河流水生態信息化監管平臺建設規劃與分析

袁惠穎

(北京市豐臺區水文與水土保持工作站,北京 100165)

近年來,隨著人們生態意識的加強,河流生態修復工作受到廣泛關注[1-2]。但從河流生態修復工程全生命周期上看,目前對修復后的管理工作重視不夠[2-3],尚未建立具有反饋機制的管理模式[1];從監測項目上看,水生態監測包含生境、理化、生物監測,大部分修復工程偏重于水質理化指標監測,缺乏生物監測[1]。然而,生物物種恢復是河流生態恢復的重要體現[4],由于生物體對修復的響應較慢,在短期內并不能體現[5]。因此,增加對修復后的生物監測,并建立相應的反饋管理模式,確保對修復河流生態系統的長期監管顯得尤為重要。

為了解決當前河流水生態修復面臨的監測與管理問題,本文依托于北京市豐臺區佃起河、蟒牛河、小清河區界段3條河流水生態提升項目(一期),構建水生態信息化監管平臺,接入水質理化指標自動監測信息,實現水質超標預警;利用圖像識別技術,實現河流水生態鳥類監測;借助視頻監控圖片,實現魚類人工識別,并在監管平臺填報識別信息,進一步通過對鳥、魚識別物種種類數量逐年變化分析,動態定量呈現水生態修復效果,從而達到對水生態系統進行長期監管的目標。

1 信息化建設現狀

針對河流生態修復存在的監測與管理問題,國家與地方政府從政策層面給予了相應引導?！渡鷳B環境監測規劃綱要(2020-2035年)》明確要求地表水監測逐步實現水質監測向水生態監測轉變?！丁笆奈濉鄙鷳B環境監測規劃》(環監測〔2021〕117號)要求開展重要生態系統保護修復工程實施成效監測評估,開展全國生態環境智慧監測試點,打造國家-省-市-縣交互貫通的會商系統和智慧監測平臺,提升大數據監測水平?！侗本┦袊窠洕蜕鐣l展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》要求開展流域水生態狀況監測評價,建成環境質量、生態質量狀況和污染源監測全覆蓋的生態環境監測網絡,建設生態環境保護大數據平臺。《“十四五”時期豐臺區水務發展規劃》要求加強水土保持水生態修復監管,強化監測評價,對已建生態清潔小流域進行效果后評估。由此可見,加強生物監測,構建相應的監測管理平臺,是國家未來生態修復的重點任務與要求。

水生態生物監測應包括著生藻類、底棲動物、魚類監測[6-12]。鳥類對維護河湖生態系統平衡發揮著重要作用,亦可作為水生態生物多樣性監測的重要指標[13]。目前,鳥類AI識別監測已實現項目應用[14-15];魚類監測則主要依賴于人工調查或捕獲[16-17],魚類AI識別技術在實際工程項目中應用較少。在國家數字化建設與新一代信息技術快速發展時代大背景下,建設信息化監管平臺,匯聚水生態監測信息,通過實時監測預警及對生物體變化趨勢統計分析,可及時與持續反饋水生態修復效果,為實現河流生態修復系統長期監管提供有效技術手段。

2 建設需求及目標

北京市豐臺區為響應國家大力改善生態環境質量的號召,于2022年制定了《豐臺區深入打好污染防治攻堅戰2022年行動計劃》,要求開展河西片區水生態提升項目一期工作。工作內容主要涉及佃起河、蟒牛河、小清河區界段3條河流水生態修復,包括通過補水工程,保證河流生態補水量、保持河道常水位;進行面源污染控制工程,防止雨水帶來的面源污染;對河床或岸坡進行生態化改造;構建水生生物群落,并配備生態配套設施等。

為了滿足動態定量了解河道水質及生態狀況要求,項目增設4處水質自動監測站點、8處生態視頻監測站點,兩類監測站點位置重合,站點位置分布見圖 1。水質站點可進行水文、水質參數監測,其中水文監測參數包括河流斷面水位、流速及流量,水質監測參數包含溶解氧、氨氮、化學需氧量、pH、電導率、渾濁度、溫度;生態監測站點包括水上/水下自動抓拍鳥類/魚類圖片及視頻。

圖1 自動監測站點分布圖

項目亟待構建水生態信息化監管平臺,匯聚水生態監測信息,實現水質超標預警、評價及生態監測信息的定量分析,直觀展示預警及分析結果,提高項目建成后的管理運維效率。

以實現修復河流水生態系統長期監管為目標,構建水生態信息化監管平臺。平臺接入增設的4處水質自動監測站、8處同測站監測的水上鳥類及水下魚類智能視頻監測設備數據,完成各種類型數據匯聚;通過對河流水質超標預警,及時提醒工作人員對可能出現的水生態問題做出迅速反應,防止問題擴大;通過對水質狀況評價及河流棲息鳥、魚類識別結果年度對比分析,從定量角度展現河流水生態狀況,指導后續治理工作。具體如下:

1)建立水生態信息化監管平臺,接入4處水質監測數據及8處同監測站點鳥類、魚類圖像抓拍圖片或視頻。

2)平臺轉發所采集鳥類抓拍圖片至北京市水文總站鳥類識別平臺進行鳥類物種識別,接受并重組鳥類識別結果。

3)平臺直觀展現設定時間段內鳥、魚類圖像識別及不同維度統計分析結果。

4)平臺實時展示4處河流水質指標及預警狀態,實現按日期查詢歷史監測數據。

3 系統框架及方案

水生態信息化監管平臺總體架構圖見圖2,由感知層、政務云、數據層、支撐層、業務應用及網絡安全體系、保障體系構成,其中感知層主要面向水質自動監測及鳥、魚類智能生態監測,用戶僅在PC端運行此平臺。

圖2 平臺總體架構圖

感知層主要實現平臺感知體系的搭建,包括水質自動監測站點及鳥、魚類生態智能監測站點,邊緣計算在設備側通過安裝邊緣計算盒子實現。感知層采集監測數據并上傳至物聯網平臺,進行數據匯聚與清洗。

政務云作為基礎設施,主要是基于硬件資源和軟件資源的服務,提供計算、網絡和存儲能力。本文所建水生態信息化監管平臺搭建在豐臺區政務云上,由政務云提供計算、網絡及存儲資源。

數據層主要通過數據整合、匯聚來搭建水生態數據庫,包括業務數據庫、監測數據庫、基礎數據庫、空間數據庫、多媒體數據庫,實現數據資源的分類存儲。

應用支撐層通過集成各類中間件,將平臺中的各類功能服務按照統一的標準接口封裝,實現服務的通信與整合。同時,平臺為上層業務應用提供可跨平臺直接調用基礎支撐組件。所建平臺涉及物理網平臺、GIS服務平臺、鳥類AI識別平臺,并進行相應的平臺管理。應用支撐層利用豐臺區已建水環境監測物聯感知平臺的物聯網平臺、GIS服務平臺及平臺管理服務,以及北京市水文總站鳥類識別平臺,故應用支撐層不再重復建設。

業務應用主要借助GIS服務平臺實現水生態一張圖服務,通過物聯網監測平臺采集的數據進行水質分析,借助鳥類識別平臺展示及統計分析識別結果完成水生態監測與分析。

網絡安全體系與保障體系分別為按《信息安全技術 網絡安全等級保護定級指南》(GB/T 22240-2020)確定平臺安全保護等級及體制機制、標準規范、技術創新、運維體系等,本平臺主要涉及標準規范保障體系建設。

4 建設內容及功能

4.1 數據資源建設

水生態信息化監管平臺數據資源建設,是將分散的多方數據進行整合匯聚納入統一的技術平臺,并對這些數據進行治理,借助平臺將治理后數據進行共享發布。數據資源建設對數據進行全生命周期管理,能夠達成快速查詢、反饋和快速呈現結果,有效提高數據使用率。

1)數據匯聚。項目從新建4處水質,8處魚類、鳥類智能監測站匯聚水質、生態監測數據。

2)數據庫建設。資源建設通過數據整合匯聚建庫形成水生態數據庫數據資源目錄,包括監測數據庫、業務數據庫、空間數據庫、多媒體數據庫、基礎數據庫,采集元數據、建立索引。數據庫建設內容見表1。

表1 數據庫建設內容

4.2 業務實現流程

業務實現流程為監測數據實現一張圖展示的過程,主要涉及從平臺搭建到監測設備對接的工作流程及數據從設備側傳輸到對應數據庫并上圖的數據傳輸流程。水質監測數據、鳥魚識別結果上圖業務實現流程分別見圖3、圖4。圖4中,重組鳥類識別數據指在鳥類抓拍圖片上附帶物種名稱、識別時間及監測站點名稱(參見圖6監測站點彈窗)。

圖3 水質監測數據上圖業務實現流程

圖4 鳥、魚類監測數據上圖業務實現流程

4.3 業務應用功能

平臺為實現修復河流水生態現狀測評及長期監管,圍繞一張圖展示、水質預警與評價、水生態物種變化分析3項核心業務,建設了三大功能模塊,包括水生態一張圖、水質分析、水生態分析,見圖5。

圖5 業務應用拓撲圖

4.3.1 水生態一張圖

通過水生態“一張圖”(圖6)可直觀展示鳥類、魚類圖像識別成果,水質監測數據,全面展示蟒牛河、佃起河、小清河區界段3條河流水生態日常監管情況。

圖6 水生態一張圖示例

支持在地圖上展示各監測站點的位置及監測數據,能夠按小時刷新顯示所有監測站點水生態信息;支持監測站點在水生態一張圖上定位;支持用戶在地圖上選擇某個監測站點,獲取該監測站點逐4h水質變化情況;支持在地圖上選定一個歷史時間段,展示該時間段內的水質信息;支持在地圖上展示水質超標預警信息;支持在地圖上選擇鳥類、魚類監測站點,展示圖像識別結果。

基于地圖展示8處水面上的鳥類、水面下魚類視頻監控點的圖像識別成果,包括采集時間、監測時段、識別圖片呈現。

基于地圖展示4處河流水質監測實時數據、歷史數據和預警狀態,監測指標包含水位、流速、流量和水質常規5項(溶解氧、濁度、電導率、pH、水溫),以及COD和氨氮等。實時數據顯示采集時間及水質評價結果,歷時數據通過選擇水文或水質切換監測指標內容,可按時間段查詢各項水文及水質監測指標變化曲線。

平臺將不同水質監測指標與預先設置的對應預警閾值進行對比,當某項水質指標超過閾值時,觸發報警。將超標水質報警信息,以預警事件形式進行發布,在水生態一張圖上閃爍顯示預警狀態,點擊后以小窗口列表形式展示已發布預警信息,包括采集時間、預警事件類型、預警發布狀態、預案啟動情況。

4.3.2 水質分析

通過對水質監測數據進行統計分析及評價,可判斷監測斷面水質狀況。包括以下功能:

1)水質統計。平臺可分別統計水質正常、超標站點數量,按所屬河流及測站進行監測指標查詢,并以列表形式展示對應測站名稱、水質評價、水質狀況、更新時間,見圖7。點擊測站名稱,可實現地圖定位。

從行業發展空間看，以抽油煙機、電飯煲、微波爐為代表的廚電行業，整體行業成長邏輯不變。廚電行業長期看在品類拓展上亦有空間。依據中怡康數據，從目前市場格局看老板及方太雙寡頭在終端市場份額始終保持絕對優勢，而且增長動力仍然充足。

圖7 水質分析展示界面

2)水質評價。依據《地表水環境質量標準》(GB 3838)中規定的監測指標標準值,對監測斷面進行水質評價(水質類別判定);依據《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦〔2011〕22號)對監測斷面進行水質狀況判定(優、良好、輕度污染、中度污染、重度污染)。監測斷面水質評價結果在左邊框展示。

4.3.3 水生態分析

1)運行狀態。平臺可分別統計鳥類、魚類視頻監測站識別物種種類數量。

2)識別記錄。以列表形式記錄設定時間段內鳥類、魚類監測站點所屬不同河流對應的識別結果,包括測站名稱、識別結果(圖標、識別物種名稱)、識別時間。點擊識別時間右側日歷圖標展示歷史識別結果統計,包括識別物種名稱、識別圖片、識別時間,可按時間段進行數據查詢。

3)統計分析。在線查看佃起河、蟒牛河、小清河區界段3條河流鳥類、魚類監測識別統計分析結果,實現按所屬河流、測站類型分別統計鳥/魚類識別物種數量,以此進行排序。分析鳥、魚類識別物種總數逐年變化趨勢,追蹤河流水生態修復效果。按3條河流統計識別出鳥、魚類物種種類圖片總數,即識別物種次數,并對當年識別物種次數進行排名,可發現優勢物種。統計分析效果展示見圖8。

圖8 水生態統計分析圖

4.4 網絡安全體系與保障體系

平臺部署在豐臺區政務云上,政務云按網絡安全三級等保進行設計,滿足平臺二級等保定級要求,故不再單獨對平臺進行等保設計?？紤]到政務云與豐臺區水文和水土保持站之間已建100M專線,可以實現信息在線上傳、下達、發布、共享,故平臺亦不需再建立專屬信息通訊網絡。監測站點信息通過4G網絡進行傳輸。平臺以《生態環境信息化標準體系指南》(HJ 511-2024)所涉及標準規范為基礎,建設水生態信息化監管平臺及管理制度與操作規范,包括總體標準、基礎設施標準、數據標準、應用標準及平臺運維要求與使用說明,保障平臺規范運行。

5 結 語

本文以實現修復河流水生態系統長期監管為目標,構建了河流水生態信息化監控平臺,利用視頻抓拍鳥、魚類圖片,初步實現了水質監測向水生態監測的轉變;借助人工智能技術識別鳥類物種,提高了監測工作效率。平臺實現了水質、生態信息的定量評價與分析,通過水生態一張圖直觀呈現監測與分析結果,為實現河流修復后長期監管提供借鑒,支撐流域水生態管控平臺的搭建。由于項目所建監測站點偏少,平臺未對河流進行全時空尺度的監測分析與健康評價[18]。隨著工程的后續建設,平臺可接入更多監測數據,以支持河流上中下游及全流域尺度的時空分析與健康評價。