海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測評估方案設(shè)計與實現(xiàn)

唐浩宇，陳佐，鄒文財

（1.廣東南方數(shù)碼科技股份有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州航天宏圖人工智能科技有限公司，廣東 廣州 510260；3.廣東省土地調(diào)查規(guī)劃院， 廣東 廣州 511453；4.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室（廈門大學(xué)），福建 廈門 361102）

海洋與人類生活息息相關(guān)。為了系統(tǒng)科學(xué)推進海洋生態(tài)保護工作，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，2021 年7 月，自然資源部下發(fā)了《關(guān)于建立健全海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測體系的通知》等系列文件[1]，要求各地海洋部門依托自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫和國土空間基礎(chǔ)信息平臺，統(tǒng)一設(shè)計分級建設(shè)海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測信息化平臺。

當(dāng)前，全面開展海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測體系建設(shè)還存在著諸多障礙。一是海洋生態(tài)系統(tǒng)家底掌握不清。海洋生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不夠健全，亟待建立海洋生態(tài)分類分區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系；海洋生態(tài)分類分區(qū)數(shù)據(jù)不齊全，確定海洋調(diào)查監(jiān)測對象存在困難；海洋生態(tài)預(yù)警的本底參考值欠缺，開展典型生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測，缺少必要的參考基線數(shù)據(jù)。二是海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測體系不健全。不同海洋生態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)中監(jiān)測指標(biāo)及頻率設(shè)定、站位/樣方布設(shè)、采樣方法，以及從數(shù)據(jù)實時/延時采集、快速匯交、數(shù)據(jù)加工處理到成果共享應(yīng)用的全生命流程內(nèi)諸多事項需要在實踐中構(gòu)建與完善。三是海洋生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警指標(biāo)體系尚待豐富與完善。影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的因素較多，原因較為復(fù)雜，影響因子、因子權(quán)重、評價模型等內(nèi)容需要進一步研究與修正。諸多障礙問題亟待克服與解決，以更好地推動海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測目標(biāo)的實現(xiàn)。

2022 年3 月，廣東省自然資源廳印發(fā)《關(guān)于建立健全全省海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測體系的通知》，全面部署廣東省海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測工作。本文依據(jù)省廳工作部署要求，從信息化角度針對以上問題進行了粗淺的思考，提出了構(gòu)建海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測評估系統(tǒng)的總體設(shè)計方案與實現(xiàn)思路。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)學(xué)者在海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測評估體系研究方面，已從單一場景逐步向綜合場景的預(yù)警監(jiān)測發(fā)展。2012 年，李京梅等就已初步建立了養(yǎng)殖業(yè)生態(tài)預(yù)警的指標(biāo)評價體系和評價方法，并使用指標(biāo)的實際觀測數(shù)據(jù)進行了初步模擬分析[2]。許婷婷針對海洋生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險事故，提出應(yīng)建立海洋生態(tài)環(huán)境污染預(yù)警數(shù)據(jù)庫與海洋生態(tài)環(huán)境污染預(yù)警數(shù)學(xué)模型，以便及時發(fā)現(xiàn)污染事件[3]。孫藝提出要探索開展海洋生態(tài)預(yù)警服務(wù)，通過對其他地區(qū)的預(yù)警監(jiān)測案例進行分析，總結(jié)其成功和值得借鑒之處，分析指標(biāo)選擇的全面性及指標(biāo)權(quán)重分配的科學(xué)合理性，更好地發(fā)揮指標(biāo)體系對生態(tài)環(huán)境的評估作用[4]。梁斌等認(rèn)為目前國內(nèi)的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系難以滿足海洋生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力的現(xiàn)代化目標(biāo)要求，并提出了健全海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系的對策建議[5]?？傮w而言，國內(nèi)學(xué)者更加注重監(jiān)測預(yù)警體系中評價方法等宏觀層面的研究[6]。

國外關(guān)于海洋生態(tài)預(yù)警機制的研究與實踐早于我國，研究對象更加側(cè)重于評價指標(biāo)領(lǐng)域。美國國家海洋和大氣管理局于1992 年實施了損害評估及修復(fù)計劃。當(dāng)海岸帶損害事故發(fā)生時，美國國家海洋和大氣管理局將與其他責(zé)任方一起確定事故發(fā)生對自然資源的影響及其損失，并聘請專家確定受影響的程度，通過征求公眾意見確定最佳修復(fù)方法、數(shù)量和位置[7]，同時也開展了許多針對海洋生態(tài)預(yù)警評價指標(biāo)的研究。Ndah 等認(rèn)為，海洋浮游動物是海洋生態(tài)系統(tǒng)評估的中心組成部分，提出利用浮游動物的生物特征作為評估和監(jiān)測水生系統(tǒng)生態(tài)健康和完整性的有用工具，并以波羅的海和北大西洋地區(qū)為典型示范，使用了幾類廣泛的核心生物多樣性指數(shù)——浮游動物平均規(guī)模和總種群指數(shù)、浮游生物生命指數(shù)（Plankton Lifeforms Index，PLI），以及脅迫響應(yīng)指數(shù)等[8]，值得參考。類似還有Susandi 等針對海洋生態(tài)承載能力評價所做的指數(shù)研究[9]。

本文基于當(dāng)前海洋生態(tài)預(yù)警方面存在的問題，充分借鑒國內(nèi)外在海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測評估指標(biāo)體系建設(shè)領(lǐng)域評價方法、具體指數(shù)等多個層級的研究成果，提出了服務(wù)于省級海洋生態(tài)行政管理的海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測平臺建設(shè)方案。

2 解決方案與技術(shù)路線

本文確定一個總體的技術(shù)實現(xiàn)路線：充分應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，以及空間地理分析、指標(biāo)分析評價、數(shù)據(jù)駕駛艙等信息技術(shù)手段，構(gòu)建海洋生態(tài)系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫、近岸海洋生態(tài)“一張圖”，掌握我國海洋生態(tài)底數(shù)；構(gòu)建海洋典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行體系，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯集、快速處理及動態(tài)更新機制；建立海洋生態(tài)受損狀況及變化趨勢分析評估模型，開展海洋生態(tài)預(yù)警分析評價指標(biāo)計算，及時預(yù)警生態(tài)問題與潛在風(fēng)險；應(yīng)用數(shù)據(jù)駕駛艙展示海洋生態(tài)總體態(tài)勢及演變趨勢，為制定海洋生態(tài)保護措施提供綜合研判決策服務(wù)。結(jié)合國家整體工作部署，系統(tǒng)建設(shè)方案架構(gòu)總共設(shè)計四大模塊（圖1）。

圖1 海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測平臺建設(shè)方案邏輯架構(gòu)

2.1 近海生態(tài)一張圖

收集整理海洋空間地理信息資料、海洋生態(tài)相關(guān)業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、海洋生態(tài)相關(guān)各類規(guī)劃數(shù)據(jù)、海洋生態(tài)相關(guān)的觀監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，以及典型生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查成果，整合生產(chǎn)建成海洋生態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎(chǔ)開展海洋生態(tài)數(shù)據(jù)成果展示、提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等服務(wù)。

2.1.1 海洋生態(tài)綜合數(shù)據(jù)庫

（1）海洋生態(tài)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫。匯集整合多類空間地理數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)地形圖、海底水深圖、市縣海域行政界線等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)；國控站位、標(biāo)準(zhǔn)斷面、監(jiān)測站位及樣方等監(jiān)測空間布局?jǐn)?shù)據(jù)；三級生態(tài)分區(qū)、水生場景分區(qū)、典型生態(tài)系統(tǒng)單元分布等生態(tài)空間數(shù)據(jù)。

（2）海洋生態(tài)綜合監(jiān)管數(shù)據(jù)庫。匯集整合多類監(jiān)管業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：海洋生態(tài)領(lǐng)域業(yè)務(wù)管理、海洋規(guī)劃、海洋調(diào)查、環(huán)境觀（監(jiān)）測、海域海島生態(tài)監(jiān)視監(jiān)測、海洋開發(fā)利用等與海洋生態(tài)相關(guān)的海洋業(yè)務(wù)管理的成果數(shù)據(jù)。

（3）海洋生態(tài)環(huán)境資源數(shù)據(jù)庫。收集整合各個海洋典型生態(tài)系統(tǒng)單元內(nèi)以及其他近岸海域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括：各種海洋水文、海洋氣象、海洋水質(zhì)、海洋生物資源、海洋化學(xué)、海洋自然災(zāi)害等多個生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的成果數(shù)據(jù)。

（4）海洋生態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)庫。收集整合近海生態(tài)區(qū)域海洋生態(tài)類型清單，收集區(qū)域內(nèi)各類典型生態(tài)系統(tǒng)分布與基本特征數(shù)據(jù)、生物多樣性數(shù)據(jù)以及關(guān)鍵生境要素信息，整理重要生態(tài)類型數(shù)量、質(zhì)量、受損情況、保護利用狀況等基本狀況及變化趨勢等信息，建立各個典型海洋生態(tài)系統(tǒng)單元生態(tài)基線數(shù)據(jù)表。

2.1.2 海洋生態(tài)一張圖成果應(yīng)用

滿足國家海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測工作總體部署要求，生成近岸海域十大類典型海洋生態(tài)系統(tǒng)分布專題圖、海洋生境專題地圖；提供海洋生態(tài)分類分區(qū)專題數(shù)據(jù)管理，如：水體環(huán)境、地形地貌、底質(zhì)環(huán)境、生物群落等生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，海水養(yǎng)殖、生物入侵、拖網(wǎng)/捕撈等修飾因子數(shù)據(jù)，以及海洋工程、異常升溫、敵害生物等威脅因素數(shù)據(jù)；提供各個典型生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)基數(shù)數(shù)據(jù)查詢，如：紅樹林的植被總面積、蓋度、幼苗比例、林帶寬度等；提供基于典型生態(tài)系統(tǒng)圖斑緩沖分析等應(yīng)用，輔助確定生態(tài)系統(tǒng)問題清單；導(dǎo)出生態(tài)系統(tǒng)組分?jǐn)?shù)據(jù)，輔助制作生態(tài)系統(tǒng)狀況成果報告等；提供各類專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖表、數(shù)據(jù)列表分析應(yīng)用等多種功能（圖2）。

圖2 海洋生態(tài)一張圖模塊界面方案

2.2 海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)管理

根據(jù)近海生態(tài)趨勢性監(jiān)測、典型生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測、海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測、重大戰(zhàn)略區(qū)域協(xié)同監(jiān)測等業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行體系，建立海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時匯集、快速處理、動態(tài)更新，以及服務(wù)共享機制。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)及動態(tài)更新

建立任務(wù)管控，針對實時或延時采集數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)匯交通道，接收監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，之后根據(jù)數(shù)據(jù)類型差異采取不同方法完成質(zhì)量檢測、自動或人工數(shù)據(jù)加工處理以及動態(tài)更新。例如：水文、環(huán)境數(shù)據(jù)等屬性類數(shù)據(jù)，采取抽取、清洗、裝載方式處理；海洋生態(tài)災(zāi)害的水色遙感數(shù)據(jù)，采取解析識別方式提取生態(tài)圖斑分布范圍以及類型/性質(zhì)、面積等數(shù)據(jù)。不同生態(tài)專題監(jiān)測采集處理的數(shù)據(jù)內(nèi)容各有差異。

（1）近海生態(tài)趨勢性監(jiān)測。定期采集不同監(jiān)測站位及標(biāo)準(zhǔn)斷面的各類生態(tài)基礎(chǔ)要素數(shù)據(jù)，如水文氣象、水體環(huán)境、底質(zhì)環(huán)境、生物群落等，以掌握生態(tài)基礎(chǔ)狀況，根據(jù)多年長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算年際變化趨勢情況，完成近海生態(tài)趨勢數(shù)據(jù)建庫。

（2）典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測。定期針對牡蠣礁、海藻場、鹽沼、泥質(zhì)海岸、砂質(zhì)海岸、河口、海灣、珊瑚礁、海草床、紅樹林等十大類典型生態(tài)系統(tǒng)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)包括：典型生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵生境要素、生物群落、環(huán)境要素、威脅因素等，完成典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)建庫。

（3）海洋生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測。結(jié)合廣東省特點，重點針對赤潮，以及毛蝦、尖筆帽螺、水母等新型生物暴發(fā)類型自然災(zāi)害開展應(yīng)急監(jiān)測，同時針對海洋缺氧、海洋酸化、海洋微塑料等生態(tài)災(zāi)害開展長期監(jiān)測，匯集各類生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)，反映海洋生態(tài)災(zāi)害發(fā)展演變，以及生境狀況長期演變趨勢，完成相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)建庫。

2.2.2 海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)成果管理及應(yīng)用

實現(xiàn)四類海洋生態(tài)專項監(jiān)測成果數(shù)據(jù)集中管理，提供數(shù)據(jù)可視化展示及對外成果應(yīng)用服務(wù)，包括：（1）近海趨勢監(jiān)測。實現(xiàn)近海生態(tài)趨勢性監(jiān)測業(yè)務(wù)運行管理功能，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)集、統(tǒng)計分析圖表、趨勢專題圖等成果管理，以及暖化、富營養(yǎng)化、低氧化、酸化等趨勢監(jiān)測成果數(shù)據(jù)服務(wù)；（2）典型系統(tǒng)監(jiān)測。實現(xiàn)典型生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測業(yè)務(wù)運行管理功能，匯集各個生態(tài)單元不同時期監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，提供各類生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)變化情況服務(wù)；（3）災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測。實現(xiàn)海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測業(yè)務(wù)運行管理功能，匯集各類生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測報告、預(yù)測預(yù)警信息、防控評估報告等成果，提供歷次生態(tài)災(zāi)害演變數(shù)據(jù)，以及生態(tài)災(zāi)害問題清單；（4）重大戰(zhàn)略區(qū)域協(xié)同監(jiān)測。實現(xiàn)粵港澳大灣區(qū)協(xié)同監(jiān)測業(yè)務(wù)運行管理功能，匯集大灣區(qū)海洋生態(tài)狀況關(guān)鍵要素監(jiān)測成果，提供大灣區(qū)海洋生態(tài)狀況報告。

2.3 海洋生態(tài)分析評估

建立海洋生態(tài)受損狀況及變化趨勢分析評估模型，開展海洋生態(tài)預(yù)警分析評價，及時發(fā)布海洋生態(tài)問題與潛在風(fēng)險警示信息。

2.3.1 構(gòu)建海洋生態(tài)預(yù)警分析評價指標(biāo)體系

海洋生態(tài)預(yù)警分析評價指標(biāo)包括三個層次的內(nèi)容：資源狀況、生境狀況、風(fēng)險狀況。（1）資源狀況：生物資源狀況包括海域生物資源指數(shù)、海域生物資源多樣性指數(shù)、漁業(yè)資源指數(shù)等；空間資源狀況包括海岸線資源指數(shù)、重要生態(tài)空間指數(shù)、潮間帶資源指數(shù)等。（2）生境狀況：生境生態(tài)化狀況包括初級生產(chǎn)力指數(shù)、濱海植被面積指數(shù)、無居民海島植被覆蓋率指數(shù)等；底質(zhì)污染狀況包括酸可揮發(fā)性硫化物指數(shù)、總有機碳指數(shù)等；水體富營養(yǎng)化狀況包括富營養(yǎng)化指數(shù)、氮磷比指數(shù)等；水體穩(wěn)定性狀況包括溶解氧飽和度指數(shù)、酸堿度指數(shù)等。（3）風(fēng)險狀況：生態(tài)災(zāi)害狀況，包括赤潮風(fēng)險指數(shù)、互花米草入侵指數(shù)等；潛在風(fēng)險狀況包括海域低氧指數(shù)、砂質(zhì)岸線侵蝕指數(shù)和海平面變化指數(shù)。

2.3.2 海洋生態(tài)評估綜合評價及應(yīng)用

參考《海岸帶生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查與評估技術(shù)導(dǎo)則》提供的評估方法，應(yīng)用單項指標(biāo)因子的賦值方法、指標(biāo)模型計算公式，以及各個層級指標(biāo)/評價因子的權(quán)重值，可以構(gòu)建相對全面的海洋生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警評估模型。依此開展單項及綜合指標(biāo)的計算，完成海洋生態(tài)狀況綜合評估。依據(jù)經(jīng)驗或參考文獻確定各項評估指標(biāo)預(yù)警閾值，如果動態(tài)計算的海洋生態(tài)狀況評估指標(biāo)超出閾值，則根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)等級，自動生成預(yù)警預(yù)報信息；依據(jù)預(yù)設(shè)的模板和通知渠道，由系統(tǒng)發(fā)送預(yù)警預(yù)報成果，方便相關(guān)部門提前做好應(yīng)對措施。未來實踐過程評估模型、預(yù)警閾值根據(jù)實際驗證結(jié)果，可以進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整。

2.4 海洋生態(tài)數(shù)據(jù)駕駛艙

方案嘗試將數(shù)據(jù)駕駛艙應(yīng)用于海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測綜合研判決策領(lǐng)域，設(shè)計方案包括：展示海洋生態(tài)“一張圖”成果，應(yīng)用“一張圖”的專題成果、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、圖表關(guān)聯(lián)等功能，充分獲取海洋生態(tài)數(shù)據(jù)信息；展示海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行動態(tài)，如監(jiān)測的項目總覽、匯交狀態(tài)、數(shù)據(jù)質(zhì)量總控，以及數(shù)據(jù)融合生產(chǎn)的進展情況等各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)；展示海洋生態(tài)分析評價成果，包括實時指標(biāo)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)演變，預(yù)警預(yù)報信息，對于當(dāng)前及未來預(yù)計超出生態(tài)安全閾值的數(shù)據(jù)以警戒方式展示，并在“一張圖”展示區(qū)域顯示其空間位置、預(yù)警性質(zhì)、處置方式等信息。

本模塊設(shè)計應(yīng)用大屏樣式實現(xiàn)，基于海洋三維時空數(shù)字平臺集中展示海洋生態(tài)調(diào)查監(jiān)測匯集的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)及分析成果，提供多種數(shù)據(jù)預(yù)測分析模型，實現(xiàn)海洋生態(tài)問題輔助研判與決策。

3 結(jié)語

為了貫徹自然資源部對于海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測工作的理念，本文以廣東省為研究對象，提出了海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測評估平臺建設(shè)的總體方案與實現(xiàn)思路，目的在于全面摸清海洋生態(tài)系統(tǒng)家底，建立完善的海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測業(yè)務(wù)化體系，同時針對近海生態(tài)趨勢、典型生態(tài)系統(tǒng)，以及海洋生態(tài)災(zāi)害建立整套的預(yù)警評價模型與應(yīng)用體系。

平臺的建設(shè)必定是一個長期且艱巨的實現(xiàn)過程，限于篇幅，本文尚有諸多領(lǐng)域未有涉及，如：基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸與數(shù)據(jù)動態(tài)更新處理、分布式數(shù)據(jù)存儲及集中調(diào)度管理、數(shù)據(jù)安全管控，以及海洋生態(tài)預(yù)測分析模型具體構(gòu)建等內(nèi)容，有待于未來研究與項目建設(shè)過程中進一步補充與完善。