生态大数据在草原生态修复中的应用

樊俊梅，邢 旗，纪大才，王保林，张鹏程，牧其尔，包乌云

(内蒙古蒙草生态环境(集团)股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010030)

内蒙古自治区地处祖国的北部边疆，东南西与八个省份毗邻，跨越东北、华北、西北三大区，北与蒙古国、俄罗斯接壤，总面积118.3万平方公里。地貌地形复杂多样、生物资源丰富，生态系统多样且相互依存交织。这个区域集生态、生产、生活和文化传承功能于一体，同时也是维护国家生态安全的绿色天然屏障〔1〕。近年来，这里的草原生态受自然、人为诸多因素的影响，生态环境出现了一定程度的退化。

为适应草原科学利用和生态产业发展、生态环境保护和建设的需要，准确的分析和掌握草原生态系统的基本信息。提供草原生态产业的相关技术，行之有效的管理措施，指导草原生态修复及草原畜牧业的健康发展。自2014年以来，蒙草的科研团队开始对内蒙古可修复的退化草原、城镇废弃地、矿山，用遥感和地面结合的办法进行摸底调查，整合数十年来影响生态环境的“水土气、人草畜、微生物”等核心指标数据及诸多生态学、草业科学的科研成果，自主研发出具有软件著作权、面向专业应用的大型GIS基础平台，开展草原生态产业大数据的信息收储、调查研究、实验示范等工作，挖掘生态修复规律，储备生态修复大数据，并广泛应用到生态修复中去。

1 生态大数据平台构建

大数据是以容量大、类型多、存取速度快、应用价值高为主要特征的数据集合，正快速发展为对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，从中发现新知识、创造新价值、提升新能力的新一代信息技术。而生态资源大数据则是融合了地域性、季节性、多样性、周期性等自身特征后产生的来源广泛、类型多样、结构复杂的数据。因此，搜集、分析、集成生态数据，集成统筹技术、构建以技术指导修复、以修复创造产业、以产业发展经济的系统工程和循环模式势在必行。

草原生态产业大数据涵盖矢量数据、栅格数据、文本、图片等结构性数据和非结构性数据。数据获取方式主要有“3S”、物联网等技术的数据自动传输，手机、互联网的数据上传，人工采集，专家科研成果整合等多种数据获取渠道，实现不同空间尺度的基础数据获取。目前，已收集到的遥感数据源包括国外SPOT、MODIS、Landsat影像及国内高分数据，收集了上世纪80年代以来气象数据(包括13个指标)，收集并数字化了全区103个旗县土壤类型分布图(比例尺1∶5万或1∶10万)，部分地区水资源状况数据；在全国草原类型分布图矢量化基础上，完成了植被覆盖度(1982年至今)，地上生物量(2000年至今)的动态分布图；利用近期遥感数据结合地面调查，完成自治区9个盟市的草原生态状况调查，制作了草原利用类型、利用程度分布图；搜集了130 000份内蒙古的土壤样本，23 000余份植物标本，累积了1 000多个修复案例(包括修复方法、措施、修复前后土壤和植被变化等)，全部收录数据库。

整理各类业务数据，制定蒙草基础业务数据入库、管理、体系和技术标准；以地理空间信息和业务信息为基础，以丰富的信息化终端展示、应用为手段，构建草原生态产业大数据平台。体系架构包括网络、服务器等基础设施层，基础图件、基础生态资源、生产数据为主的数据层，操作系统、关系数据库等组成的支持层，以大数据“一张图”管理系统，智慧草原管理系统(移动端)、维护管理系统为主的应用层，以及为管理人员、科研院所、企业、农牧户等用户提供访问窗口的用户层〔2〕。

如下图1所示：

图1 系统架构图

2 平台的主要功能

2.1 信息数据获取

大数据获取技术主要包括感知技术(传感器、遥感技术等)、识别技术(RIFD、光谱扫描、检测技术)、移动采集技术(智能终端、APP)等；在地域范围，重点考虑对地观测的资源宏观布局，需要遥感、便携式GPS面积测绘仪、飞行器等。通过“天、空、地”一体化的监测体系，大数据平台可以及时获取草原资源与生态数据、草牧业生产数据、草牧业市场数据和管理数据等(图2)。

图2 物联网设备数据实时传输

2.2 基础数据查询

通过整理和入库现有的基础生态数据，植物资源、修复技术、草原畜牧业数据等，可以实现土壤数据、气候数据、植被数据、草原利用状况等基础生态数据的快捷查询功能(图3)。用户只要点击生态大数据平台上任何一个经纬度，内蒙古自治区范围内该纬度上的水、土、气、人、草、畜的数据都一目了然，方便用户检索植被生成所需的基础生态情况。通过历史数据，结合当前数据，可了解植被与环境整体变化状况。通过对植物、气候、土壤、水资源等数据的积累于分析，大数据平台可以给生态修复类型与技术方法、草种生产与应用、蒙草生态包等产品的生产提供科学的指导数据。

图3 生态数据综合查询

2.3 大数据分析

运用大数据、云计算等现代信息技术手段，快速搜集处理生产、生态、科研等方面海量数据，利用跨部门、跨区域的数据资源，支撑大气、水、土壤、草原植被定量化，开展大数据统计分析，构建大数据分析模型，充分挖掘数据实用价值，形成应用数据可视化表达。利用历史文献、统计资料并结合实地考察规范分析和实证分析相结合，定量和定性分析相结合，在掌握大量资料的基础上，进行生态资源、生态承载力等数据的关联分析和综合研判，从时间、空间两个维度进行生态动态监控和评估，构建以生态环境质量改善为核心的专业化、精细化的管理体系。〔3〕

2.4 大数据应用

建设基于空间地理信息系统的生态大数据应用平台，使基础地理、气象水文、植被状况、经济社会和互联网等数据资源融合利用，提升综合信息服务能力，为管理部门提供分析报告，提高管理决策的预见性、针对性和时效性；通过对生态的综合评价和演变趋势分析自然因素、产业开发及重大工程行为的生态效应，提出退化生态系统恢复与重建理论和技术途径，以及可持续的利用、发展模式，为企业、科研院所提供在线业务咨询和数据信息等技术支持〔4〕；运用大数据可引导农牧民科学生产经营，根据生态环境、社会条件制定符合当地实际的草地改良、牧草种植技术方案，为农牧民保护生态、增加草量提供服务。

3 大数据指导下的生态修复技术集成

3.1 基于遥感数据的生态环境现状调查

生态环境因子是生态环境监测的重要指标，充分利用遥感技术手段监测目标区域现势性较强的草原、林地、湿地、沙地、沙漠等生态资源，形成生态环境遥感专题数据产品；利用时空分析技术，对生态演变规律进行综合评价，对调查区域生态环境基本特征、土地利用程度、约束性因素等进行系统分析，在时空耦合界面上掌握生态环境基础信息〔5-6〕。

3.2 基于生态大数据的精准生态修复

基于前期的生态环境现状调查，掌握示范区土壤、草原、植被、森林、湿地、沙地、沙漠、矿区分布与退化、沙化、盐渍化等基本信息，对生态环境进行定位分析。根据历史数据结合野外调查，分析需要生态修复地域(或地块)的地理位置、土壤、水文、土地退化情况，植被生长习性等，实现生态系统各要素和主要生态过程、生产方式细分和过程耦合制定生态修复的技术方案，包括地形地貌修整、土壤系统修整、生态微环境修复；植物适宜性、混播比例、种植方案等，建立基于生态大数据的精准生态修复支持系统，通过系统的建立生态修复区域适宜的生态修复技术方法(图4)。

图4 草原生态修复方案

3.3 生态修复工程监测评价

利用高分遥感数据对生态修复工程进行监测，包括草原修复、林地修复、湿地修复、盐碱土地修复、沙地及沙漠边缘修复、矿区修复、边坡修复、城镇周边废弃地修复、园林景观工程等，建立二三维联动下的工程时空动态监测。利用大数据分析、大数据挖掘技术等手段，判读出生态修复区地表状况、植被覆盖、水土流失等生态环境状况，做出科学评价，建立生态修复效果评估体系，对生态建设工程规划、设计、监测管理和效益评价提供数据支持(图5)。

图5 白云鄂博矿区遥感监测

3.4 生态修复信息产品

在搭建内蒙古生态环境大数据中平台基础上，不断生产生态保护行业应用需求的标准化信息产品，除NDVI、AVI、LAI、温度、土壤、地质、植物等通用数据产品外，还包括面向不同生态修复区应用生产的遥感监测产品数据：包括退化草原、林地、湿地、盐碱地、沙地、沙漠、矿区、边坡、城镇周边废弃地遥感监测产品等(图6)。根据生态环境精准修复结果，编制生态修复报告，建立全套生态环境保护与生态修复技术流程，为社会用户提供综合空间信息服务，推动大数据应用的市场化和商业化。

图6 内蒙古阿鲁科尔沁旗苜蓿基地

4 结论

草原生态大数据平台是集草地资源、气象、土壤、牲畜、人口、微生物、遥感以及基础地理等多源数据的集合，与草原生态修复、现代草业、畜牧业等多种业务需求并轨，构建统一的综合管理平台。通过研究生态系统中的各种要素和影响因子，采取科学有效的措施，综合治理帮助生态系统的恢复和重建，扭转生态系统本身的恶化趋势，并引导其向新的相对稳定的平衡状态发展，恢复生态系统的功能。

草原生态大数据是一个具有科学指导性的服务型平台，更多应用于草原生态修复上，在草-草原-草产业领域，服务于社会和农牧民。通过整合草原生态基础及技术数据，集成不同区域生态修复、草牧业技术与标准，应用“互联网+”实现生态数据、植物种质资源、生态修复、草牧业生产技术等信息要素互通。在草原生态大数据平台上用大数据分析、挖掘技术等手段，判读出不同区域生态环境状况和成因，做出科学评价。

基于生态大数据在草原生态修复应用项目可提炼出生态修复的基本模式，建立一套生态环境保护与生态修复管理措施，提升大数据技术手段在生态环境现状、生态治理模式、生态环境修复和评价体系中的应用，整理出生态修复流水线，推广至全国其他省域的应用，为全国生态文明建设和改革提供科学依据，为内蒙古自治区、市、县等各级政府部门和企业、科研院所、高校和农牧民等社会用户提供综合空间信息服务，构建以生态质量改善为核心的专业化、精细化的管理体系，推动并实现大数据成果的市场化。

〔1〕让绿色遍布祖国北部边疆——内蒙古自治区生态建设纪实〔J〕.国土绿化,2010(7):33.

〔2〕王召明,纪大才,邢旗.大数据在草原生态产业中的应用研究〔C〕.中国草学会学术年会,2016.

〔3〕蔺旭东,周军锋,刘佳.资源关联性大数据分析在农业生态环境保护中的应用〔J〕.中国农业资源与区划,2016,02(37),62-65.

〔4〕包山虎,田军,陶賽西雅拉.图基于GIS的内蒙古自治区生态环境质量状况评价系统的建立〔J〕.内蒙古农业大学学报(自然科学版),2012,33(4):214-217.

〔5〕李立睿,邓仲华.“互联网+”视角下的科学数据生态系统研究〔J〕.图书与情报,2016(2).

〔6〕唐斌.大数据:生态文明建设信息资源的“去孤岛化”〔J〕.湘潭大学学报,2017.41(1).