嚴重。2013年出版的《中國紅樹林國家報告》顯示，當年擁有的紅樹林面積2.26萬公頃，與1950年代初相比，全國已有超過50%的紅樹林消失于無形。海南省大量紅樹林區域被上世紀70年代圍海造田，大面積紅樹林遭到砍伐破壞。80年代至90年代，紅樹林周邊興起蝦塘養殖，大片濕地被侵占，候鳥棲息地岌岌可危；2010年前后，咸水鴨養殖致使紅樹林水體高度富營氧化，團水虱瘋狂繁殖，紅樹大量枯萎死亡，海岸的生態面臨崩潰的邊緣。以?？谑袞|寨港為例，1980年的強臺風夾著大海潮，猛烈地朝著東寨港襲來。東寨港有兩條農田防護堤，西堤因為有紅樹林的保護，只被沖決13處，總長196米，農田受災較輕。但是東堤前沿的紅樹林因圍海造田被砍掉大部分，大堤經受不起臺風和海潮的沖擊，決口84處，總長1097米，堤內農田大多都被淹沒，農作物也都被毀壞，受災十分嚴重。上世紀90年代，東寨港紅樹林區域又開始大量蝦塘養殖，導致紅樹林大片濕地被侵占，生態系統趨于崩潰，紅樹大量死亡。現在介于淡水和咸水交界處的紅樹林灘涂地又成為咸水鴨養殖的場所。咸水鴨依靠獨特的紅樹林灘涂地，以小貝殼、小魚蝦、玉米、稻谷為主食，長期自由放養在紅樹林灘涂地上。鴨子游到紅樹林里來找吃的，不斷覓食紅樹林泥土里的小魚蝦蟹，導致灘涂泥土被破壞，海水潮漲潮落使得紅樹林的根裸露出來，紅樹林很容易就倒下死亡。鴨子的糞便，造成水體富營養化，咸水鴨把螃蟹、跳跳魚、海螺等團水虱的天敵都吃光了，團水虱大量繁殖，鉆空紅樹的樹根、樹莖，導致紅樹枯死。

二、大數據技術概論

隨著網絡信息技術的普及，人類社會信息化進程進入了新的發展階段。整個社會的信息收集渠道日益多層次和多樣化，信息應用廣度和深度不斷拓展，信息總量呈指數級增長，以信息資源為基礎架構創新驅活動不斷涌現，從而帶來全社會信息在類型多樣性、關系復雜性、應用時效性等方面呈現出嶄新的趨勢和特征。這種全新的信息化社會環境，為信息科學和其它相關產業帶來了全新的發展機遇和巨大挑戰。隨著信息數據的多元化、分布復雜和非結構化的隨機出現，涌現了大量對復雜數據處理的新技術。

大數據技術是在新的網絡化時代，面對海量復雜數據的管理、歸納、應用研究而發展產生的一種新的解決方案。它是一套完備的技術體系結構和思想意識創新力，其特有的戰略意義和核心價值主要表現在以下三個方面：

第一，數據現已成為社會創新發展要素之一，它廣泛應用在科學研究、商業、教育、國防等多層領域，在戰略思維上，大數據已經從商業領域上升到國家戰略層面。我國自2012 年起，多個政府部門連續密集地出臺了十余個與大數據相關的發展規劃和行動計劃，特別是國務院于2015 年8 月出臺了《促進大數據發展行動綱要》，明確提出了政府率先開放政務大數據并強化與社會各方形成合力的相關任務和計劃時間表，突顯我國發展大數據的意志與決心。

第二，大數據是對傳統信息科學技術的進一步深化和創新。大數據科學正在加速形成以數據為核心的新的理論與技術體系。大數據所特有的類型多樣、混合異構、快速增長、體量巨大、關系復雜、高維稀疏等特性，為統計學、模式識別、人工智能等傳統的數據分析理論提供了更多源的研究方法。傳統的數據為核心的存儲、索引、融合、處理、分析、應用、安全等全過程技術，亟待實現全面系統的創新與發展，不斷形成和完善大數據科學與技術體系。同時，大數據的相關工程框架也不斷成熟，以Hadoop、Spark(內存計算)等主流的大數據工程技術體系，開展大數據平臺開發與產業化應用，是大數據對促進信息化革新的重要貢獻。

第三，大數據是實踐“大眾創業，萬眾創新”理念的重要支撐力量。以應用為導向、以應用為引領，是大數據技術創新與發展的主要特征。大數據分析與應用平臺是信息化時代的重要基礎設施，通過不斷的技術探求和工程實踐，為產業創新活動提供一站式共性基礎服務，有效降低應用技術門檻，支持創業公司和個人群體在平臺上開展不同領域、不同層次、不同環節的應用服務創新，加速形成以基礎數據為核心的產業創新生態圈，提供穩定安全的產品化應用解決方案，促進大數據產業加快形成。

Spark框架技術是目前解決大數據產業應用的優秀工程框架之一。Spark是一個基于內存計算的開源集群計算系統，目的是更快速的進行數據分析。Spark由加州伯克利大學AMP實驗室Matei為主的小團隊使用Scala開發，提供了與Hadoop 相似的開源集群計算環境，基于內存和迭代優化的設計。Spark具有以下幾個主要特點：

1. 輕量級快速處理。對于大數據處理，運行速度是重要的測量指標。Spark允許Hadoop集群中的應用程序在內存中以100倍的速度運行，即使在磁盤上運行也能快10倍。Spark通過減少磁盤IO來達到性能提升，它們將中間處理數據全部放到了內存中。Spark使用了RDD（Resilient Distributed Dataset）的理念，允許它可以透明的內存中存儲數據，只在需要時才持久化到磁盤。

2. Spark支持多語言開發，易于推廣使用。Spark允許Java、Scala及Python，使開發者在自己熟悉的語言環境下進行工作。

3. 支持復雜查詢。在簡單的“map”及“reduce”操作之外，Spark還支持SQL查詢、流式查詢及復雜查詢。

4. 實時的流處理能力。對比MapReduce只能處理離線數據，Spark支持實時的流計算。Spark依賴Spark Streaming對數據進行實時的處理。

5. 可以與已存Hadoop數據進行整合。Spark可以獨立的運行，除了可以運行在當下的YARN集群管理之外，它還可以讀取已有的任何Hadoop數據。這個特性讓用戶可以輕易遷移已有Hadoop應用。

三、以大數據為基礎的紅樹林保護信息系統

運用以大數據技術為代表的信息技術，對紅樹林的保護和發展具有重要的意義。

（一）有利于監督和管理紅樹林資源分布

當前對紅樹林信息收集的主要做法是靠人工在樹林中長期的進行測量來獲取數據資源數量和分布，其數據處理方法也是人工運算，每次要花很長的時間才可獲得合理使用的數據，效率低下。隨著大數據技術的日臻成熟，以此作為后臺的技術支撐，進行資源數據的獲取和分布統計，將會極大提高工作和管理效率。通過衛星定位系統、地理信息系統、遙感技術等技術對地面進行掃描、攝像等，可以獲取大量的相關數據資源，再對其進行大數據分析、整理和歸納，形成重要的決策依據，也方便對林業資源變化監控和應對措施的制訂。通過研究和分析檢測結果，準確了解到紅樹林的現狀，根據實際情況制定相對應的措施，確保森林和濕地資源不會遭到破壞。準確地掌握資源的分布狀態，為制定有效的森林和濕地保護規劃提供信息服務。

（二）監管人類活動對紅樹林生態系統破壞

人類無計劃無目的性對紅樹林進行砍伐和開墾活動以及生活污水與垃圾、農林化學藥劑、工業廢水廢氣廢渣等,以不同的形式破壞紅樹林生態系統;很多地區擴大水產養殖區面積,對紅樹林生存環境造成極大的破壞，使相當部分紅樹林已演變為灌木、甚至變成荒灘,嚴重削弱了紅樹林在生態、經濟、文化方面的價值。傳統的保護手段主要是通過瞭望臺檢測或其他地面巡視來對災害進行監測，不僅費時費力，監測情況也不科學和明確，還會受到交通不便或惡劣天氣的阻礙，使其無法順利進行。如果利用信息技術以實時采集相關數據，并用大數據技術對數據進行有效處理和分析，可以緩解上述諸多問題的發生，根據信息熱點可以對災害的等級，發生面積及動態實時變化進行監測，為減災防災決策提供科學的數據依據。

（三）增進信息資源共享能力

以大數據為代表的信息技術的使用，是林業建設各項決策的重要依據。建立森林資源管理信息系統，全面提升森林資源管理現代化水平，是適應林業跨越式發展要求，促進林業管理的信息化變革，加強林業宏觀決策科學化，加速林業管理現代化的具有全局性、戰略性的基礎工作。

下圖是以大數據Spark架構為基礎構建紅樹林的保護信息管理體系結構。用智能手機APP、PC機瀏覽器、導航終端及各類智能傳感器，通過云服務將數據傳入到云端的分發服務器上，再通過Spark架構信息處理系統，進行大數據分析處理，獲取細節信息?；蛘咄ㄟ^流處理技術，用NoSQL數據庫進行實時查詢。

圖1: 保護信息系統的大數據基礎架構

以Yahoo的YARN作為核心點，YARN創建一個全局的資源管理器（ResourceManager，RM）和若干個針對應用程序的應用主服務器（ApplicationMaster，AM）。經過這樣的變化，YARN在擴展性方面有很大改進，可以支持10000+計算機集群，同時改進了MapReduce的性能，并且支持Hadoop之外的其他計算框架。除了支持批處理的Hadoop之外，還有Spark和Storm等計算框架的集成。其中，Hadoop用于離線數據分析，Spark用于多迭代批處理數據分析，Storm則是用于流數據的實時分析和預測。借助YARN將大數據離線、近線和實時數據實現了整合。

Spark是發源于美國加州大學伯克利分校AMPLab的集群計算平臺，其立足于內存計算，從多迭代批量處理出發，兼收并蓄數據倉庫、流處理和圖計算等多種計算范式，具有輕量、快速計算等特點。Spark基于Scala語言，是一個比Hadoop代碼行少的輕量級系統，但它的計算速度非常快，對小數據集能達到亞秒級的延遲，對大數據集典型的迭代機器學習、即席查詢、圖計算等應用，Spark版本比基于MapReduce、Hive和Pregel的實現快上十倍到百倍。在底層存儲則仍是基于Hadoop的文件系統HDFS和NOSQL數據庫HBase。

四、總結與展望

紅樹林的信息化保護管理對海南島的健康生態圈建設非常重要，應用以大數據為代表的信息技術不但強化了管理效能，緩解了生產發展與環境保護之間的矛盾，還可以引導林業產業結構調整，迎合新時代的發展要求。隨著人們認識觀念的轉變以及技術成熟度的增強，紅樹林這樣寶貴的自然財富必將會得到更大的保護與利用，為人類謀取更大的利益。

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A

（2017）01-035-05

2017-01-22

王明松（1972-），男，遼寧營口人，三亞學院信息與智能工程學院，碩士，從事軟件工程研究； 錢靜媛(1976- ), 女，呼和浩特人，三亞理工職業學院，教師，從事會計學研究。