沿黄流域生态环境大数据管理与预警服务体系研究

李伟超 鞠蜜蜜 郝博文 杨晟章

（1.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046；2.航空经济发展河南省协同创新中心，河南 郑州 450046）

0 引言

2019年9月18 日，习近平总书记在黄河流域举行的关于“绿色发展”的专题讨论会上指出，黄河是国家的战略要道，是国家实现全面小康社会建设的关键地区，黄河在国家的发展和生态安全中占有举足轻重的位置，是关系到民族振兴与可持续发展的长远大事。国家提出了大数据发展战略［1］，将大数据技术应用于生态环境保护领域中，但中国在该领域尚处于探索阶段［2］。其中，生态环境监测中的数据分析与利用为提高大面积的生态环境质量提供有效的监测、评估和预报，为国家的生态环境保护和管理提供科学依据［3］。王占明［4］基于海城水文观测数据，利用灰色数学方法，对海城今后可能出现的各类洪灾进行预报和分析。Bahraminejad等［5］认为预警系统可作为一个实用廉价的工具，用于保护生态环境，从而使大数据成为解决生态环境问题的重要参考，能更加有效地维护区域的生态环境质量。

近年来，在沿黄流域生态保护与发展中使用了“云计算+生态预警”“数字经济+高质量发展”“数字化转型+高质量发展”“数据黄河+生态保护”“5G+高质量发展”等先进科技手段，对沿黄流域生态保护与高质量发展起到促进作用［6］。王军［7］认为开展基于黄河流域的空天地融合大数据系统建设是十分有必要的。黄河流域的生态数据处理与分析将直接关系到黄河流域的差异化、精准化的生态环境保护。

本研究以沿黄流域为例，结合实际，探讨大数据在生态环境保护中的应用，为进一步加强生态环境大数据管理和预警服务提供有益的借鉴。

1 大数据管理与预警服务概念

1.1 大数据管理概念

与常规数据相比，大数据有以下4个特点。一是速度快，这意味着数据的加工和传播的及时性很高。随着大数据的发展，依托大数据进行信息的集成和分析，进一步提高数据的处理效率，在保证质量的同时，也保证时效性；二是体量大，也就是说数据量很多。随着时代的发展，大数据的量已从TB级升至PB级；三是价值高，即大数据有更高的价值；四是多样性，即大数据类型的多样性和内容的多样性，涉及地理位置、图片、视频、文本等［8］。与常规数据管理不同的是，大数据管理的管理理念和管理对象是动态、系统、开放的，从数据属性和获得方面来看，大数据管理的是不具结构性特征、规模巨大、彼此可能并无关联的数据流，要依赖新兴技术对其进行处理。

1.2 预警服务体系概念

通过协调各阶段的情报资源，可拓展和丰富风险社会突发危机事件管理的思路，为优化应急预警服务提供新思路［9］。预警服务体系通过监控技术手段来构建监控网络、信息发布系统和完整的组织体系，从而实现始终坚持以人为本，第一时间公布灾害和紧急情况，让民众及时得到正确的防灾减灾资料，使政府做出科学的决策，并采取有效的防灾减灾措施，将损失降到最小。

2 生态环境大数据管理

2.1 生态环境大数据管理概述

生态环境是指影响人类生存发展的自然和环境因素，包括水、土壤、天然气等资源能源，以及人以外的其他生物和其他环境因素［10］。大数据技术为解决生态环境问题提供新的思路，基于多部门、多源和多尺度的大量数据，对生态环境大数据进行管理，通过“空天地一体”技术能持续获得生态和环境等方面的信息。利用模型模拟、集群分析、云计算、机器学习等方法，对生态环境数据进行挖掘分析，并找出其中的关键问题，从而制定出相应的解决方案。

随着信息技术的发展，数据源的种类也越来越多。目前，生态环境大数据的种类有卫星遥感数据、地面监测数据、地理信息、社会统计数据等［11］。

2.2 生态环境大数据预警应用

生态环境风险的预警工作可分为3个方面。一是对生态环境状况进行评估；二是对生态环境今后的发展状况进行预报；三是对评估与预报结果进行适时预警。大数据通过其在实际应用中产生的作用对生态环境产生影响。对生态环境监测预警技术的研究包括对生态环境监测、地质灾害监测、水质监测和大气监测进行研究，也包括对国土开发、旅游保障和林业生态环境监测等的研究。

在区域生态环境预警中，以流域内湿地生态安全为出发点，基于压力−状态−响应（PSR）模型构建适合该区域的生态安全评价指标体系。同时，基于灰色预测模型构建湿地生态安全预测模型，对未来40年的湿地安全进行预测。采用状态空间法和人工神经网络模型对区域的生态承载力进行预警分析。选择人工神经网络模型与生态足迹指标体系相结合的方式，对生态敏感区的生态安全预警模型进行设计。

3 沿黄流域生态环境大数据管理与预警示范系统

沿黄流域生态环境问题治理是一个系统工程，使用大数据、云计算等新技术在统一协调机构规划部署下构建生态环境大数据管理平台，在做好顶层设计的基础上，建立沿黄流域生态环境大数据管理与预警示范系统，及时、全面、准确地解决监测、调度、调控、预警等问题，能更加有效地解决沿黄流域生态环境问题。

3.1 沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统分析

沿黄流域生态系统是一个有机整体，要从上中下游来综合考虑。目前，沿黄流域受水土流失、洪水风险、水资源短缺和水污染等问题的困扰。因此，实施沿黄流域的在线管理、在线调度、在线办公和在线监测，建立生态环境大数据管理和生态监测系统，是解决沿黄河流域生态环境问题，预防沿黄流域内环境污染和自然灾害的必由之路。

3.2 沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统设计

根据沿黄流域生态保护和预警服务的现实需求，来构建沿黄流域生态环境大数据管理与预警服务系统。充分运用数据集成，形成一个全流域、全时域、全要素的三维数据收集系统，为实现沿黄流域生态环境大数据智能化管理与预警打下基础。

本研究通过建立数学模型、深度神经网络模型、阴影关联分析模型和三维地图模型，来构建沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统，实现对沿黄流域多角度的监测和分析，充分发挥在线汇总、在线监测和在线处理等功能，为沿黄流域提供大数据服务。该系统的逻辑结构采用四层架构，即数据采集层、基础支撑层、数据资源层、应用层，分别对应系统中的数据库、信息管理子系统、决策支持子系统和信息发布子系统（见图1）。

3.2.1 数据采集层。该层负责采集沿黄流域的生态环境大数据，建立SQL和NoSQL数据库，解决生态环境大数据的存储问题。系统要先确定沿黄流域生态环境监测的具体指标，通过遥感监测系统实现对沿黄流域现有的地质水文情况等不同类型数据的实时监测，将不同格式的信息转化为统一的格式，并上传到监测系统的数据库中，从而实现对监测结果和设备运行状态的实时更新。

3.2.2 基础支撑层。该层对应信息管理子系统，负责数据管理与交换业务，包括从遥感系统和监测点中获取沿黄流域生态环境静态数据和动态数据，对采集到的数据进行存储、处理、分析及备份等，为沿黄流域生态环境大数据的存储和管理安全提供保障。

3.2.3 数据资源层。该层对应决策支持子系统，对采集到的环境质量数据和业务应用数据进行分类和管理，并确定沿黄流域生态环境预警阈值，对水污染、水量变化异常、土壤侵蚀等进行预警决策，为功能展示层提供支持。信息发布子系统可实现流域环境质量结果展示、统计分析、预报预警、发布流域环境质量实况等。最后，基于SOA服务框架，组成沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统。

3.3 沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统实现

3.3.1 用智能设备代替传统设备，可利用卫星遥感监测、传感器等实时收集数据，并在项目监测、项目控制和项目评估中进行智能处理。

3.3.2 建设智慧的土壤保护系统。通过传感器对监测点土壤侵蚀因子进行实时监测，对监测数据进行数据挖掘，对土壤侵蚀因子进行预测，并采取人工措施，来减少沿黄流域的洪涝和泥沙。

3.3.3 在污染控制上，对黄河沿岸的主要污水处理厂进行监测。该系统采用基于网络的传感器技术，可对废水排放进行实时监测，并通过信息发布子系统将发现的可能污染区域展示出来。

3.3.4 使用智能洪水监测法和可靠的综合洪水预警系统。使用智能技术和大数据技术，在汛期前对水量变化进行监测、预测和预报，一旦达到预警阈值，自动发送警告信息。汛期间，通过无人机对灾区及时进行救援，并实时掌握洪水的具体情况。汛期过后，对灾害及时进行统计，掌握灾害情况。

3.3.5 科学分配水资源，提高用水效率，完善沿河黄流域水资源管理体制。运用智能技术来监测流域内水量和用水的变化情况，把握用水规律，合理分配水量，通过新一代信息化技术，对流域的水资源实现快速监测和预测［12］。

3.4 沿黄流域生态环境大数据管理与预警系统建设建议

3.4.1 将云计算和生态预警有机地结合起来。利用云技术将现有生态问题的相关信息保存起来，获取当前生态信息，并将其与相应的流域治理数据进行对比，对沿黄流域的主要问题、风险和风险时段进行重点预警，可实现实时生态预警。

3.4.2 把高质量发展和数字经济有机结合起来。利用大数据技术对沿黄流域的数字经济发展的相关数据进行存档，以数字经济引导、信息化建设和系统运用为主要目标，并结合沿黄流域的实际情况，提出科学发展途径。

3.4.3 把数字化转型和高质量发展有机地结合起来。利用大数据技术对沿黄流域现有的企业转型、行业升级、结构调整和环境匹配等资料进行保存，对影响黄河流域高品质发展的产业结构和产业升级等关键信息进行监测，实现对沿黄流域产业结构调整和产业升级的监测。

3.4.4 把黄河与生态环境保护有机地联系起来。利用大数据技术对沿黄流域现有的生态保护与高质量发展的原始资料进行储存，努力建设“数据黄河”，加速实现资源化利用。

3.4.5 要把5G和高质量发展联系起来。利用大数据，紧紧抓住科技创新与工业转型的契机，强化“5G+高质量发展”的运用，着力引进高科技、高附加值项目，着力破解黄河流域的工业结构断裂和产业结构断裂问题，提高沿黄流域科技创新与运用的能力。

4 结语

沿黄流域的生态环境保护与高质量发展已被列入国家重要发展战略。沿黄流域生态环境大数据管理与预警服务体系是一个庞大复杂的系统［13］，不仅要有大量流域内生态环境数据作为支撑，还要与沿黄流域内各地区的实地环境相结合，形成每个地区相对独立的预警系统，还要与其他地区的系统相互联系，凭借更精确的大数据信息，使具体的预警更具有针对性，加强流域内监测力度，从而形成沿黄流域整体的大数据管理与预警服务体系，使沿黄流域生态环境得到切实保护与改善，大力推进沿黄流域高质量发展。