智慧湖泊建設

趙盛萍 李璟瑞

（1.玉溪師范學院 云南省玉溪市 653100 2.紅河學院 云南省紅河哈尼族彝族自治州蒙自縣 661100）

1984年在日本大津市召開了首屆世界湖泊會議，共同討論解決湖泊環境問題，并逐步把3S、大數據、物聯網等先進技術手段等應用到湖泊及流域管理作為重點問題討論。1992年在里約熱內盧召開的環境與發展大會中提出了有關水資源管理的一攬子措施，實施的措施中明確包含了要通過構建信息化的水資源管理模式和方法來提高對水資源的管理和水資源的保護[1]。以此為基礎經歷了從數字湖泊到智慧湖泊的研究發展。智慧湖泊是數字湖泊的廣泛推廣和深入研究。

1 數字湖泊研究

數字湖泊研究涉及的學科領域眾多：地理學、水科學、環境科學、遙感、全球定位等，是一個復雜、龐大的體系。數字湖泊的相關研究在區域管理、地理空間研究方面較為集中，主要結合遙感技術(Remote Sensing，RS)、地理信息系統(Geographic Information System，GIS)和全球定位系統(Global Navigation Satellite System，GPS)，統稱3S 技術，形成了有代表意義的水資源監控管理平臺：美國水質檢索與評估系統、英國水質檔案系統和加拿大國家水質數據庫[2]。Zhao Shuqing 等利用遙感技術，對長江中部洪湖流域進行了研究，通過對比衛星遙感影像對土地分類，對比11年間土地類型的轉化情況，分析土地利用變化對景觀特性的影響[3]。萬幼川等將GIS 與應用模塊結合使用，對湖泊N、P、COD 等主要污染物濃度等模擬，實現GIS 與專業模型的綜合應用。葉仰明等探討了數字海洋的總體技術框架和關鍵技術，探討了數字海洋基礎軟件平臺的發展方向，提出了Metadata 體系結構[4]。

1.1 數字湖泊概念模型

綜合考慮數字湖泊的要求和應用需求，其概念模型如圖1。其特點是，整體模型是一個動態循環狀態；涉及專業領域廣泛，是一個復雜的系統工程；關鍵技術較多，需要處理好各個環節間的關系，實現有機結合。

1.2 數字湖泊構架

系統的多層構架結構是近年來大型系統設計中常用的設計思想，其特點是數據層與應用層相隔離，可以更好的適應今后的模式變化發展。數字湖泊的系統結構參照多層構架思想設計，分為四層：數據層、中間層、模型層、應用層，如圖2所示。

數據層：用于數據的存儲、管理。包括地理空間數據、遙感影像數據、水質數據、區域生態環境數據等。數據庫管理系統選用：Oracle、Informix 等。

模型層：用于地理空間特性分析和專業數據分析。包括GIS 空間分析模型、水質模型等，為區域管理與決策提供支持。

應用層：包括系統管理員、數據庫操作員和專業管理人員。為實現數字化管理、協同辦公提供便利。

圖1：數字湖泊概念模型

圖2：數字湖泊區域管理系統結構圖

2 智慧湖泊研究

2008年在紐約召開的外國關系理事會上，IBM 提出了“智慧地球”這一理念，引發了智慧城市建設的熱潮，相繼引出了“智慧城市”、“智慧海洋”、“智慧湖泊”等概念。智慧湖泊建設是數字湖泊發展的高級階段，其“運用物聯網基礎設施、云計算、大數據、地理空間信息集成等新一代信息技術，是促進湖泊管理、建設、規劃和智慧化的新理念和新模式”[5]。

2.1 智慧湖泊特征

圖3：智慧湖泊生態環境一體化綜合監測管理系統

數字湖泊通過區域地理空間信息、遙感數據等各方面信息的數字化在虛擬空間再現區域湖泊特征，而智慧湖泊則注重在此基礎上進一步利用傳感技術、智能技術實現對區域湖泊動態變化的自動、實時、全面透徹的感知；智慧湖泊則更強調開放、整合、協同的區域湖泊管理的信息化架構，成為智慧城市、智慧地球建設的重要環節；數字湖泊主要是基于互聯網形成初步的業務協同，智慧湖泊則更注重通過泛在網絡、移動技術實現無所不在的互聯和隨時隨地隨身的智能融合服務，服務范圍更廣。

智慧湖泊建設綜合運用物聯網、人工智能、云計算、大數據、區塊鏈和衛星遙感、3D、VR、5G 通信等先進技術，對湖泊存在的水質變化、生態系統、區域氣象變化等問題，構建以天、地、空三位一體的立體化監測網絡。大數據是基礎，云計算是平臺，物聯網是支撐，區塊鏈為智慧湖泊平臺建設提供技術保障；人工智能為智慧湖泊的場景應用提供技術支持。

2015年武漢市建成的“武漢市智慧湖泊綜合管理平臺”結合“互聯網+”的技術優勢和特點，借助視頻監控平臺，通過監控和視頻分析，增強了及時發現和制止污染物排放的能力，并沿湖布設水位、雨量等遠程監控點，實現湖泊狀態數據的實時監控[6]。

2.2 智慧湖泊框架

智慧湖泊作為一個復雜系統，相關框架研究可以借鑒智慧城市、智慧海洋的框架體系研究：中國電子技術標準化研究院[7]：智慧城市的框架一般包括三個支撐體系和四個層次要素。三個支撐體系為：標準規范體系、安全保障體系、建設管理體系。四個層次要素為：感知層、通信層、數據及服務支撐層、智慧應用層；朱亞杰等[8]從大數據技術應用角度提出智慧城市的框架，包括以下四層：數據獲取層、數據存儲層、數據分析層、應用層。以區域湖泊管理為例，構建智慧湖泊生態環境一體化綜合監測管理系統如圖3。

2.3 相關技術研究

2.3.1 物聯網技術

物聯網即“萬物相連”，是一個無限延伸和不斷擴展的網絡，將各種傳感器和設備通過網絡互連在一起而發展形成的一個巨大信息網絡，最終實現在任何地點任何時間人、機、物的信息互聯互通。

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5G 網絡峰值的下行速率可達到20Gb/s，上行速率10Gb/s。將基于5G 無線網絡的物聯網信息技術融入到智慧湖泊的建設，利用新一代的移動信息網絡技術來提高湖泊治理能力，加速整體信息反應管理能力、提升現代化管理水平[9]。也將為智慧湖泊建設中以大視頻為數據主體的數據分析、實時監控提供技術支持。

2.3.2 人工智能

近年來人工智能加速發展，呈現出深度學習、跨界融合、人機協同、群智開放、自主操控等新特征。人工智能為智慧湖泊建設的高效數據分析、環境監控預測等提供了技術支持。在大數據處理、智能數據分析和網絡安全等方面有突出表現。

隨著各類數據量的增大，實時處理能力成為了許多計算任務需要面對的重要挑戰，基于GFS、MapReduce 和Bigtable 的分布式數據處理技術，降低了數據處理成本，提高了處理能力。

時間序列分析、神經網絡等智能數據處理方法廣泛的應用在含水層參數的識別方法、地下污染物的遷移模型分析、水質的預測、湖泊水質富營養化的評價研究等方面，為智慧湖泊建立提供了豐富多樣的模型支持，從而為水環境質量的綜合管理與決策支持提供科學依據[10]。

人工智能算法可以從大量的、不完全的、含噪聲的多源異構數據信息中，提取潛在可理解、有價值的信息和知識并對其進行清洗和分類；再根據態勢生成模型和指標體系，對安全風險和威脅進行量化；最后以人機友好的方式將分析結果轉換為可視結構，輔助管理員進行有效決策。從動態、持續、全局、協同的設計思維出發，構建能與風險演進相適應的，具有自主更新與進化能力的安全生態。

3 總結

智慧湖泊建設是智慧地球、智慧城市建設的重要部分，集物聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術和區域管理于一體，能夠解決湖泊治理和可持續發展中的很多關鍵問題，有利于政府管理、湖泊研究和資源的開發、保護，有助于民眾更加親近自然、了解自然。是未來湖泊管理、研究的發展的趨勢。