樊俊梅，邢 旗，紀(jì)大才，王保林，張鵬程，牧其爾，包烏云

(內(nèi)蒙古蒙草生態(tài)環(huán)境(集團(tuán))股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030)

內(nèi)蒙古自治區(qū)地處祖國的北部邊疆，東南西與八個省份毗鄰，跨越東北、華北、西北三大區(qū)，北與蒙古國、俄羅斯接壤，總面積118.3萬平方公里。地貌地形復(fù)雜多樣、生物資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)多樣且相互依存交織。這個區(qū)域集生態(tài)、生產(chǎn)、生活和文化傳承功能于一體，同時也是維護(hù)國家生態(tài)安全的綠色天然屏障〔1〕。近年來，這里的草原生態(tài)受自然、人為諸多因素的影響，生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了一定程度的退化。

為適應(yīng)草原科學(xué)利用和生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)的需要，準(zhǔn)確的分析和掌握草原生態(tài)系統(tǒng)的基本信息。提供草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)的相關(guān)技術(shù)，行之有效的管理措施，指導(dǎo)草原生態(tài)修復(fù)及草原畜牧業(yè)的健康發(fā)展。自2014年以來，蒙草的科研團(tuán)隊(duì)開始對內(nèi)蒙古可修復(fù)的退化草原、城鎮(zhèn)廢棄地、礦山，用遙感和地面結(jié)合的辦法進(jìn)行摸底調(diào)查，整合數(shù)十年來影響生態(tài)環(huán)境的“水土氣、人草畜、微生物”等核心指標(biāo)數(shù)據(jù)及諸多生態(tài)學(xué)、草業(yè)科學(xué)的科研成果，自主研發(fā)出具有軟件著作權(quán)、面向?qū)I(yè)應(yīng)用的大型GIS基礎(chǔ)平臺，開展草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)的信息收儲、調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)示范等工作，挖掘生態(tài)修復(fù)規(guī)律，儲備生態(tài)修復(fù)大數(shù)據(jù)，并廣泛應(yīng)用到生態(tài)修復(fù)中去。

1 生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺構(gòu)建

大數(shù)據(jù)是以容量大、類型多、存取速度快、應(yīng)用價值高為主要特征的數(shù)據(jù)集合，正快速發(fā)展為對數(shù)量巨大、來源分散、格式多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和關(guān)聯(lián)分析，從中發(fā)現(xiàn)新知識、創(chuàng)造新價值、提升新能力的新一代信息技術(shù)。而生態(tài)資源大數(shù)據(jù)則是融合了地域性、季節(jié)性、多樣性、周期性等自身特征后產(chǎn)生的來源廣泛、類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)。因此，搜集、分析、集成生態(tài)數(shù)據(jù)，集成統(tǒng)籌技術(shù)、構(gòu)建以技術(shù)指導(dǎo)修復(fù)、以修復(fù)創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)、以產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)工程和循環(huán)模式勢在必行。

草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)涵蓋矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、文本、圖片等結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取方式主要有“3S”、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的數(shù)據(jù)自動傳輸，手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳，人工采集，專家科研成果整合等多種數(shù)據(jù)獲取渠道，實(shí)現(xiàn)不同空間尺度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。目前，已收集到的遙感數(shù)據(jù)源包括國外SPOT、MODIS、Landsat影像及國內(nèi)高分?jǐn)?shù)據(jù)，收集了上世紀(jì)80年代以來氣象數(shù)據(jù)(包括13個指標(biāo))，收集并數(shù)字化了全區(qū)103個旗縣土壤類型分布圖(比例尺1∶5萬或1∶10萬)，部分地區(qū)水資源狀況數(shù)據(jù)；在全國草原類型分布圖矢量化基礎(chǔ)上，完成了植被覆蓋度(1982年至今)，地上生物量(2000年至今)的動態(tài)分布圖；利用近期遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地面調(diào)查，完成自治區(qū)9個盟市的草原生態(tài)狀況調(diào)查，制作了草原利用類型、利用程度分布圖；搜集了130 000份內(nèi)蒙古的土壤樣本，23 000余份植物標(biāo)本，累積了1 000多個修復(fù)案例(包括修復(fù)方法、措施、修復(fù)前后土壤和植被變化等)，全部收錄數(shù)據(jù)庫。

整理各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，制定蒙草基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)入庫、管理、體系和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；以地理空間信息和業(yè)務(wù)信息為基礎(chǔ)，以豐富的信息化終端展示、應(yīng)用為手段，構(gòu)建草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺。體系架構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等基礎(chǔ)設(shè)施層，基礎(chǔ)圖件、基礎(chǔ)生態(tài)資源、生產(chǎn)數(shù)據(jù)為主的數(shù)據(jù)層，操作系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等組成的支持層，以大數(shù)據(jù)“一張圖”管理系統(tǒng)，智慧草原管理系統(tǒng)(移動端)、維護(hù)管理系統(tǒng)為主的應(yīng)用層，以及為管理人員、科研院所、企業(yè)、農(nóng)牧戶等用戶提供訪問窗口的用戶層〔2〕。

如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 平臺的主要功能

2.1 信息數(shù)據(jù)獲取

大數(shù)據(jù)獲取技術(shù)主要包括感知技術(shù)(傳感器、遙感技術(shù)等)、識別技術(shù)(RIFD、光譜掃描、檢測技術(shù))、移動采集技術(shù)(智能終端、APP)等；在地域范圍，重點(diǎn)考慮對地觀測的資源宏觀布局，需要遙感、便攜式GPS面積測繪儀、飛行器等。通過“天、空、地”一體化的監(jiān)測體系，大數(shù)據(jù)平臺可以及時獲取草原資源與生態(tài)數(shù)據(jù)、草牧業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、草牧業(yè)市場數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等(圖2)。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢

通過整理和入庫現(xiàn)有的基礎(chǔ)生態(tài)數(shù)據(jù)，植物資源、修復(fù)技術(shù)、草原畜牧業(yè)數(shù)據(jù)等，可以實(shí)現(xiàn)土壤數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、草原利用狀況等基礎(chǔ)生態(tài)數(shù)據(jù)的快捷查詢功能(圖3)。用戶只要點(diǎn)擊生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺上任何一個經(jīng)緯度，內(nèi)蒙古自治區(qū)范圍內(nèi)該緯度上的水、土、氣、人、草、畜的數(shù)據(jù)都一目了然，方便用戶檢索植被生成所需的基礎(chǔ)生態(tài)情況。通過歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)，可了解植被與環(huán)境整體變化狀況。通過對植物、氣候、土壤、水資源等數(shù)據(jù)的積累于分析，大數(shù)據(jù)平臺可以給生態(tài)修復(fù)類型與技術(shù)方法、草種生產(chǎn)與應(yīng)用、蒙草生態(tài)包等產(chǎn)品的生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。

圖3 生態(tài)數(shù)據(jù)綜合查詢

2.3 大數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，快速搜集處理生產(chǎn)、生態(tài)、科研等方面海量數(shù)據(jù)，利用跨部門、跨區(qū)域的數(shù)據(jù)資源，支撐大氣、水、土壤、草原植被定量化，開展大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析模型，充分挖掘數(shù)據(jù)實(shí)用價值，形成應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化表達(dá)。利用歷史文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)資料并結(jié)合實(shí)地考察規(guī)范分析和實(shí)證分析相結(jié)合，定量和定性分析相結(jié)合，在掌握大量資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行生態(tài)資源、生態(tài)承載力等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析和綜合研判，從時間、空間兩個維度進(jìn)行生態(tài)動態(tài)監(jiān)控和評估，構(gòu)建以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善為核心的專業(yè)化、精細(xì)化的管理體系?！?〕

2.4 大數(shù)據(jù)應(yīng)用

建設(shè)基于空間地理信息系統(tǒng)的生態(tài)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺，使基礎(chǔ)地理、氣象水文、植被狀況、經(jīng)濟(jì)社會和互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)資源融合利用，提升綜合信息服務(wù)能力，為管理部門提供分析報告，提高管理決策的預(yù)見性、針對性和時效性；通過對生態(tài)的綜合評價和演變趨勢分析自然因素、產(chǎn)業(yè)開發(fā)及重大工程行為的生態(tài)效應(yīng)，提出退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建理論和技術(shù)途徑，以及可持續(xù)的利用、發(fā)展模式，為企業(yè)、科研院所提供在線業(yè)務(wù)咨詢和數(shù)據(jù)信息等技術(shù)支持〔4〕；運(yùn)用大數(shù)據(jù)可引導(dǎo)農(nóng)牧民科學(xué)生產(chǎn)經(jīng)營，根據(jù)生態(tài)環(huán)境、社會條件制定符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的草地改良、牧草種植技術(shù)方案，為農(nóng)牧民保護(hù)生態(tài)、增加草量提供服務(wù)。

3 大數(shù)據(jù)指導(dǎo)下的生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成

3.1 基于遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查

生態(tài)環(huán)境因子是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要指標(biāo)，充分利用遙感技術(shù)手段監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域現(xiàn)勢性較強(qiáng)的草原、林地、濕地、沙地、沙漠等生態(tài)資源，形成生態(tài)環(huán)境遙感專題數(shù)據(jù)產(chǎn)品；利用時空分析技術(shù)，對生態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行綜合評價，對調(diào)查區(qū)域生態(tài)環(huán)境基本特征、土地利用程度、約束性因素等進(jìn)行系統(tǒng)分析，在時空耦合界面上掌握生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)信息〔5-6〕。

3.2 基于生態(tài)大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)生態(tài)修復(fù)

基于前期的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查，掌握示范區(qū)土壤、草原、植被、森林、濕地、沙地、沙漠、礦區(qū)分布與退化、沙化、鹽漬化等基本信息，對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行定位分析。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)結(jié)合野外調(diào)查，分析需要生態(tài)修復(fù)地域(或地塊)的地理位置、土壤、水文、土地退化情況，植被生長習(xí)性等，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)各要素和主要生態(tài)過程、生產(chǎn)方式細(xì)分和過程耦合制定生態(tài)修復(fù)的技術(shù)方案，包括地形地貌修整、土壤系統(tǒng)修整、生態(tài)微環(huán)境修復(fù)；植物適宜性、混播比例、種植方案等，建立基于生態(tài)大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)生態(tài)修復(fù)支持系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的建立生態(tài)修復(fù)區(qū)域適宜的生態(tài)修復(fù)技術(shù)方法(圖4)。

圖4 草原生態(tài)修復(fù)方案

3.3 生態(tài)修復(fù)工程監(jiān)測評價

利用高分遙感數(shù)據(jù)對生態(tài)修復(fù)工程進(jìn)行監(jiān)測，包括草原修復(fù)、林地修復(fù)、濕地修復(fù)、鹽堿土地修復(fù)、沙地及沙漠邊緣修復(fù)、礦區(qū)修復(fù)、邊坡修復(fù)、城鎮(zhèn)周邊廢棄地修復(fù)、園林景觀工程等，建立二三維聯(lián)動下的工程時空動態(tài)監(jiān)測。利用大數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等手段，判讀出生態(tài)修復(fù)區(qū)地表狀況、植被覆蓋、水土流失等生態(tài)環(huán)境狀況，做出科學(xué)評價，建立生態(tài)修復(fù)效果評估體系，對生態(tài)建設(shè)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、監(jiān)測管理和效益評價提供數(shù)據(jù)支持(圖5)。

圖5 白云鄂博礦區(qū)遙感監(jiān)測

3.4 生態(tài)修復(fù)信息產(chǎn)品

在搭建內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)中平臺基礎(chǔ)上，不斷生產(chǎn)生態(tài)保護(hù)行業(yè)應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn)化信息產(chǎn)品，除NDVI、AVI、LAI、溫度、土壤、地質(zhì)、植物等通用數(shù)據(jù)產(chǎn)品外，還包括面向不同生態(tài)修復(fù)區(qū)應(yīng)用生產(chǎn)的遙感監(jiān)測產(chǎn)品數(shù)據(jù)：包括退化草原、林地、濕地、鹽堿地、沙地、沙漠、礦區(qū)、邊坡、城鎮(zhèn)周邊廢棄地遙感監(jiān)測產(chǎn)品等(圖6)。根據(jù)生態(tài)環(huán)境精準(zhǔn)修復(fù)結(jié)果，編制生態(tài)修復(fù)報告，建立全套生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)流程，為社會用戶提供綜合空間信息服務(wù)，推動大數(shù)據(jù)應(yīng)用的市場化和商業(yè)化。

圖6 內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗苜?；?/p>

4 結(jié)論

草原生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺是集草地資源、氣象、土壤、牲畜、人口、微生物、遙感以及基礎(chǔ)地理等多源數(shù)據(jù)的集合，與草原生態(tài)修復(fù)、現(xiàn)代草業(yè)、畜牧業(yè)等多種業(yè)務(wù)需求并軌，構(gòu)建統(tǒng)一的綜合管理平臺。通過研究生態(tài)系統(tǒng)中的各種要素和影響因子，采取科學(xué)有效的措施，綜合治理幫助生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建，扭轉(zhuǎn)生態(tài)系統(tǒng)本身的惡化趨勢，并引導(dǎo)其向新的相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)發(fā)展，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的功能。

草原生態(tài)大數(shù)據(jù)是一個具有科學(xué)指導(dǎo)性的服務(wù)型平臺，更多應(yīng)用于草原生態(tài)修復(fù)上，在草-草原-草產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，服務(wù)于社會和農(nóng)牧民。通過整合草原生態(tài)基礎(chǔ)及技術(shù)數(shù)據(jù)，集成不同區(qū)域生態(tài)修復(fù)、草牧業(yè)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)現(xiàn)生態(tài)數(shù)據(jù)、植物種質(zhì)資源、生態(tài)修復(fù)、草牧業(yè)生產(chǎn)技術(shù)等信息要素互通。在草原生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺上用大數(shù)據(jù)分析、挖掘技術(shù)等手段，判讀出不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況和成因，做出科學(xué)評價。

基于生態(tài)大數(shù)據(jù)在草原生態(tài)修復(fù)應(yīng)用項(xiàng)目可提煉出生態(tài)修復(fù)的基本模式，建立一套生態(tài)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)管理措施，提升大數(shù)據(jù)技術(shù)手段在生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)治理模式、生態(tài)環(huán)境修復(fù)和評價體系中的應(yīng)用，整理出生態(tài)修復(fù)流水線，推廣至全國其他省域的應(yīng)用，為全國生態(tài)文明建設(shè)和改革提供科學(xué)依據(jù)，為內(nèi)蒙古自治區(qū)、市、縣等各級政府部門和企業(yè)、科研院所、高校和農(nóng)牧民等社會用戶提供綜合空間信息服務(wù)，構(gòu)建以生態(tài)質(zhì)量改善為核心的專業(yè)化、精細(xì)化的管理體系，推動并實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)成果的市場化。

〔1〕讓綠色遍布祖國北部邊疆——內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)建設(shè)紀(jì)實(shí)〔J〕.國土綠化,2010(7):33.

〔2〕王召明,紀(jì)大才,邢旗.大數(shù)據(jù)在草原生態(tài)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究〔C〕.中國草學(xué)會學(xué)術(shù)年會,2016.

〔3〕藺旭東,周軍鋒,劉佳.資源關(guān)聯(lián)性大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用〔J〕.中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2016,02(37),62-65.

〔4〕包山虎,田軍,陶賽西雅拉.圖基于GIS的內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評價系統(tǒng)的建立〔J〕.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,33(4):214-217.

〔5〕李立睿,鄧仲華.“互聯(lián)網(wǎng)+”視角下的科學(xué)數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)研究〔J〕.圖書與情報,2016(2).

〔6〕唐斌.大數(shù)據(jù):生態(tài)文明建設(shè)信息資源的“去孤島化”〔J〕.湘潭大學(xué)學(xué)報,2017.41(1).