時空數據融合的自然遺產地監測與保護管理平臺設計方案研究

項 波

溫 婷

郭 漢

劉紅純

劉 智*

中國自1985年加入《世界遺產公約》以來，經過30多年的快速發展，截至2019年7月，已有55項世界遺產，位居全球第一，成為世界遺產大國。其中自然遺產14項、文化遺產37項(文化景觀遺產5項)，文化和自然雙重遺產4項。今后，世界遺產的重心任務，將從“重數量”向“重質量”轉變，自然遺產的保護壓力將與日俱增。從當前世界遺產全球保護發展趨勢來看，根據《保護世界文化和自然遺產公約》及其《操作指南》的規定，為實施世界遺產中心的5C戰略中的核心戰略可信度(credibility)和嚴格保護(conservation)，全球的世界遺產項目需要接受世界遺產保護管理狀況的定期監測評估和反應性監測，對締約國保護、監測、管理世界自然遺產提出了更高的要求。對國內管理部門而言，利用地理、信息和傳統技術，實施對世界自然遺產的系統化、網絡化、數字化和信息化管理，實現快速反應，并制定有效的保護管理措施，迅速提高管理效率，節約政府管理成本，越來越成為關鍵手段之一。

我國55項世界遺產涉及41處國家級風景名勝區。機構改革之前，作為風景名勝區和世界自然遺產的主管部門，國家住房和城鄉建設部自2003年起，按照國務院要求，啟動了國家級風景名勝區監管信息系統平臺建設工作，開始加強對風景名勝區資源保護和規劃實施的動態監測，并著手推動我國風景名勝區信息化建設。同時，依托風景名勝區監管平臺對我國世界自然遺產進行保護管理。過去幾年，在風景名勝區監管信息系統的良好運行和動態監測核查工作的開展下，我國世界自然遺產的保護管理取得了良好的成效。但近年來，隨著信息化技術的不斷發展，當前風景名勝區監管信息系統的核心技術平臺已相對落后，需要進行深層次的技術拓展；同時，世界遺產行業發展日新月異，遺產保護與可持續發展也出現了新理念、新戰略、新要求，需要在不斷研究自然遺產保護各級主管部門管理業務需求的基礎上進行業務拓展和模塊重構，建設新的監管應用平臺[1]。此外，機構改革之后，世界自然遺產的管理部門發生了變化，原本依托風景名勝區建立的監測核查系統不再適用于世界遺產的管理，亟須根據世界遺產的特點建立專門的世界自然遺產監測保護管理平臺。

1 建設目標

設計遺產地監測與保護管理信息平臺總體架構，分析總結國家、省、遺產地管理機構對遺產動態監測、保護管理、教育展示等方面的需求，提出國家、省、遺產地三級管理平臺的綜合架構，設計遺產地分布式數據庫，集成遺產地動態監測評估、可視化展示、保護管理應用系統，構建與我國自然遺產地管理體制相適應的綜合性網絡平臺。通過統一的數據訪問交換接口，集成資源與環境動態監測、視頻監控、規劃管理、電子政務、電子商務、多媒體可視化展示和LED信息發布等各子系統，實現各業務模塊之間的對接，建立數據管理調用規范和軟件模塊化開發機制。

2 建設背景

世界自然遺產地監測與保護管理在全球范圍內，目前美國國家公園具有系統化的管理系統，但由于美國國家公園生態環境保護基礎較好，保護和管理的需求較少，其側重在生態系統服務價值研究，故未廣泛集成物聯網等偏重保護監管的技術。我國目前世界自然遺產監測與保護管理，國家主管部門主要依托國家風景名勝區監管平臺[2]，各遺產地有部分自建監測系統[3]，但尚未建立系統化的自然遺產監測與保護管理評價體系[4]，較少涉及生態系統服務價值評估[5]，未建立可業務化運行的評估遺產地突出普遍價值(Outstanding Universal Value，OUV)的空間監測指標體系[6]及監測與保護管理系統。因此需要梳理自然遺產保護各級主管部門管理在監測、保護與管理，以及生態系統服務價值等多方面業務需求，建設時空數據融合的自然遺產地監測與保護管理平臺，實現全面、系統化的自然遺產監測與保護管理。

圖1 遺產地監測與保護管理信息平臺總體框架

2.1 服務對象

世界自然遺產地國家、省、遺產地三級主管部門(機構)，世界遺產從業者及公眾等。

2.2 管理平臺建設需求分析

2.2.1 構建與我國自然遺產地管理體制相適應的綜合性網絡平臺

《實施世界遺產公約操作指南》和IUCN的《世界自然遺產保護管理指南》都指出，世界遺產的管理可以同締約國自然保護地的管理體制相結合。當前，我國世界自然遺產地管理為中央部門監管和地方屬地管理相結合的體制，即國務院行政主管部門監管-省級行政主管部門監管-市縣級屬地監管-世界自然遺產地管理機構屬地管理的模式，其中世界自然遺產地管理機構多為縣級以上人民政府的派出機構。各層次管理的職能、側重點、訴求會有較大差異。因此，需要構建部、省、遺產地三級既相對獨立又交互式的綜合性網絡平臺，既要滿足各級管理的差異性需求，又要實現平臺的整體性、系統性，實現數據交換與共享、信息發布等聯動共享功能。

其中，國家級平臺建設服務對象為國務院行政主管部門，需設計平臺主體結構、數據中心、業務應用系統和服務接口等，并搭建系統平臺，預留與省級、遺產地，以及公眾服務的匹配端口；省級和遺產地級平臺服務對象分別為自然遺產省級主管部門、市縣級主管部門及遺產地管理機構，預留與國家級平臺及公眾服務的匹配端口。遺產地監測與保護管理信息平臺總體框架如圖1所示。

2.2.2 實現管理與服務相結合

基于世界自然遺產保護監管與可持續利用的總體目標，實現網絡平臺資源保護數字化、項目管理平臺化、服務經營網絡化的定位，重點建設規劃建設、遙感監測、游客統計分析和智慧景區建設等系統和模塊、接口。各層次平臺和系統端口對接流暢，實現安全共享。

2.2.3 具有較強的應用性和展示性

除辦公、管理、交流和傳達功能外，系統還應具有較強的綜合分析功能，為行政決策提供重要依據參考。包括監測數據分析、遺產健康診斷、游客流量統分、管理機制優化和景觀三維展示等功能。實現對世界自然遺產地的動態監測，為政府宏觀決策和依法行政提供科學依據。

2.2.4 建立基礎數據庫

通過系統平臺的構建，建立國內權威、準確、完整的世界自然遺產地分布式遺產資源，實現規劃建設、遙感影像、地理地形、旅游管理，以及基礎數據的存儲和便捷調用。

2.2.5 支持自定義化系統，具有科普和宣傳功能

預留自定義應用系統接口，滿足不同層級、不同需求的管理部門網絡綜合布線系統。開設公眾瀏覽和互動關口，向公眾科普和宣傳世界遺產基本知識、情況簡介、法律法規、應用技術和管理成效等，預留公眾問題建議反饋窗口。

3 系統設計

3.1 遺產地分布式數據庫設計

3.1.1 數據庫設計層次

自然遺產地監測與保護管理平臺分國家-省-遺產地三級，各類數據分布在不同地方，因此需要采用分布式數據庫，通過數據接口方式進行數據匯聚與系統集成。自然遺產地分布式數據庫的概念設計主要說明本數據庫將反映的自然遺產地的實體、屬性和它們之間的關系等的原始數據形式，包括各數據項、記錄、文卷的標識符、定義、類型、度量單位和值域，是本數據庫的用戶視圖。數據庫邏輯設計主要說明把遺產地原始數據進行分解、合并后重新組織起來的數據庫全局邏輯結構，包括所確定的關鍵字和屬性、重新確定的記錄結構和文卷結構、所建立的各個文卷之間的相互關系，形成數據庫的數據庫管理員視圖。數據庫物理設計主要建立系統程序員視圖，包括數據在內存中的安排，對索引區、緩沖區的設計，所使用的外存設備及外存空間的組織，索引區、數據塊的組織與劃分，訪問數據的方式方法。數據字典設計，主要對自然遺產地數據庫設計中涉及的各種項目，如數據項、記錄、系、文卷、模式和子模式等建立數據字典，以說明它們的標識符、同義名及有關信息。數據安全設計，考慮自然遺產地管理的分級特點，通過區分不同的訪問者、不同的訪問類型和不同的數據對象，進行分別對待。

3.1.2 數據庫建設技術流程

系統中各子系統數據庫包含大量的數據文件，為保證對數據文件進行有效的管理，便于查詢，不致發生混淆現象，以遺產編號為主，結合遺產地空間數據編碼及數據類別對文件命名。

由于自然遺產地數據中有大量矢量和柵格數據，數據庫管理系統需支持各類空間數據存儲，故選擇PostgreSQL進行數據存取。本系統支持的矢量數據包括Coverage、Shapfile、Grids等；柵格數據包括TIFF、BMP、JPEG、GIF、PNG、Digtial Elevation Models等；屬性數據包括txt、mdb、dbf、xls等。數據庫建設的技術流程如圖2所示。

數據庫集成的流程除了將屬性數據對應空間位置入庫，還需要將各類自然遺產地動態監測評估模型以統一的標準、服務化的形式入庫。模型本體及參數適宜于用XML形式描述，故采用MongoDB數據庫存儲。

環境資源數據中由傳感器采集到的時間連續離散數據，適合用全內存數據庫Redis存儲。

圖2 數據庫建設技術流程

3.1.3 數據庫與應用集成

動態監測評估應用系統，從基礎地理信息數據庫和遙感監測專題數據庫中抽取空間連續的遙感數據，從自然遺產接口數據庫中抽取時間連續的傳感器數據，選取動態監測模型庫中對應的服務化模型，融合遙感數據空間連續屬性和傳感器數據時間連續屬性，實現時空連續的自然遺產地動態監測評估。

可視化展示應用系統，從自然遺產本體庫、業務庫、管理庫、基礎地理信息庫和遙感監測專題庫中抽取遺產相關信息，從接口數據庫中對接實時遙感數據、視頻監控、人流統計等系統接口，進行多維可視化展示。

保護管理應用系統也需從遺產地本體信息、業務信息、空間信息等各數據庫中提取并分析得出有效信息，服務自然遺產地區域環境動態變化監測管理。

基于國家-省-遺產地三級分布式數據庫設計，根據業務系統需求，設計自然遺產地元數據標準和數據字典，為連接現有自然遺產地各數據庫系統，消除信息孤島，建立融合互通的自然遺產地監測與保護多級管理平臺打下數據基礎。

3.2 遺產地動態監測評估應用系統建設

3.2.1 建設內容

為了對遺產地生態健康狀況進行時空連續監測、分析，需以動態數據驅動范式(DDDAS)[7]為指導，利用空間連續的高分辨率精細遙感觀測數據和持續獲取的時間連續的環境物聯網數據，調用遺產地模型庫中的生物多樣性監測、重要物種生境適宜度評價等模型，集成構建遺產地動態監測評估應用系統，實現自然遺產地健康狀態綜合評估、動態更新及預警發布功能。同時實現對自然遺產地生態系統服務價值的量化分析。

3.2.2 關鍵技術

根據遺產地基礎地理數據(DOM、DEM、DRG、DLG)、遙感影像數據(國產衛星高分系列、資源系列、環境系列、國外衛星WorldView系列、SPOT系列、陸地衛星系列和飛機航片等)、專題數據(遺產的屬性數據和規劃數據)、人類活動數據(景區刷卡數據、移動端APP數據、手機信令數據等)的特點，以服務化方式集成不同類型的數據；基于集成的遺產地數據與模型庫，建立遺產地健康診斷評估模型；以地理分析和景觀分析為基礎，計算遺產地健康狀態閾值；以SaaS服務形式，建設基于網絡環境，并具備遺產地健康狀態更新及預警發布技術的遺產地動態監測評估應用系統。其中，能夠支持遺產地健康狀態計算的遺產地健康診斷評估技術，是動態監測評估應用系統的關鍵技術。

1)遺產地健康診斷評估。

自然遺產地健康診斷評估，可通過景觀生態健康狀態來表征。景觀生態健康是景觀生態發展的一種狀態，在此狀態下該生態環境處在可維持系統生存的水平。健康的景觀生態具有彈性，保持著內穩定性。基于研究區突出普遍價值，可通過景觀格局指數從景觀類型水平和整體景觀水平來分析景觀系統健康狀況。

通過對整體景觀的健康評價，可反映出遺產地總體景觀健康狀況，評估其綜合的自然地理景觀美學價值，反映遺產保護工作、政府政策，以及當地居民生產生活方式等對維持自然遺產地突出普遍價值及景觀美學價值的影響。

2)遺產地健康狀態計算。

通過景觀信息空間分析技術，獲得研究區景觀類型轉換的圖表。通過計算以下各景觀指數：斑塊密度指數(PD)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維指數(PAFRAC)、散布與并列指數(IJI)、斑塊結合度指數(COHESION)、聚集度指數(AI)、香農多樣性指數(SHDI)，得到景觀格局演化特征，從而對研究區景觀健康狀況進行深入分析。

3.2.3 自然遺產地OUV空間監測指標體系

遺產地經過健康診斷評估后，會得到若干指標，對指標進行科學分類、組合，建立能夠反映遺產地健康狀況的動態監測評估指標體系，可量化自然遺產地健康狀況，及時對遺產地采取保護管理措施。

1)指標體系構建原則。

在世界自然遺產地監測過程中應遵循以下監測原則：

(1)以世界自然遺產地表征要素、干擾要素及其動態變化作為監測內容設定監測指標，反映遺產地OUV價值的穩定性和原生性，能夠滿足監測目的的要求；

(2)必須按照規定的頻率長期進行指標監測；

(3)不能以破壞監測區域地表環境為代價。

2)遺產地OUV空間監測指標提取方法。

選取適當的遙感影像，結合其他輔助數據，利用遙感監測技術和GIS手段對體現遺產地價值的載體(自然要素，包括冰川、植被、水體、濕地和珍稀瀕危動植物棲息地等)及其影響要素(人工要素，包括道路、居民區、基礎設施和建筑等)進行研究。主要方法流程為以下內容。

(1)遙感圖像預處理，主要包括波段組合、大氣校正、圖像增強、影像鑲嵌與裁剪等。

(2)遺產地遙感圖像解譯與分類，包括初分類和二次分類2步。其中，冰川、河流及湖泊與其地物光譜差異較大，無須選擇樣本而直接對影像進行非監督分類即可取得較好的效果；人工要素主要為水庫、耕地、居民點及道路，其均有明顯的幾何和紋理結構，在影像上表現直觀，可直接提取。

表1 系統能夠提供數據推送服務的衛星數據

(3)在初分類的基礎上進行二次分類。基于面向對象分類和目視解譯的方法，結合NDVI指數，通過建立不同的分類規則，完成對林地、草地、沼澤、沙地和其他未利用地的二次分類。

(4)為了保證驗證結果的有效性，采用多種方法對分類結果進行檢驗，具體包括分類誤差矩陣、高分辨率遙感數據驗證、文獻數據驗證和地形圖驗證等。

(5)分析遺產地各監測對象的時空變化特征，包括冰川、森林、草地、濕地(河流、湖泊、沼澤)、耕地、道路和居民地等景觀的變化(如面積和空間范圍)，并針對不同遺產地重點分析其代表景觀的變化。

(6)遺產地各監測對象時空變化的歸因探析，包括自然因子(如平均氣溫、年降水量)和人為因子(如土地破碎度、交通狀況)。

上述方法以SaaS服務形式，集成在遺產地動態監測評估應用系統中，各類算法均可通過服務化方式調用，實現遺產地動態監測評估應用在線化服務。

3.2.4 方案設計

遺產地動態監測評估應用系統，要實現自然遺產地健康狀態綜合評估、動態更新及預警發布的功能，需要考慮環境和人兩方面因素。因此，在方案設計中，需要利用遙感、物聯網、人工智能等技術手段，分別獲取遺產地環境和人的信息，再利用模型對遺產地健康狀況進行評估預警。

1)自然遺產地環境監測。

基于遙感數據，利用光學和雷達數據協同觀測方法，自動識別違法建設和違法用地信息，利用深度學習算法，自動提取遺產地環境要素信息。

2)游客量統計。

通過數據接口，接入省級和遺產地級系統提供的遺產地游客量統計數據，并做圖形化數據展示。

3)健康評估預警。

調用集成的遺產地分布式多元異構數據庫、遺產地生物多樣性監測、重要物種生境適宜度評價等模型，集成構建遺產地動態監測評估應用系統，實現自然遺產地健康狀態綜合評估、動態更新及預警發布功能。

遺產地動態監測評估應用系統是自然遺產地監測與保護管理平臺的核心業務系統。系統創新利用了包括以衛星遙感數據、航空遙感數據為代表的空間數據，以及以手機信令數據、景區刷卡數據為代表的時間數據，將時空數據通過動態數據驅動范式進行融合處理，分析遺產地健康狀態并進行預警發布，從而對遺產地相關人類活動進行引導，實現世界自然遺產地保護與可持續發展的目標。

3.3 遺產地可視化展示應用系統建設

3.3.1 建設內容

基于遺產地監測保護與管理信息三級平臺，設計基于場景一體化的高效協同運算方案，構建數字化自然遺產多維度可視化展示系統，實現遺產地實景三維模型、全景影像、4D數據等超大規模多源異構數據的可視化展示；以“互聯網+”為驅動，應用網站、移動終端APP等信息發布技術，開發自然遺產地示范區定制化信息推送子系統，實現長時間序列動態監測數據與對應綜合評價數據周期性可視化推送與展示。

3.3.2 關鍵技術

根據自然遺產地的特點，設計符合自然遺產地場景特點的一體化的高效協同展示方案，實現3D模型、全景影像、4D數據等超大規模多源異構數據的高效可視化，同時實現衛星遙感數據的實時可視化。將遺產地所有相關的多元跨域異構數據處理成帶地理信息的數據，實現遺產地數據空間化表達。并利用多元遙感數據獲取優勢，實現精細遺產地動態變化觀測。對于遺產地核心區域，為提高監測頻度和實時性，借助多元數據融合、遙感數據實時推送等技術，實現定點長時間序列動態監測數據周期性推送。遺產地可視化展示應用系統支持多顆國內外衛星數據實時推送，如表1所示，其中包括國內外多顆具有全球獲取數據能力的主流衛星，獲取的數據可輸出為多種格式。

3.3.3 方案設計

基于遙感影像實時推送技術，實現自然遺產地遙感數據遠程實時移動窗顯示與信息播報。實時將陸地衛星站網接收的不同光學遙感衛星、傳感器的快視推送到自然遺產地的三級管理部門，使不同級別用戶均能及時獲取衛星快視數據，實現遺產地大區域實時可視化，并從快視圖像中分析衛星過境自然遺產地區域情況。

系統的核心特點是按需與實時推送。即用戶按自己的關注衛星、傳感器、接收站請求訪問數據；服務系統在衛星獲取數據后10min以內將數據推送到用戶終端。數據可周期性推送，有助于自然遺產地管理部門開展遺產地精細動態變化監測，適合需要使用遙感數據持續觀測大面積區域的自然遺產地監測管理用戶。通過在線服務與數據支持，自然遺產地各級管理部門可以實現對地面接收站獲取的數據同步接收，可幫助管理部門實現與地面站近同步快速獲取遙感圖像初級影像(全分辨率，近實時)，圖像數據與多種矢量元素疊加，可用于向公眾和媒體展示自然遺產地遙感監測技術的過程，降低數據獲取成本。

遺產地可視化展示應用系統基于數字地球技術，以三維可視化方式，實時融合天-空-地多源數據，對自然遺產地的表征要素和干擾要素進行全方位展示。形成的自然遺產地定制化監測信息推送子系統，實現了長時間序列動態監測數據與對應綜合評價數據周期性可視化推送與展示，為遺產地保護與管理提供了時空數據融合的高效可視化工具。

4 總結

自然遺產地監測與保護管理信息平臺的開發融合了多種技術進行集成創新。具備自然遺產地OUV空間監測指標系統化，時空數據融合的健康診斷評估方法科學有效，遙感監測數據實時客觀，動態數據驅動模型仿真預報及時準確的特點。

現有自然遺產地保護管理系統分散在各管理部門，形成了若干數據孤島，且數據基本為統計數據，缺少實時監測數據及模型分析。本平臺以多維可視化和動態數據驅動技術為基礎，集成天-空-地多源數據，融合時間序列數據監測分析結果，打通管理部門和業務部門的信息孤島，使數據能夠實時匯聚，便于自然遺產地保護和管理決策。

本平臺的創新性，體現在通過動態監測評估系統指標體系及對應評估模型，融合了反映空間屬性的遙感數據和反映時間屬性的傳感器數據，對自然遺產地進行可在線業務化運行的科學評估。

本平臺的前沿性，在于將自然遺產地OUV空間監測指標體系首次應用在國家級自然遺產地監測與保護管理信息平臺中。

本平臺的價值，在于為世界自然遺產地動態監測與保護管理提供了可參考的設計模式。

本平臺專為世界自然遺產生態保護與監測管理研發，且依托于聯合國教科文組織專門從事世界自然遺產監測與保護的空間科技平臺建設，系統性地為自然遺產地監測與保護管理提供了綜合解決方案。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：本文中美國國家公園的系統現狀，由美國亞利桑那州立大學全球發現與保護科學中心(Arizona State University's Center for Global Discovery and Conservation Science)許亞平博士后提供，在此致謝。