我国草原信息化建设现状及建设模式研究

罗俊强, 张瑞琪, 董世魁, 杨珏婕*, 李晓光

(1.国家林草局信息中心, 北京 100101; 2.北京林业大学, 北京 100091; 3.克劳沃(北京)生态科技有限公司, 北京 101318)

2022年4月19日,中央全面深化改革委员会第二十五次会议审议通过了《关于加强数字政府建设的指导意见》。习近平总书记在主持会议时强调,要全面贯彻网络强国战略,把数字技术广泛应用于政府管理服务,推动政府数字化、智能化运行,为推进国家治理体系和治理能力现代化提供有力支撑。纵观国内外草原领域信息化发展情况以及我国草原信息建设现状,我国草原信息化建设迫在眉睫,急需从宏观层面予以指导推动。一方面草原信息化建设需求迫切,草原信息化相关技术应用已经逐步成熟,并涌现了一些成功案例,可以说万事俱备。但另一方面,我国草原信息化建设由于缺乏自上而下的推动指导,其建设应用目前还处于零散状态,没有形成统一建设、集约应用的良好局面,没有发挥出信息化带动引领草原保护建设管理现代化的应有效益,急需通过模式研究为草原信息化建设提供指导。

习近平总书记指出“没有信息化,就没有现代化”。信息化是推动新时期林业和草原事业高质量发展、实现林草治理体系和治理能力现代化的关键举措。草原信息化是实现草原管理从传统方式到现代高科技管理模式跨越的具体路径,草原信息化建设能够为地方政府在草原监督、建设和保护等方面的决策提供更及时、精准的服务,有力提升草原生态保护建设科学化、智能化水平,拓宽牧民信息获取渠道,对实现草原现代化具有重要意义。目前,我国林业信息化建设已经取得显著成果,在林业现代化建设中发挥了重要作用;但我国草原信息化建设较为落后,不利于新时期草原保护建设,也不利于林草融合发展,加快草原信息化建设刻不容缓。为提高草原信息化建设效率,避免走弯路,非常有必要按照习近平网络强国战略思想和数字政府指导意见精神,紧密结合我国草原保护建设实际,借鉴国内外成功经验,研究建立我国草原信息化建设的技术框架,并提出相关政策建议,供草原管理人员和信息化建设者参考借鉴。

1 我国草原信息化建设现状分析

1.1 我国草原信息化建设的需求分析

我国草原保护管理和牧区现代化,急需信息化支撑。首先,我国草原生态脆弱,保护压力大,急需智慧化决策支撑。我国草原多分布在西部干旱、寒冷地区,草原生态非常容易受气候等自然因素和放牧等人为因素影响,草原生态保护难度和压力较大,急需运用大数据决策分析技术,科学制定草原生态保护方案[1-2],因地施策、分类保护,实现科学保护。其次,我国牧区地广人稀,管理难度大,急需立体化监测管理[3]。北方草原和青藏高原牧区地广人稀,有些甚至是无人区,传统的人工巡查根本无法实现及时、有效和动态监管[4]。急需构建“天空地”一体化立体监控网络,实现对草原资源的全面动态监控、精细化管理[5]。最后,牧区振兴牧民增收,服务需求大,急需加强信息惠民。草原既是我国重要生态屏障,又是广大牧民的家园和赖以生存的生产资料,在对草原实行全面有效保护的同时,也要对草原资源科学合理利用[6],为牧区乡村振兴做出应有贡献。急需加大牧区信息惠民力度,运用信息化手段在电子商务、政务服务、科技支撑、产业开发等方面做好牧区民生服务,帮助农牧民利用好宝贵的草原资源,实现增收致富。

1.2 前沿信息技术在草原保护建设中的应用

当前,信息化浪潮席卷全球,以云计算、物联网、移动互联网、大数据、智慧技术等为代表的新一代信息技术已成为推动经济社会发展的关键驱动力。国内外研究和实践表明,新一代信息技术在草原管理决策、草原培育、草地资源管护和牧草加工利用等各个环节都有良好的应用前景,草原信息化建设技术已较为成熟[7]。如图1所示,在草原管理决策环节,遥感、无人机、图像处理技术可实现全量数据自动采集[8],大数据决策能辅助管理者评价当年草原植被的生长情况,计算草场牲畜承载量,智慧牧场管理平台实现牲畜放牧全流程一体化智慧管理[9-10];在草原培育环节,利用卫星遥感、GIS、数据分析、视频监控等技术[11],开展草原资源数量和质量监测、草原生态状况监测、优良草种管理[12],为草原培育恢复提供智慧化方案,实现草原精准恢复[13];在草原放牧活动监管环节,运用生态监测、远程监控、卫星遥感、无人机巡查等监测手段,逐步由被动的“人眼”识别监管向主动的“天眼”监测转变[14],实现严格监管、合理利用,达到保护草原生态与提高草原经济收益良性循环的目的。

图1 前沿信息技术在草原保护建设中的应用概念图Fig.1 Conceptual map of the frontier information technologies application in grassland protection construction

目前欧美澳等国家已经依托数字化管理技术,进入了草原监测管理的全面信息化阶段。例如,澳大利亚合作牧地信息系统(Australian collaborative rangelands information system,ACRIS)和西澳大利亚草原监测系统(The western australian rangeland monitoring system,WARMS)是澳大利亚国家和地区级的草原生态环境和畜牧生产管理、监测和评估信息化平台。美国的草原评价和监测信息化管理用是利用基于NCIC(National cartographic information center)景观工具项目和OCS合作组织的研究内容开发的Wiki交互式工具指南。欧盟“地平线 2020”基金资助了Inno4Grass (https://inno4 grass. eu/en/)-欧洲草原可持续生产力的共享创新空间,该项目有爱尔兰、德国、法国、荷兰、瑞典、波兰、意大利、比利时等8个国家,共59个组织机构参与,开展牧场中智慧牧场技术的架设和研究,为构建新型草牧业智慧生产实践服务[15]。

1.3 我国草原信息化建设现状及案例

近年来,国内已经有草原区地方政府、公司和涉草高校及科研单位开展了草原信息化建设及相关研究,取得一定成效,对推动草原保护建设和牧区现代化发挥了很大作用,这些成功案例为草原信息化建设打下良好的实践基础。

在地方政府层面,内蒙古自治区鄂托克旗和鄂托克前旗开展“数字草原”、“智慧牧场”、“智慧牧户”和“互联网+”牧场等建设应用,效益十分显著,其中“数字草原”能够实现草原精细化管理;“智慧牧场”让草原畜牧业提质增效;“智慧牧户”能让牧民坐在家里放羊放牛,将农牧民从繁重的放牧劳作中解放出来;“互联网+”牧场让城里人也可坐拥一片牧场,“亲眼”见证羊羔成长。青海海北州运用信息化手段开展草原监测管理,解决了青藏高原地广人稀、自然条件艰苦环境下的草原监理难题[16-18]。辽宁省结合实地调查的草原GPS数据和草原属性数据建立了辽宁省草原地理信息数据库。通过综合运用地理信息、数据库和网络信息技术,采用B/S辅以C/S架构,构建了包含辽宁省草原资源、属性、工程、灾害、监测、知识、文献和报表等信息的辽宁省草原资源管理系统,为辽宁省草原管理提供了系统、高效、便捷和直观的网络信息交互平台[19]。

科研院所和高校层面,北京林业大学草业与草原学院在内蒙古科右旗开展智慧牧区示范建设,基于物联网技术对放牧信息进行收集与传输,利用数据传输技术实现自动监测平台的建立,基于智慧草原放牧平台通过放牧项圈、摄像头实时观测牛羊的放牧状况,实现放牧的远程控制和数据的实时传输,在草原信息化、智能化管理和草畜平衡智慧化决策方面开展了前沿探索与实践。北京林业大学草业与草原学院遥感团队,运用遥感等技术连续20年开展全国草原植被质量检测,为全国草原保护建设提供技术保障。中国农业科学院草原研究所目前已经建成“星-空-地”一体化草原智能感知预警平台,该平台使用卫星遥感搭建而成,是在“星-空-地”一体化草地遥感智能感知体系支撑下,直接面向行业需求的智能化监测管理平台。利用卫星监测,能够实现草原干旱实时预警监测、草地生产力智能管理以及放牧家畜监管等多项核心业务的集成,可为我国草畜平衡业务化监管提供系统性的解决方案[20]。

公司层面,内蒙古自治区“蒙草”公司开展智慧草原建设,为草原生态修复、人工草地建设、草地畜牧业发展提供智慧化解决方案。

1.4 我国目前草原信息化建设面临的问题

草原信息化是林草信息化的重要组成部分,加强草原信息化建设对于落实“生态优先、综合治理、科学利用、创新发展”的新时期草原工作思路、协调推进林草信息化建设和高质量发展十分关键。但我国草原信息化无论是全国性的应用系统建设,还是地方上的信息化建设都十分落后。机构改革后,国家林草局对草原信息化建设情况进行了多次调研,结果表明我国草原信息化基本处于零敲碎打、急用临建的状态,缺乏战略规划、发展路径不清,没有形成体系化建设应用,没有发挥出应有作用,成为林草信息化和现代化的短板。因此全面加快草原信息化意义重大、时不我待。鉴于全国草原信息化建设基础整体较为薄弱、草原生态保护建设对信息化需求十分紧迫[21],非常有必要开展草原信息化建设技术框架研究,为草原信息化建设提供理论指导和政策建议,推动制定草原信息化建设顶层设计,提升草原信息化建设效率。

2 我国草原信息化建设模式研究

本研究立足草原保护建设和牧区生产活动对信息化建设需求,充分考虑草原牧区信息基础设施情况和科技发展水平[22],遵循政务信息化建设基本技术架构,构建草原信息化建设技术框架,包括“四横两纵”的总体技术架构、“全周期”业务应用架构,如图2所示。

我国草原信息化建设具体步骤包括:①总体架构建设:系统总体架构包括基础层、数据层、应用层、用户层以及统一的安全管理规范与统一的标准保障制度等;②物理架构建设:草原信息化建设的硬件基础包括云服务中心、网络设施、信息采集体系和人工智能四部分;③安全架构建设:包括管理级、网络与硬件级、支撑软件级、框架级、专业系统级5个级别;④数字化内容建设:包括智慧育种平台、林草绿化平台、草地培育平台和生态修复管理平台。

2.1 草原信息化管理展示平台建设

草原信息化管理展示平台建设是草原信息化建设成果集中管理与展示的窗口,可以分为内网管理平台和外网展示平台。其中,内网管理平台是在草业信息化管理专网搭建的管理平台,对政务服务和业务服务进行统一管理和分级应用;外网展示平台是在互联网搭建的展示平台,可以提供商务服务和公共服务。

2.2 草原信息化集成应用建设

草原信息化集成应用建设是草原信息化建设服务的提供层,按需综合集成应用相关信息系统,实现草原建设阶段、管护阶段、利用阶段、决策服务等草原管理工作的全流程智慧化管理。

在草原建设阶段,可以运用物联网、北斗定位、射频识别、二维码、无人机、3D打印、关联分析等技术,建设智慧育种平台、林草绿化平台、草地培育平台、生态修复管理平台,实现智能育种、人工草地科学绿化、草原精准抚育和智慧生态修复;在草原管护阶段,基于“天空地”一体化物联网感知体系,建设包括生态保护精准管护平台、草地精细化管护平台、草原“三防”管护平台、智慧牧场平台,实现草原资源数量及质量精准监管、多层次多手段草地资源精细化管理、草原灾害预测预警、灾前及时防治、灾后科学评估、牧场智慧安防及民生服务、牧场最优经营方案制定[23];在草原利用阶段,可以运用虚拟现实、穿戴设备、产品溯源等技术,建设包括智慧生态旅游管理平台、草产业综合服务平台、草原科普宣传服务平台,打造景区“规划+管理+服务”三位一体模式,推进草产业转型升级,拓宽草产品销售渠道,打造全媒体草原科普宣传新模式[24];在决策阶段,可以利用互联网、移动互联网、大数据、智能机器人、人脸识别等技术,建设智慧政务服务平台、领导指挥决策平台、草原信息发布平台,实现政务智慧化运行,提高办事效率,转变决策方式,由经验到数据决策,舆情实时监控,全媒体信息发布。

2.3 草原大数据建设

草原大数据建设是草原信息化建设的信息汇集和处理中枢。按照“集中式管理、分布式运行”的模式,将各类草原数据“逻辑上”集中分类管理,并为应用系统提供高效的数据处理、数据挖掘、智能决策、预测分析等。包括分布式大数据仓库、时空数据管理平台、遥感专题应用平台、智能算法模型库。

2.4 草原信息化基础设施建设

草原信息化基础设施建设是草原信息化建设的硬件基础[25-27]。为草原信息化高效稳定的运营提供基础运行环境,包括云服务中心、网络设施、信息采集体系和人工智能四部分。

2.5 草原信息化标准规范体系和安全与综合管理体系

草原信息化标准规范体系为草原信息化建设规定技术标准和运行规范,确保草原信息化建设在统一的标准和规范体系内实施,主要包括信息资源标准、应用标准和技术标准。

草原安全与综合管理体系为草原信息化建设与运营提供安全和管理保障,包括安全体系、制度体系和评价体系。其中,安全体系包括物理安全、网络安全、系统安全、应用安全、数据安全,确保信息的机密性、完整性、可用性、可控性和抗抵赖性,以及信息系统主体对信息资源的控制;制度体系包括建立科学、系统、安全的制度体系和考核机制,有效防控各类风险[28];评价体系旨在全面客观掌握草原信息化建设情况及效益,将从整体性、重点性、层次性、准确性、可比性、可度量性、动态性等方面进行评价体系设计。

3 开展草原信息化建设效益分析

结合国内外草原信息化建设的经验,建议以点面结合、建立数学模型等方式,全面分析开展草原信息化建设将产生的生态效益、社会效益、经济效益和管理效益[29]。可以通过分析草原资源精准管理对生态功能的提升、智能预测预警草原灾害对生态的及时保护、精细化管理草原生态修复工程对生态的科学修复来评估草原信息化建设的生态效益[30];通过分析智慧政务服务为行政管理提供智慧化管理服务、打造草原科普宣传新模式对公众生态保护意识的提升,以及将新一代信息技术与草产品生产加工、流通销售环节等深度融合来增加农牧民收入来评估草原信息化建设的社会效益;通过分析集中建设减少重复投资和管理成本和草原管理自动化降低人力成本,评估草原信息化建设的经济效益;通过分析智慧化管理提高管理效率智能化运行,以及提升管理的科学化、精准化、实时化,来评估草原信息化建设的管理效益。

4 结语

本文以习近平生态文明思想、网络强国战略为指南,以新时期我国草原保护建设方针和政务信息化建设精神为指引,紧紧围绕推动草原保护建设现代化建设主题,聚焦草原信息化建设需求,深入研究国内外最新技术成果,紧密结合草原保护建设实际和林草融合发展方略,通过广泛资料收集和文献调研,对我国草原信息化建设发展现状、案例分析等方面多维度研究,构建我国草原信息化建设模式。明确我国草原信息化建设体系、技术设施、技术和标准规范、安全保障措施等,为推动我国草原信息化建设提供理论依据和决策参考。