海洋生态预警监测评估方案设计与实现

唐浩宇，陈佐，邹文财

（1.广东南方数码科技股份有限公司，广东 广州 510630；2.广州航天宏图人工智能科技有限公司，广东 广州 510260；3.广东省土地调查规划院， 广东 广州 511453；4.福建省海陆界面生态环境重点实验室（厦门大学），福建 厦门 361102）

海洋与人类生活息息相关。为了系统科学推进海洋生态保护工作，提升生态系统质量和稳定性，2021 年7 月，自然资源部下发了《关于建立健全海洋生态预警监测体系的通知》等系列文件[1]，要求各地海洋部门依托自然资源三维立体时空数据库和国土空间基础信息平台，统一设计分级建设海洋生态预警监测信息化平台。

当前，全面开展海洋生态预警监测体系建设还存在着诸多障碍。一是海洋生态系统家底掌握不清。海洋生态系统数据结构不够健全，亟待建立海洋生态分类分区数据标准体系；海洋生态分类分区数据不齐全，确定海洋调查监测对象存在困难；海洋生态预警的本底参考值欠缺，开展典型生态系统预警监测，缺少必要的参考基线数据。二是海洋生态系统监测体系不健全。不同海洋生态监测业务中监测指标及频率设定、站位/样方布设、采样方法，以及从数据实时/延时采集、快速汇交、数据加工处理到成果共享应用的全生命流程内诸多事项需要在实践中构建与完善。三是海洋生态系统预警指标体系尚待丰富与完善。影响海洋生态系统健康的因素较多，原因较为复杂，影响因子、因子权重、评价模型等内容需要进一步研究与修正。诸多障碍问题亟待克服与解决，以更好地推动海洋生态灾害预警监测目标的实现。

2022 年3 月，广东省自然资源厅印发《关于建立健全全省海洋生态预警监测体系的通知》，全面部署广东省海洋生态预警监测工作。本文依据省厅工作部署要求，从信息化角度针对以上问题进行了粗浅的思考，提出了构建海洋生态预警监测评估系统的总体设计方案与实现思路。

1 国内外研究现状

近年来，国内学者在海洋生态预警监测评估体系研究方面，已从单一场景逐步向综合场景的预警监测发展。2012 年，李京梅等就已初步建立了养殖业生态预警的指标评价体系和评价方法，并使用指标的实际观测数据进行了初步模拟分析[2]。许婷婷针对海洋生态环境污染风险事故，提出应建立海洋生态环境污染预警数据库与海洋生态环境污染预警数学模型，以便及时发现污染事件[3]。孙艺提出要探索开展海洋生态预警服务，通过对其他地区的预警监测案例进行分析，总结其成功和值得借鉴之处，分析指标选择的全面性及指标权重分配的科学合理性，更好地发挥指标体系对生态环境的评估作用[4]。梁斌等认为目前国内的海洋生态环境监测体系难以满足海洋生态环境治理体系和治理能力的现代化目标要求，并提出了健全海洋生态环境监测体系的对策建议[5]。总体而言，国内学者更加注重监测预警体系中评价方法等宏观层面的研究[6]。

国外关于海洋生态预警机制的研究与实践早于我国，研究对象更加侧重于评价指标领域。美国国家海洋和大气管理局于1992 年实施了损害评估及修复计划。当海岸带损害事故发生时，美国国家海洋和大气管理局将与其他责任方一起确定事故发生对自然资源的影响及其损失，并聘请专家确定受影响的程度，通过征求公众意见确定最佳修复方法、数量和位置[7]，同时也开展了许多针对海洋生态预警评价指标的研究。Ndah 等认为，海洋浮游动物是海洋生态系统评估的中心组成部分，提出利用浮游动物的生物特征作为评估和监测水生系统生态健康和完整性的有用工具，并以波罗的海和北大西洋地区为典型示范，使用了几类广泛的核心生物多样性指数——浮游动物平均规模和总种群指数、浮游生物生命指数（Plankton Lifeforms Index，PLI），以及胁迫响应指数等[8]，值得参考。类似还有Susandi 等针对海洋生态承载能力评价所做的指数研究[9]。

本文基于当前海洋生态预警方面存在的问题，充分借鉴国内外在海洋生态预警监测评估指标体系建设领域评价方法、具体指数等多个层级的研究成果，提出了服务于省级海洋生态行政管理的海洋生态预警监测平台建设方案。

2 解决方案与技术路线

本文确定一个总体的技术实现路线：充分应用物联网、大数据，以及空间地理分析、指标分析评价、数据驾驶舱等信息技术手段，构建海洋生态系统综合数据库、近岸海洋生态“一张图”，掌握我国海洋生态底数；构建海洋典型生态系统监测业务化运行体系，建立监测数据实时汇集、快速处理及动态更新机制；建立海洋生态受损状况及变化趋势分析评估模型，开展海洋生态预警分析评价指标计算，及时预警生态问题与潜在风险；应用数据驾驶舱展示海洋生态总体态势及演变趋势，为制定海洋生态保护措施提供综合研判决策服务。结合国家整体工作部署，系统建设方案架构总共设计四大模块（图1）。

图1 海洋生态预警监测平台建设方案逻辑架构

2.1 近海生态一张图

收集整理海洋空间地理信息资料、海洋生态相关业务管理数据、海洋生态相关各类规划数据、海洋生态相关的观监测数据成果，以及典型生态系统现状调查成果，整合生产建成海洋生态综合数据库，并以此为基础开展海洋生态数据成果展示、提供基础数据分析应用等服务。

2.1.1 海洋生态综合数据库

（1）海洋生态基础地理数据库。汇集整合多类空间地理数据：基础地形图、海底水深图、市县海域行政界线等基础地理数据；国控站位、标准断面、监测站位及样方等监测空间布局数据；三级生态分区、水生场景分区、典型生态系统单元分布等生态空间数据。

（2）海洋生态综合监管数据库。汇集整合多类监管业务数据：海洋生态领域业务管理、海洋规划、海洋调查、环境观（监）测、海域海岛生态监视监测、海洋开发利用等与海洋生态相关的海洋业务管理的成果数据。

（3）海洋生态环境资源数据库。收集整合各个海洋典型生态系统单元内以及其他近岸海域生态环境数据，包括：各种海洋水文、海洋气象、海洋水质、海洋生物资源、海洋化学、海洋自然灾害等多个生态环境领域的成果数据。

（4）海洋生态分区数据库。收集整合近海生态区域海洋生态类型清单，收集区域内各类典型生态系统分布与基本特征数据、生物多样性数据以及关键生境要素信息，整理重要生态类型数量、质量、受损情况、保护利用状况等基本状况及变化趋势等信息，建立各个典型海洋生态系统单元生态基线数据表。

2.1.2 海洋生态一张图成果应用

满足国家海洋生态预警监测工作总体部署要求，生成近岸海域十大类典型海洋生态系统分布专题图、海洋生境专题地图；提供海洋生态分类分区专题数据管理，如：水体环境、地形地貌、底质环境、生物群落等生态环境数据，海水养殖、生物入侵、拖网/捕捞等修饰因子数据，以及海洋工程、异常升温、敌害生物等威胁因素数据；提供各个典型生态系统生态基数数据查询，如：红树林的植被总面积、盖度、幼苗比例、林带宽度等；提供基于典型生态系统图斑缓冲分析等应用，辅助确定生态系统问题清单；导出生态系统组分数据，辅助制作生态系统状况成果报告等；提供各类专题数据的统计图表、数据列表分析应用等多种功能（图2）。

图2 海洋生态一张图模块界面方案

2.2 海洋生态系统监测业务管理

根据近海生态趋势性监测、典型生态系统预警监测、海洋生态灾害预警监测、重大战略区域协同监测等业务需求，构建海洋生态系统监测业务化运行体系，建立海洋生态系统监测数据实时汇集、快速处理、动态更新，以及服务共享机制。

2.2.1 数据采集、生产及动态更新

建立任务管控，针对实时或延时采集数据，建立数据汇交通道，接收监测原始数据，之后根据数据类型差异采取不同方法完成质量检测、自动或人工数据加工处理以及动态更新。例如：水文、环境数据等属性类数据，采取抽取、清洗、装载方式处理；海洋生态灾害的水色遥感数据，采取解析识别方式提取生态图斑分布范围以及类型/性质、面积等数据。不同生态专题监测采集处理的数据内容各有差异。

（1）近海生态趋势性监测。定期采集不同监测站位及标准断面的各类生态基础要素数据，如水文气象、水体环境、底质环境、生物群落等，以掌握生态基础状况，根据多年长期监测数据，计算年际变化趋势情况，完成近海生态趋势数据建库。

（2）典型生态系统监测。定期针对牡蛎礁、海藻场、盐沼、泥质海岸、砂质海岸、河口、海湾、珊瑚礁、海草床、红树林等十大类典型生态系统采集监测数据，采集数据包括：典型生态系统的关键生境要素、生物群落、环境要素、威胁因素等，完成典型生态系统监测数据建库。

（3）海洋生态灾害监测。结合广东省特点，重点针对赤潮，以及毛虾、尖笔帽螺、水母等新型生物暴发类型自然灾害开展应急监测，同时针对海洋缺氧、海洋酸化、海洋微塑料等生态灾害开展长期监测，汇集各类生态指标数据，反映海洋生态灾害发展演变，以及生境状况长期演变趋势，完成相应监测数据建库。

2.2.2 海洋生态系统监测数据成果管理及应用

实现四类海洋生态专项监测成果数据集中管理，提供数据可视化展示及对外成果应用服务，包括：（1）近海趋势监测。实现近海生态趋势性监测业务运行管理功能，提供监测数据集、统计分析图表、趋势专题图等成果管理，以及暖化、富营养化、低氧化、酸化等趋势监测成果数据服务；（2）典型系统监测。实现典型生态系统预警监测业务运行管理功能，汇集各个生态单元不同时期监测成果数据，提供各类生态系统关键指标变化情况服务；（3）灾害预警监测。实现海洋生态灾害预警监测业务运行管理功能，汇集各类生态灾害监测数据、监测报告、预测预警信息、防控评估报告等成果，提供历次生态灾害演变数据，以及生态灾害问题清单；（4）重大战略区域协同监测。实现粤港澳大湾区协同监测业务运行管理功能，汇集大湾区海洋生态状况关键要素监测成果，提供大湾区海洋生态状况报告。

2.3 海洋生态分析评估

建立海洋生态受损状况及变化趋势分析评估模型，开展海洋生态预警分析评价，及时发布海洋生态问题与潜在风险警示信息。

2.3.1 构建海洋生态预警分析评价指标体系

海洋生态预警分析评价指标包括三个层次的内容：资源状况、生境状况、风险状况。（1）资源状况：生物资源状况包括海域生物资源指数、海域生物资源多样性指数、渔业资源指数等；空间资源状况包括海岸线资源指数、重要生态空间指数、潮间带资源指数等。（2）生境状况：生境生态化状况包括初级生产力指数、滨海植被面积指数、无居民海岛植被覆盖率指数等；底质污染状况包括酸可挥发性硫化物指数、总有机碳指数等；水体富营养化状况包括富营养化指数、氮磷比指数等；水体稳定性状况包括溶解氧饱和度指数、酸碱度指数等。（3）风险状况：生态灾害状况，包括赤潮风险指数、互花米草入侵指数等；潜在风险状况包括海域低氧指数、砂质岸线侵蚀指数和海平面变化指数。

2.3.2 海洋生态评估综合评价及应用

参考《海岸带生态系统现状调查与评估技术导则》提供的评估方法，应用单项指标因子的赋值方法、指标模型计算公式，以及各个层级指标/评价因子的权重值，可以构建相对全面的海洋生态系统预警评估模型。依此开展单项及综合指标的计算，完成海洋生态状况综合评估。依据经验或参考文献确定各项评估指标预警阈值，如果动态计算的海洋生态状况评估指标超出阈值，则根据系统预设等级，自动生成预警预报信息；依据预设的模板和通知渠道，由系统发送预警预报成果，方便相关部门提前做好应对措施。未来实践过程评估模型、预警阈值根据实际验证结果，可以进行适当的优化调整。

2.4 海洋生态数据驾驶舱

方案尝试将数据驾驶舱应用于海洋生态预警监测综合研判决策领域，设计方案包括：展示海洋生态“一张图”成果，应用“一张图”的专题成果、数据查询、数据分析、图表关联等功能，充分获取海洋生态数据信息；展示海洋生态系统监测业务化运行动态，如监测的项目总览、汇交状态、数据质量总控，以及数据融合生产的进展情况等各类统计数据；展示海洋生态分析评价成果，包括实时指标数据、历史数据演变，预警预报信息，对于当前及未来预计超出生态安全阈值的数据以警戒方式展示，并在“一张图”展示区域显示其空间位置、预警性质、处置方式等信息。

本模块设计应用大屏样式实现，基于海洋三维时空数字平台集中展示海洋生态调查监测汇集的各类基础数据、专题数据及分析成果，提供多种数据预测分析模型，实现海洋生态问题辅助研判与决策。

3 结语

为了贯彻自然资源部对于海洋生态预警监测工作的理念，本文以广东省为研究对象，提出了海洋生态预警监测评估平台建设的总体方案与实现思路，目的在于全面摸清海洋生态系统家底，建立完善的海洋生态系统监测业务化体系，同时针对近海生态趋势、典型生态系统，以及海洋生态灾害建立整套的预警评价模型与应用体系。

平台的建设必定是一个长期且艰巨的实现过程，限于篇幅，本文尚有诸多领域未有涉及，如：基于物联网的海洋生态监测数据实时传输与数据动态更新处理、分布式数据存储及集中调度管理、数据安全管控，以及海洋生态预测分析模型具体构建等内容，有待于未来研究与项目建设过程中进一步补充与完善。