河流水生态信息化监管平台建设规划与分析

袁惠颖

(北京市丰台区水文与水土保持工作站,北京 100165)

近年来,随着人们生态意识的加强,河流生态修复工作受到广泛关注[1-2]。但从河流生态修复工程全生命周期上看,目前对修复后的管理工作重视不够[2-3],尚未建立具有反馈机制的管理模式[1];从监测项目上看,水生态监测包含生境、理化、生物监测,大部分修复工程偏重于水质理化指标监测,缺乏生物监测[1]。然而,生物物种恢复是河流生态恢复的重要体现[4],由于生物体对修复的响应较慢,在短期内并不能体现[5]。因此,增加对修复后的生物监测,并建立相应的反馈管理模式,确保对修复河流生态系统的长期监管显得尤为重要。

为了解决当前河流水生态修复面临的监测与管理问题,本文依托于北京市丰台区佃起河、蟒牛河、小清河区界段3条河流水生态提升项目(一期),构建水生态信息化监管平台,接入水质理化指标自动监测信息,实现水质超标预警;利用图像识别技术,实现河流水生态鸟类监测;借助视频监控图片,实现鱼类人工识别,并在监管平台填报识别信息,进一步通过对鸟、鱼识别物种种类数量逐年变化分析,动态定量呈现水生态修复效果,从而达到对水生态系统进行长期监管的目标。

1 信息化建设现状

针对河流生态修复存在的监测与管理问题,国家与地方政府从政策层面给予了相应引导。《生态环境监测规划纲要(2020-2035年)》明确要求地表水监测逐步实现水质监测向水生态监测转变。《“十四五”生态环境监测规划》(环监测〔2021〕117号)要求开展重要生态系统保护修复工程实施成效监测评估,开展全国生态环境智慧监测试点,打造国家-省-市-县交互贯通的会商系统和智慧监测平台,提升大数据监测水平。《北京市国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》要求开展流域水生态状况监测评价,建成环境质量、生态质量状况和污染源监测全覆盖的生态环境监测网络,建设生态环境保护大数据平台。《“十四五”时期丰台区水务发展规划》要求加强水土保持水生态修复监管,强化监测评价,对已建生态清洁小流域进行效果后评估。由此可见,加强生物监测,构建相应的监测管理平台,是国家未来生态修复的重点任务与要求。

水生态生物监测应包括着生藻类、底栖动物、鱼类监测[6-12]。鸟类对维护河湖生态系统平衡发挥着重要作用,亦可作为水生态生物多样性监测的重要指标[13]。目前,鸟类AI识别监测已实现项目应用[14-15];鱼类监测则主要依赖于人工调查或捕获[16-17],鱼类AI识别技术在实际工程项目中应用较少。在国家数字化建设与新一代信息技术快速发展时代大背景下,建设信息化监管平台,汇聚水生态监测信息,通过实时监测预警及对生物体变化趋势统计分析,可及时与持续反馈水生态修复效果,为实现河流生态修复系统长期监管提供有效技术手段。

2 建设需求及目标

北京市丰台区为响应国家大力改善生态环境质量的号召,于2022年制定了《丰台区深入打好污染防治攻坚战2022年行动计划》,要求开展河西片区水生态提升项目一期工作。工作内容主要涉及佃起河、蟒牛河、小清河区界段3条河流水生态修复,包括通过补水工程,保证河流生态补水量、保持河道常水位;进行面源污染控制工程,防止雨水带来的面源污染;对河床或岸坡进行生态化改造;构建水生生物群落,并配备生态配套设施等。

为了满足动态定量了解河道水质及生态状况要求,项目增设4处水质自动监测站点、8处生态视频监测站点,两类监测站点位置重合,站点位置分布见图 1。水质站点可进行水文、水质参数监测,其中水文监测参数包括河流断面水位、流速及流量,水质监测参数包含溶解氧、氨氮、化学需氧量、pH、电导率、浑浊度、温度;生态监测站点包括水上/水下自动抓拍鸟类/鱼类图片及视频。

图1 自动监测站点分布图

项目亟待构建水生态信息化监管平台,汇聚水生态监测信息,实现水质超标预警、评价及生态监测信息的定量分析,直观展示预警及分析结果,提高项目建成后的管理运维效率。

以实现修复河流水生态系统长期监管为目标,构建水生态信息化监管平台。平台接入增设的4处水质自动监测站、8处同测站监测的水上鸟类及水下鱼类智能视频监测设备数据,完成各种类型数据汇聚;通过对河流水质超标预警,及时提醒工作人员对可能出现的水生态问题做出迅速反应,防止问题扩大;通过对水质状况评价及河流栖息鸟、鱼类识别结果年度对比分析,从定量角度展现河流水生态状况,指导后续治理工作。具体如下:

1)建立水生态信息化监管平台,接入4处水质监测数据及8处同监测站点鸟类、鱼类图像抓拍图片或视频。

2)平台转发所采集鸟类抓拍图片至北京市水文总站鸟类识别平台进行鸟类物种识别,接受并重组鸟类识别结果。

3)平台直观展现设定时间段内鸟、鱼类图像识别及不同维度统计分析结果。

4)平台实时展示4处河流水质指标及预警状态,实现按日期查询历史监测数据。

3 系统框架及方案

水生态信息化监管平台总体架构图见图2,由感知层、政务云、数据层、支撑层、业务应用及网络安全体系、保障体系构成,其中感知层主要面向水质自动监测及鸟、鱼类智能生态监测,用户仅在PC端运行此平台。

图2 平台总体架构图

感知层主要实现平台感知体系的搭建,包括水质自动监测站点及鸟、鱼类生态智能监测站点,边缘计算在设备侧通过安装边缘计算盒子实现。感知层采集监测数据并上传至物联网平台,进行数据汇聚与清洗。

政务云作为基础设施,主要是基于硬件资源和软件资源的服务,提供计算、网络和存储能力。本文所建水生态信息化监管平台搭建在丰台区政务云上,由政务云提供计算、网络及存储资源。

数据层主要通过数据整合、汇聚来搭建水生态数据库,包括业务数据库、监测数据库、基础数据库、空间数据库、多媒体数据库,实现数据资源的分类存储。

应用支撑层通过集成各类中间件,将平台中的各类功能服务按照统一的标准接口封装,实现服务的通信与整合。同时,平台为上层业务应用提供可跨平台直接调用基础支撑组件。所建平台涉及物理网平台、GIS服务平台、鸟类AI识别平台,并进行相应的平台管理。应用支撑层利用丰台区已建水环境监测物联感知平台的物联网平台、GIS服务平台及平台管理服务,以及北京市水文总站鸟类识别平台,故应用支撑层不再重复建设。

业务应用主要借助GIS服务平台实现水生态一张图服务,通过物联网监测平台采集的数据进行水质分析,借助鸟类识别平台展示及统计分析识别结果完成水生态监测与分析。

网络安全体系与保障体系分别为按《信息安全技术 网络安全等级保护定级指南》(GB/T 22240-2020)确定平台安全保护等级及体制机制、标准规范、技术创新、运维体系等,本平台主要涉及标准规范保障体系建设。

4 建设内容及功能

4.1 数据资源建设

水生态信息化监管平台数据资源建设,是将分散的多方数据进行整合汇聚纳入统一的技术平台,并对这些数据进行治理,借助平台将治理后数据进行共享发布。数据资源建设对数据进行全生命周期管理,能够达成快速查询、反馈和快速呈现结果,有效提高数据使用率。

1)数据汇聚。项目从新建4处水质,8处鱼类、鸟类智能监测站汇聚水质、生态监测数据。

2)数据库建设。资源建设通过数据整合汇聚建库形成水生态数据库数据资源目录,包括监测数据库、业务数据库、空间数据库、多媒体数据库、基础数据库,采集元数据、建立索引。数据库建设内容见表1。

表1 数据库建设内容

4.2 业务实现流程

业务实现流程为监测数据实现一张图展示的过程,主要涉及从平台搭建到监测设备对接的工作流程及数据从设备侧传输到对应数据库并上图的数据传输流程。水质监测数据、鸟鱼识别结果上图业务实现流程分别见图3、图4。图4中,重组鸟类识别数据指在鸟类抓拍图片上附带物种名称、识别时间及监测站点名称(参见图6监测站点弹窗)。

图3 水质监测数据上图业务实现流程

图4 鸟、鱼类监测数据上图业务实现流程

4.3 业务应用功能

平台为实现修复河流水生态现状测评及长期监管,围绕一张图展示、水质预警与评价、水生态物种变化分析3项核心业务,建设了三大功能模块,包括水生态一张图、水质分析、水生态分析,见图5。

图5 业务应用拓扑图

4.3.1 水生态一张图

通过水生态“一张图”(图6)可直观展示鸟类、鱼类图像识别成果,水质监测数据,全面展示蟒牛河、佃起河、小清河区界段3条河流水生态日常监管情况。

图6 水生态一张图示例

支持在地图上展示各监测站点的位置及监测数据,能够按小时刷新显示所有监测站点水生态信息;支持监测站点在水生态一张图上定位;支持用户在地图上选择某个监测站点,获取该监测站点逐4h水质变化情况;支持在地图上选定一个历史时间段,展示该时间段内的水质信息;支持在地图上展示水质超标预警信息;支持在地图上选择鸟类、鱼类监测站点,展示图像识别结果。

基于地图展示8处水面上的鸟类、水面下鱼类视频监控点的图像识别成果,包括采集时间、监测时段、识别图片呈现。

基于地图展示4处河流水质监测实时数据、历史数据和预警状态,监测指标包含水位、流速、流量和水质常规5项(溶解氧、浊度、电导率、pH、水温),以及COD和氨氮等。实时数据显示采集时间及水质评价结果,历时数据通过选择水文或水质切换监测指标内容,可按时间段查询各项水文及水质监测指标变化曲线。

平台将不同水质监测指标与预先设置的对应预警阈值进行对比,当某项水质指标超过阈值时,触发报警。将超标水质报警信息,以预警事件形式进行发布,在水生态一张图上闪烁显示预警状态,点击后以小窗口列表形式展示已发布预警信息,包括采集时间、预警事件类型、预警发布状态、预案启动情况。

4.3.2 水质分析

通过对水质监测数据进行统计分析及评价,可判断监测断面水质状况。包括以下功能:

1)水质统计。平台可分别统计水质正常、超标站点数量,按所属河流及测站进行监测指标查询,并以列表形式展示对应测站名称、水质评价、水质状况、更新时间,见图7。点击测站名称,可实现地图定位。

从行业发展空间看，以抽油烟机、电饭煲、微波炉为代表的厨电行业，整体行业成长逻辑不变。厨电行业长期看在品类拓展上亦有空间。依据中怡康数据，从目前市场格局看老板及方太双寡头在终端市场份额始终保持绝对优势，而且增长动力仍然充足。

图7 水质分析展示界面

2)水质评价。依据《地表水环境质量标准》(GB 3838)中规定的监测指标标准值,对监测断面进行水质评价(水质类别判定);依据《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办〔2011〕22号)对监测断面进行水质状况判定(优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染)。监测断面水质评价结果在左边框展示。

4.3.3 水生态分析

1)运行状态。平台可分别统计鸟类、鱼类视频监测站识别物种种类数量。

2)识别记录。以列表形式记录设定时间段内鸟类、鱼类监测站点所属不同河流对应的识别结果,包括测站名称、识别结果(图标、识别物种名称)、识别时间。点击识别时间右侧日历图标展示历史识别结果统计,包括识别物种名称、识别图片、识别时间,可按时间段进行数据查询。

3)统计分析。在线查看佃起河、蟒牛河、小清河区界段3条河流鸟类、鱼类监测识别统计分析结果,实现按所属河流、测站类型分别统计鸟/鱼类识别物种数量,以此进行排序。分析鸟、鱼类识别物种总数逐年变化趋势,追踪河流水生态修复效果。按3条河流统计识别出鸟、鱼类物种种类图片总数,即识别物种次数,并对当年识别物种次数进行排名,可发现优势物种。统计分析效果展示见图8。

图8 水生态统计分析图

4.4 网络安全体系与保障体系

平台部署在丰台区政务云上,政务云按网络安全三级等保进行设计,满足平台二级等保定级要求,故不再单独对平台进行等保设计。考虑到政务云与丰台区水文和水土保持站之间已建100M专线,可以实现信息在线上传、下达、发布、共享,故平台亦不需再建立专属信息通讯网络。监测站点信息通过4G网络进行传输。平台以《生态环境信息化标准体系指南》(HJ 511-2024)所涉及标准规范为基础,建设水生态信息化监管平台及管理制度与操作规范,包括总体标准、基础设施标准、数据标准、应用标准及平台运维要求与使用说明,保障平台规范运行。

5 结 语

本文以实现修复河流水生态系统长期监管为目标,构建了河流水生态信息化监控平台,利用视频抓拍鸟、鱼类图片,初步实现了水质监测向水生态监测的转变;借助人工智能技术识别鸟类物种,提高了监测工作效率。平台实现了水质、生态信息的定量评价与分析,通过水生态一张图直观呈现监测与分析结果,为实现河流修复后长期监管提供借鉴,支撑流域水生态管控平台的搭建。由于项目所建监测站点偏少,平台未对河流进行全时空尺度的监测分析与健康评价[18]。随着工程的后续建设,平台可接入更多监测数据,以支持河流上中下游及全流域尺度的时空分析与健康评价。