基于大数据技术的海南红树林保护初探

王明松，钱静媛

（三亚学院 信息与智能工程学院，海南 三亚 572022；三亚理工职业学院，海南 三亚 572022）

基于大数据技术的海南红树林保护初探

王明松，钱静媛

（三亚学院 信息与智能工程学院，海南 三亚 572022；三亚理工职业学院，海南 三亚 572022）

红树林资源广泛分布于海南的环海岸线，对防浪护堤、促淤造陆、维持生物多样性和净化自然环境等起着重要的作用，是建设绿色智慧旅游岛的基础环境保障。可以利用以大数据为代表的现代信息技术，保护被日益破坏的红树林种群而提出的基础框架，为红树林的全面保护与开发给出了一条创新性思路。

大数据；红树林保护；绿色旅游岛；信息系统

一、红树林对海南社会经济发展中的作用

红树林是以草本、藤本红树等物种为主体的常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本生物群落，其一般长在热带、亚热带低海岸潮间带上部，受到周期性潮水浸淹，主要分布于陆地与海洋交界带的滩涂浅滩，是陆地向海洋过度的特殊生态系统。全世界约有55种红树林树种。中国红树林共有27种，分属20科、25属。主要分布于广西、广东、台湾、海南、福建和浙江南部沿岸。无论是种类和分布范围，在太平洋西岸，中国的红树林都具有代表性。

海南的红树林种类丰富，在热带海岸线上形成了一道独特的景观，是我国红树林种类较多的地区之一。其主要分布于海南岛东部、东北部的文昌市清栏港、下场港及与琼山县相连的东寨港；南部的三亚、榆林等港湾及东南部陵水县新村港等处也分布广泛。东部万宁市的杨梅港、北部汇迈县的花场港及临高县的马袅港也有分布，西部澹州市的新英港及海头港和昌江县的南罗新港等地亦有分布。

红树林对海南岛的生态保护和社会经济发展具有重要意义。

（一） 防浪护堤作用

由于红树林长期生长在海潮浸淹的盐渍土壤上,所以形成一种与环境相适应的、独一无二的生态学特性，通过网罗碎屑的方式促进土壤的形成，抵抗潮汐的冲击，对固堤护岸、抗风浪有很好的作用。根系发达、在海边茂密生长的红树林固滩护堤的能力很强,对风浪具有强大的“消能”作用，是抵挡海啸的天然屏障。研究表明，沿海滩涂红树林防护林带宽度100m，高度4～6m，郁闭度达40%，消浪效果可达80%以上。

（二）促淤造陆功能

通过网罗碎屑的方式促进土壤的形成。红树林发达的根系减缓了流速，促进了颗粒物质的沉积。测定结果表明，红树林滩涂淤积速率大大高于邻近裸滩2—3倍。因此，红树林可加速滩地淤高和向海伸展，使海滩面积不断扩大和抬升，从而达到巩固堤岸的作用。红树林的促淤造陆功能在防止因全球变暖带来的海平面上升方面有独特的作用。

（三）维持生物多样性功能

由于红树林区内潮沟发达，吸引深水区的动物来到红树林区内觅食栖息。为海洋动物提供良好的生长发育环境。红树林拥有丰富的鸟类食物资源，是候鸟的越冬场和迁徙中转站，更是各种海鸟的觅食栖息，生产繁殖的场所，海鸟的消化残余物堆积在红树林湿地土壤里，使得湿地土壤的生产力大大提高，此外，鸟类的粪便也是小型鱼类的食物。在发育良好的红树林还偶有野猪、狸类及鼠类等小型哺乳类出没其间。红树林里也招致了某些蜂类、蝇类和蚂蚁等栖息。它们对红树植物的传粉和受精起着一定的作用。

（四）净化环境功能

红树植物属于常绿阔叶林，净化空气质量的功能很强，是二氧化碳的消耗者和氧气的释放者。红树林下泥土中H2S的含量很高，泥滩中大量的厌氧菌在光照条件下能利用H2S为还原剂，使CO2还原为有机物，这是陆地森林所不具备的。此外，红树林可以吸收SO2、HF和其它有害气体。

但是随着经济社会的发展和人口的增加，人类对红树林的破坏活动日趋严重。2013年出版的《中国红树林国家报告》显示，当年拥有的红树林面积2.26万公顷，与1950年代初相比，全国已有超过50%的红树林消失于无形。海南省大量红树林区域被上世纪70年代围海造田，大面积红树林遭到砍伐破坏。80年代至90年代，红树林周边兴起虾塘养殖，大片湿地被侵占，候鸟栖息地岌岌可危；2010年前后，咸水鸭养殖致使红树林水体高度富营氧化，团水虱疯狂繁殖，红树大量枯萎死亡，海岸的生态面临崩溃的边缘。以海口市东寨港为例，1980年的强台风夹着大海潮，猛烈地朝着东寨港袭来。东寨港有两条农田防护堤，西堤因为有红树林的保护，只被冲决13处，总长196米，农田受灾较轻。但是东堤前沿的红树林因围海造田被砍掉大部分，大堤经受不起台风和海潮的冲击，决口84处，总长1097米，堤内农田大多都被淹没，农作物也都被毁坏，受灾十分严重。上世纪90年代，东寨港红树林区域又开始大量虾塘养殖，导致红树林大片湿地被侵占，生态系统趋于崩溃，红树大量死亡。现在介于淡水和咸水交界处的红树林滩涂地又成为咸水鸭养殖的场所。咸水鸭依靠独特的红树林滩涂地，以小贝壳、小鱼虾、玉米、稻谷为主食，长期自由放养在红树林滩涂地上。鸭子游到红树林里来找吃的，不断觅食红树林泥土里的小鱼虾蟹，导致滩涂泥土被破坏，海水潮涨潮落使得红树林的根裸露出来，红树林很容易就倒下死亡。鸭子的粪便，造成水体富营养化，咸水鸭把螃蟹、跳跳鱼、海螺等团水虱的天敌都吃光了，团水虱大量繁殖，钻空红树的树根、树茎，导致红树枯死。

二、大数据技术概论

随着网络信息技术的普及，人类社会信息化进程进入了新的发展阶段。整个社会的信息收集渠道日益多层次和多样化，信息应用广度和深度不断拓展，信息总量呈指数级增长，以信息资源为基础架构创新驱活动不断涌现，从而带来全社会信息在类型多样性、关系复杂性、应用时效性等方面呈现出崭新的趋势和特征。这种全新的信息化社会环境，为信息科学和其它相关产业带来了全新的发展机遇和巨大挑战。随着信息数据的多元化、分布复杂和非结构化的随机出现，涌现了大量对复杂数据处理的新技术。

大数据技术是在新的网络化时代，面对海量复杂数据的管理、归纳、应用研究而发展产生的一种新的解决方案。它是一套完备的技术体系结构和思想意识创新力，其特有的战略意义和核心价值主要表现在以下三个方面：

第一，数据现已成为社会创新发展要素之一，它广泛应用在科学研究、商业、教育、国防等多层领域，在战略思维上，大数据已经从商业领域上升到国家战略层面。我国自2012 年起，多个政府部门连续密集地出台了十余个与大数据相关的发展规划和行动计划，特别是国务院于2015 年8 月出台了《促进大数据发展行动纲要》，明确提出了政府率先开放政务大数据并强化与社会各方形成合力的相关任务和计划时间表，突显我国发展大数据的意志与决心。

第二，大数据是对传统信息科学技术的进一步深化和创新。大数据科学正在加速形成以数据为核心的新的理论与技术体系。大数据所特有的类型多样、混合异构、快速增长、体量巨大、关系复杂、高维稀疏等特性，为统计学、模式识别、人工智能等传统的数据分析理论提供了更多源的研究方法。传统的数据为核心的存储、索引、融合、处理、分析、应用、安全等全过程技术，亟待实现全面系统的创新与发展，不断形成和完善大数据科学与技术体系。同时，大数据的相关工程框架也不断成熟，以Hadoop、Spark(内存计算)等主流的大数据工程技术体系，开展大数据平台开发与产业化应用，是大数据对促进信息化革新的重要贡献。

第三，大数据是实践“大众创业，万众创新”理念的重要支撑力量。以应用为导向、以应用为引领，是大数据技术创新与发展的主要特征。大数据分析与应用平台是信息化时代的重要基础设施，通过不断的技术探求和工程实践，为产业创新活动提供一站式共性基础服务，有效降低应用技术门槛，支持创业公司和个人群体在平台上开展不同领域、不同层次、不同环节的应用服务创新，加速形成以基础数据为核心的产业创新生态圈，提供稳定安全的产品化应用解决方案，促进大数据产业加快形成。

Spark框架技术是目前解决大数据产业应用的优秀工程框架之一。Spark是一个基于内存计算的开源集群计算系统，目的是更快速的进行数据分析。Spark由加州伯克利大学AMP实验室Matei为主的小团队使用Scala开发，提供了与Hadoop 相似的开源集群计算环境，基于内存和迭代优化的设计。Spark具有以下几个主要特点：

1. 轻量级快速处理。对于大数据处理，运行速度是重要的测量指标。Spark允许Hadoop集群中的应用程序在内存中以100倍的速度运行，即使在磁盘上运行也能快10倍。Spark通过减少磁盘IO来达到性能提升，它们将中间处理数据全部放到了内存中。Spark使用了RDD（Resilient Distributed Dataset）的理念，允许它可以透明的内存中存储数据，只在需要时才持久化到磁盘。

2. Spark支持多语言开发，易于推广使用。Spark允许Java、Scala及Python，使开发者在自己熟悉的语言环境下进行工作。

3. 支持复杂查询。在简单的“map”及“reduce”操作之外，Spark还支持SQL查询、流式查询及复杂查询。

4. 实时的流处理能力。对比MapReduce只能处理离线数据，Spark支持实时的流计算。Spark依赖Spark Streaming对数据进行实时的处理。

5. 可以与已存Hadoop数据进行整合。Spark可以独立的运行，除了可以运行在当下的YARN集群管理之外，它还可以读取已有的任何Hadoop数据。这个特性让用户可以轻易迁移已有Hadoop应用。

三、以大数据为基础的红树林保护信息系统

运用以大数据技术为代表的信息技术，对红树林的保护和发展具有重要的意义。

（一）有利于监督和管理红树林资源分布

当前对红树林信息收集的主要做法是靠人工在树林中长期的进行测量来获取数据资源数量和分布，其数据处理方法也是人工运算，每次要花很长的时间才可获得合理使用的数据，效率低下。随着大数据技术的日臻成熟，以此作为后台的技术支撑，进行资源数据的获取和分布统计，将会极大提高工作和管理效率。通过卫星定位系统、地理信息系统、遥感技术等技术对地面进行扫描、摄像等，可以获取大量的相关数据资源，再对其进行大数据分析、整理和归纳，形成重要的决策依据，也方便对林业资源变化监控和应对措施的制订。通过研究和分析检测结果，准确了解到红树林的现状，根据实际情况制定相对应的措施，确保森林和湿地资源不会遭到破坏。准确地掌握资源的分布状态，为制定有效的森林和湿地保护规划提供信息服务。

（二）监管人类活动对红树林生态系统破坏

人类无计划无目的性对红树林进行砍伐和开垦活动以及生活污水与垃圾、农林化学药剂、工业废水废气废渣等,以不同的形式破坏红树林生态系统;很多地区扩大水产养殖区面积,对红树林生存环境造成极大的破坏，使相当部分红树林已演变为灌木、甚至变成荒滩,严重削弱了红树林在生态、经济、文化方面的价值。传统的保护手段主要是通过瞭望台检测或其他地面巡视来对灾害进行监测，不仅费时费力，监测情况也不科学和明确，还会受到交通不便或恶劣天气的阻碍，使其无法顺利进行。如果利用信息技术以实时采集相关数据，并用大数据技术对数据进行有效处理和分析，可以缓解上述诸多问题的发生，根据信息热点可以对灾害的等级，发生面积及动态实时变化进行监测，为减灾防灾决策提供科学的数据依据。

（三）增进信息资源共享能力

以大数据为代表的信息技术的使用，是林业建设各项决策的重要依据。建立森林资源管理信息系统，全面提升森林资源管理现代化水平，是适应林业跨越式发展要求，促进林业管理的信息化变革，加强林业宏观决策科学化，加速林业管理现代化的具有全局性、战略性的基础工作。

下图是以大数据Spark架构为基础构建红树林的保护信息管理体系结构。用智能手机APP、PC机浏览器、导航终端及各类智能传感器，通过云服务将数据传入到云端的分发服务器上，再通过Spark架构信息处理系统，进行大数据分析处理，获取细节信息。或者通过流处理技术，用NoSQL数据库进行实时查询。

图1: 保护信息系统的大数据基础架构

以Yahoo的YARN作为核心点，YARN创建一个全局的资源管理器（ResourceManager，RM）和若干个针对应用程序的应用主服务器（ApplicationMaster，AM）。经过这样的变化，YARN在扩展性方面有很大改进，可以支持10000+计算机集群，同时改进了MapReduce的性能，并且支持Hadoop之外的其他计算框架。除了支持批处理的Hadoop之外，还有Spark和Storm等计算框架的集成。其中，Hadoop用于离线数据分析，Spark用于多迭代批处理数据分析，Storm则是用于流数据的实时分析和预测。借助YARN将大数据离线、近线和实时数据实现了整合。

Spark是发源于美国加州大学伯克利分校AMPLab的集群计算平台，其立足于内存计算，从多迭代批量处理出发，兼收并蓄数据仓库、流处理和图计算等多种计算范式，具有轻量、快速计算等特点。Spark基于Scala语言，是一个比Hadoop代码行少的轻量级系统，但它的计算速度非常快，对小数据集能达到亚秒级的延迟，对大数据集典型的迭代机器学习、即席查询、图计算等应用，Spark版本比基于MapReduce、Hive和Pregel的实现快上十倍到百倍。在底层存储则仍是基于Hadoop的文件系统HDFS和NOSQL数据库HBase。

四、总结与展望

红树林的信息化保护管理对海南岛的健康生态圈建设非常重要，应用以大数据为代表的信息技术不但强化了管理效能，缓解了生产发展与环境保护之间的矛盾，还可以引导林业产业结构调整，迎合新时代的发展要求。随着人们认识观念的转变以及技术成熟度的增强，红树林这样宝贵的自然财富必将会得到更大的保护与利用，为人类谋取更大的利益。

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[4] 郭建斌,秦向华,万志红,等.大数据时代林业科普信息化发展研究[J].经济师,2014,(9).

A

（2017）01-035-05

2017-01-22

王明松（1972-），男，辽宁营口人，三亚学院信息与智能工程学院，硕士，从事软件工程研究； 钱静媛(1976- ), 女，呼和浩特人，三亚理工职业学院，教师，从事会计学研究。