沿黃流域生態環境大數據管理與預警服務體系研究

李偉超 鞠蜜蜜 郝博文 楊晟章

（1.鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450046；2.航空經濟發展河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046）

0 引言

2019年9月18 日，習近平總書記在黃河流域舉行的關于“綠色發展”的專題討論會上指出，黃河是國家的戰略要道，是國家實現全面小康社會建設的關鍵地區，黃河在國家的發展和生態安全中占有舉足輕重的位置，是關系到民族振興與可持續發展的長遠大事。國家提出了大數據發展戰略［1］，將大數據技術應用于生態環境保護領域中，但中國在該領域尚處于探索階段［2］。其中，生態環境監測中的數據分析與利用為提高大面積的生態環境質量提供有效的監測、評估和預報，為國家的生態環境保護和管理提供科學依據［3］。王占明［4］基于海城水文觀測數據，利用灰色數學方法，對海城今后可能出現的各類洪災進行預報和分析。Bahraminejad等［5］認為預警系統可作為一個實用廉價的工具，用于保護生態環境，從而使大數據成為解決生態環境問題的重要參考，能更加有效地維護區域的生態環境質量。

近年來，在沿黃流域生態保護與發展中使用了“云計算+生態預警”“數字經濟+高質量發展”“數字化轉型+高質量發展”“數據黃河+生態保護”“5G+高質量發展”等先進科技手段，對沿黃流域生態保護與高質量發展起到促進作用［6］。王軍［7］認為開展基于黃河流域的空天地融合大數據系統建設是十分有必要的。黃河流域的生態數據處理與分析將直接關系到黃河流域的差異化、精準化的生態環境保護。

本研究以沿黃流域為例，結合實際，探討大數據在生態環境保護中的應用，為進一步加強生態環境大數據管理和預警服務提供有益的借鑒。

1 大數據管理與預警服務概念

1.1 大數據管理概念

與常規數據相比，大數據有以下4個特點。一是速度快，這意味著數據的加工和傳播的及時性很高。隨著大數據的發展，依托大數據進行信息的集成和分析，進一步提高數據的處理效率，在保證質量的同時，也保證時效性；二是體量大，也就是說數據量很多。隨著時代的發展，大數據的量已從TB級升至PB級；三是價值高，即大數據有更高的價值；四是多樣性，即大數據類型的多樣性和內容的多樣性，涉及地理位置、圖片、視頻、文本等［8］。與常規數據管理不同的是，大數據管理的管理理念和管理對象是動態、系統、開放的，從數據屬性和獲得方面來看，大數據管理的是不具結構性特征、規模巨大、彼此可能并無關聯的數據流，要依賴新興技術對其進行處理。

1.2 預警服務體系概念

通過協調各階段的情報資源，可拓展和豐富風險社會突發危機事件管理的思路，為優化應急預警服務提供新思路［9］。預警服務體系通過監控技術手段來構建監控網絡、信息發布系統和完整的組織體系，從而實現始終堅持以人為本，第一時間公布災害和緊急情況，讓民眾及時得到正確的防災減災資料，使政府做出科學的決策，并采取有效的防災減災措施，將損失降到最小。

2 生態環境大數據管理

2.1 生態環境大數據管理概述

生態環境是指影響人類生存發展的自然和環境因素，包括水、土壤、天然氣等資源能源，以及人以外的其他生物和其他環境因素［10］。大數據技術為解決生態環境問題提供新的思路，基于多部門、多源和多尺度的大量數據，對生態環境大數據進行管理，通過“空天地一體”技術能持續獲得生態和環境等方面的信息。利用模型模擬、集群分析、云計算、機器學習等方法，對生態環境數據進行挖掘分析，并找出其中的關鍵問題，從而制定出相應的解決方案。

隨著信息技術的發展，數據源的種類也越來越多。目前，生態環境大數據的種類有衛星遙感數據、地面監測數據、地理信息、社會統計數據等［11］。

2.2 生態環境大數據預警應用

生態環境風險的預警工作可分為3個方面。一是對生態環境狀況進行評估；二是對生態環境今后的發展狀況進行預報；三是對評估與預報結果進行適時預警。大數據通過其在實際應用中產生的作用對生態環境產生影響。對生態環境監測預警技術的研究包括對生態環境監測、地質災害監測、水質監測和大氣監測進行研究，也包括對國土開發、旅游保障和林業生態環境監測等的研究。

在區域生態環境預警中，以流域內濕地生態安全為出發點，基于壓力?狀態?響應（PSR）模型構建適合該區域的生態安全評價指標體系。同時，基于灰色預測模型構建濕地生態安全預測模型，對未來40年的濕地安全進行預測。采用狀態空間法和人工神經網絡模型對區域的生態承載力進行預警分析。選擇人工神經網絡模型與生態足跡指標體系相結合的方式，對生態敏感區的生態安全預警模型進行設計。

3 沿黃流域生態環境大數據管理與預警示范系統

沿黃流域生態環境問題治理是一個系統工程，使用大數據、云計算等新技術在統一協調機構規劃部署下構建生態環境大數據管理平臺，在做好頂層設計的基礎上，建立沿黃流域生態環境大數據管理與預警示范系統，及時、全面、準確地解決監測、調度、調控、預警等問題，能更加有效地解決沿黃流域生態環境問題。

3.1 沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統分析

沿黃流域生態系統是一個有機整體，要從上中下游來綜合考慮。目前，沿黃流域受水土流失、洪水風險、水資源短缺和水污染等問題的困擾。因此，實施沿黃流域的在線管理、在線調度、在線辦公和在線監測，建立生態環境大數據管理和生態監測系統，是解決沿黃河流域生態環境問題，預防沿黃流域內環境污染和自然災害的必由之路。

3.2 沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統設計

根據沿黃流域生態保護和預警服務的現實需求，來構建沿黃流域生態環境大數據管理與預警服務系統。充分運用數據集成，形成一個全流域、全時域、全要素的三維數據收集系統，為實現沿黃流域生態環境大數據智能化管理與預警打下基礎。

本研究通過建立數學模型、深度神經網絡模型、陰影關聯分析模型和三維地圖模型，來構建沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統，實現對沿黃流域多角度的監測和分析，充分發揮在線匯總、在線監測和在線處理等功能，為沿黃流域提供大數據服務。該系統的邏輯結構采用四層架構，即數據采集層、基礎支撐層、數據資源層、應用層，分別對應系統中的數據庫、信息管理子系統、決策支持子系統和信息發布子系統（見圖1）。

3.2.1 數據采集層。該層負責采集沿黃流域的生態環境大數據，建立SQL和NoSQL數據庫，解決生態環境大數據的存儲問題。系統要先確定沿黃流域生態環境監測的具體指標，通過遙感監測系統實現對沿黃流域現有的地質水文情況等不同類型數據的實時監測，將不同格式的信息轉化為統一的格式，并上傳到監測系統的數據庫中，從而實現對監測結果和設備運行狀態的實時更新。

3.2.2 基礎支撐層。該層對應信息管理子系統，負責數據管理與交換業務，包括從遙感系統和監測點中獲取沿黃流域生態環境靜態數據和動態數據，對采集到的數據進行存儲、處理、分析及備份等，為沿黃流域生態環境大數據的存儲和管理安全提供保障。

3.2.3 數據資源層。該層對應決策支持子系統，對采集到的環境質量數據和業務應用數據進行分類和管理，并確定沿黃流域生態環境預警閾值，對水污染、水量變化異常、土壤侵蝕等進行預警決策，為功能展示層提供支持。信息發布子系統可實現流域環境質量結果展示、統計分析、預報預警、發布流域環境質量實況等。最后，基于SOA服務框架，組成沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統。

3.3 沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統實現

3.3.1 用智能設備代替傳統設備，可利用衛星遙感監測、傳感器等實時收集數據，并在項目監測、項目控制和項目評估中進行智能處理。

3.3.2 建設智慧的土壤保護系統。通過傳感器對監測點土壤侵蝕因子進行實時監測，對監測數據進行數據挖掘，對土壤侵蝕因子進行預測，并采取人工措施，來減少沿黃流域的洪澇和泥沙。

3.3.3 在污染控制上，對黃河沿岸的主要污水處理廠進行監測。該系統采用基于網絡的傳感器技術，可對廢水排放進行實時監測，并通過信息發布子系統將發現的可能污染區域展示出來。

3.3.4 使用智能洪水監測法和可靠的綜合洪水預警系統。使用智能技術和大數據技術，在汛期前對水量變化進行監測、預測和預報，一旦達到預警閾值，自動發送警告信息。汛期間，通過無人機對災區及時進行救援，并實時掌握洪水的具體情況。汛期過后，對災害及時進行統計，掌握災害情況。

3.3.5 科學分配水資源，提高用水效率，完善沿河黃流域水資源管理體制。運用智能技術來監測流域內水量和用水的變化情況，把握用水規律，合理分配水量，通過新一代信息化技術，對流域的水資源實現快速監測和預測［12］。

3.4 沿黃流域生態環境大數據管理與預警系統建設建議

3.4.1 將云計算和生態預警有機地結合起來。利用云技術將現有生態問題的相關信息保存起來，獲取當前生態信息，并將其與相應的流域治理數據進行對比，對沿黃流域的主要問題、風險和風險時段進行重點預警，可實現實時生態預警。

3.4.2 把高質量發展和數字經濟有機結合起來。利用大數據技術對沿黃流域的數字經濟發展的相關數據進行存檔，以數字經濟引導、信息化建設和系統運用為主要目標，并結合沿黃流域的實際情況，提出科學發展途徑。

3.4.3 把數字化轉型和高質量發展有機地結合起來。利用大數據技術對沿黃流域現有的企業轉型、行業升級、結構調整和環境匹配等資料進行保存，對影響黃河流域高品質發展的產業結構和產業升級等關鍵信息進行監測，實現對沿黃流域產業結構調整和產業升級的監測。

3.4.4 把黃河與生態環境保護有機地聯系起來。利用大數據技術對沿黃流域現有的生態保護與高質量發展的原始資料進行儲存，努力建設“數據黃河”，加速實現資源化利用。

3.4.5 要把5G和高質量發展聯系起來。利用大數據，緊緊抓住科技創新與工業轉型的契機，強化“5G+高質量發展”的運用，著力引進高科技、高附加值項目，著力破解黃河流域的工業結構斷裂和產業結構斷裂問題，提高沿黃流域科技創新與運用的能力。

4 結語

沿黃流域的生態環境保護與高質量發展已被列入國家重要發展戰略。沿黃流域生態環境大數據管理與預警服務體系是一個龐大復雜的系統［13］，不僅要有大量流域內生態環境數據作為支撐，還要與沿黃流域內各地區的實地環境相結合，形成每個地區相對獨立的預警系統，還要與其他地區的系統相互聯系，憑借更精確的大數據信息，使具體的預警更具有針對性，加強流域內監測力度，從而形成沿黃流域整體的大數據管理與預警服務體系，使沿黃流域生態環境得到切實保護與改善，大力推進沿黃流域高質量發展。