自然保护地数字化监管设计分析范文
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建立以国家公园为主体的自然保护地体系是党的提出的战略举措，对美丽中国建设具有十分重要的意义，是树立和践行绿水青山就是金山银山理念的重要方式。新疆的自然保护地资源独特而丰富，涵盖了自然保护区、风景名胜区、森林公园、湿地公园、地质公园、自然遗产等各类自然保护地类型。截至2017年，新疆已建立各类自然保护区52处（国家级15处，自治区级14处），总面积2313万hm2（3.47亿亩），占新疆国土总面积的13.91%，覆盖了新疆区域90%以上的珍稀野生动植物物种，已达到《“十三五”生态环境保护规划》中提出的自然保护区2020年发展指标要求。新疆的自然保护地资源占有率在全国处于领先地位，而且新疆的自然保护地是西部地区生态安全重要屏障，是新疆和毗邻国家主要河流的重要水源产流地，是我国生物多样性保护优先区域。
自然保护地是自然生态系统的重要组成部分，其生态环境、生物多样性、关键物种及重点保护野生动植物等关键数据是高效管理和科学决策的重要基础。气象、大气、水文、水质、土壤等生态环境因子变化能够有效体现出自然保护地生态状况及变化趋势，植被覆盖及野生动植物的分布、数量、质量和健康状况是自然保护地生物多样性评估与保护的重要参照，野外巡护全过程监控是自然保护地生态安全的重要保障，人类活动监测与管控是自然保护地长效保护的重要前提。最为传统的自然保护地监测方式是人工地面野外采样调查和内业数据处理与分析，不但费时费力，而且时效性不足。随着现代信息技术的发展，传感器、遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、红外和视频监控、无人机、无线通信和移动互联网等技术逐步应用于自然保护地监测，不但能够提升监测的效率和时空范围，而且有助于提升监测的精度和准确性。通过持续、稳定、一体化的新型监测技术手段构建自然保护地的精准监测体系已经成为主流趋势。而且在自然保护地持续不断积累的各类监测数据基础上，通过大数据分析、机器学习、数据挖掘、统计建模等技术对自然保护地信息进行智能分析和知识发现，提升管理决策的科学性和可靠性已经成为自然保护地监管的核心内容和主要方向。但是，现阶段我国的自然保护地体系数字化管理和信息化发展尚处于起步探索阶段，新疆也尚未开展这方面的全面、深入研究与应用等相关工作。如何综合应用各种现代信息技术手段，对新疆自然保护地体系开展科学、有效、可持续的监测与管护，已成为新疆生态文明建设和生态环境保护所面临的核心、热点和重大问题之一。因此，开展新疆自然保护地体系的数字化监管框架体系设计与分析，具有重要的基础理论意义和实践应用价值。
2数字化监管框架设计原则
2.1节约资金，提高效率，避免重复建设充分利用现有技术和基础设施，统一标准、建立规范、统筹规划、协调安排，使数字化监管体系建设的过程有章可依、有据可循，避免不必要重复建设，提高效率。充分利用现有设备、数据和网络等资源，节约资金，提高建设水平。2.2标准化、规范化遵循数据整合、软件研发和业务应用相关的各类规程、规范和技术规定，保障数据整合与软件系统开发工作统一有序地建设和运行，保障数据及时更新，并为相关各领域的业务应用进行高效对接。
2.3科学性、适度超前性和可操作性在保证可操作性的前提下，在数据整合和软件设计上尽可能采用目前最为先进的技术，并在设施建设、设备配备方面适度超前，保持技术先进性，使新建立的系统能够最大限度地适应自然保护地数字化发展。
2.4宏观性与微观性高度结合，面向实用根据自然保护地信息资源和数据资源的现状，充分考虑相关信息系统之间的关系，确保自然保护地的各类信息系统是一个互为依托、相互兼容、相互统一的整体，在组织上、技术上充分考虑以兼容、简便、实用为原则，做到宏观性与微观性的高度结合。
2.5开放性、安全性、可靠性和可扩展性要保证自然保护地数字化监管体系具有良好的安全性，网络系统和数据均能安全运行，把系统故障降低到最低程度，并能方便地根据需要进行扩展。
3数字化监管框架设计方案
3.1总体架构设计基于面向服务架构SOA设计思想，采用“四横两纵”的总体架构开展自然保护地数字化监管框架设计。（见图1）总体架构中，“四横”指的是基础设施层、数据资源层、服务平台层和业务应用层这四个层次；“两纵”指的是林业信息化标准规范体系和林业网络安全与运维体系这两个贯通“四横”的层次。这“四横”与“两纵”构成了自然保护地数字化监管的整体体系架构，每一层自成相对独立的体系。自然保护地体系数字化监管总体架构设计的核心思路是：面向新疆自然保护地体系数字化监管的重大需求，针对自然保护地高效监管的核心业务特征，建立新疆自然保护地体系的数字化管理标准规范体系，构建以物联网为基础的自然保护地体系数字化监管网络体系，研发以大数据和云计算为基础的自然保护地资源一张地图系统，在可视化地图上为各级林业部门领导、业务人员和社会公众提供不同级别的综合信息服务，不但能够方便、简单和高效地了解自然保护地在哪里，具体情况怎么样，变化发展趋势如何，对人类生活环境的影响等等，而且能够处理和共享自然保护地资源数据，确保各类数据的数量、质量和实时性，切实提升新疆自然保护地体系管理和决策的现代化和科学化水平。
3.2标准规范参照《全国林业信息化建设纲要（2008-2020年）》和《全国林业信息化建设技术指南（2008-2020年）》，针对自然保护地体系数据特点和业务特征，构建新疆自然保护地体系数字化监管标准规范体系，包括五大类标准：总体指导类、基础设施类、信息资源类、应用服务类和管理类，每个大类根据不同的属性分为若干小类，每个小类下为具体标准。根据上述五类标准应用的不同范围可以划分为总体指导、通用、专用三个层次。可作为新疆地方行业标准出版，为新疆自然保护地体系数字化监管建设提供依据。
3.3基础设施层基于每个自然保护地资源数据整合与信息系统的数据量、系统功能和性能需求，在充分利用现有网络、存储与计算资源基础上，采用高性能计算、云计算理论和技术对软硬件环境进行综合集成，实现信息服务基础设施和环境的最佳部署和高效集成，提升信息服务基础设施和环境的弹性及利用率，满足自然保护地大数据的高效存储与管理，确保自然保护地监测与保护数据库和信息系统高效、安全、可扩展地运行和维护。建立新疆自然保护地数字化监管网络体系，通过“天-地-空一体化”方式，全面集成卫星遥感、无人机、地面传感器、红外相机和视屏设备等智能终端及其采集的数据资源，以物联网为基础动态全面监测自然保护地典型区域和热点区域内的生态环境、动植物资源和人类活动，实现自然保护地监管的覆盖广、功能强、动态化。
3.4数据资源层自然保护地的各类资源数据具有海量、多源、异构和实时特征，是典型的时空大数据，从数据模型和数据结构的角度来分析，涉及空间数据、属性数据、标准规范与知识库这3类数据，可分为6个数据库：（1）基础地理数据库，包括多级比例尺基础地理数据、社会经济数据、元数据和信息资源目录。（2）动植物资源时空数据库，包括关键物种和野生动植物资源分布、特征、状况、变化等数据。（3）本底资源时空数据库，包括多年积累的自然保护地分布、建设与保护工程、植被覆盖、土壤类型、水系分布等基础资源数据。（4）动态监测时空数据库，包括气象、大气、水文水质、土壤等生态环境实时监测数据和人类活动、土地利用类型、自然灾害发生率等时空变化数据。（5）遥感影像数据库，包括各类遥感卫星和无人机监测数据。（6）模型库和知识库，包括各类标准、文档、技术规程等综合数据，也包括自然保护地资源时空演变预测模型、保护与恢复决策模型、生态环境评价模型等专家知识和分析评价模型。基于时空数据库理论与技术，应用GeoDatabase等主流时空数据模型构建自然保护地时空大数据库，制定适用于自然保护地资源数据整合的技术规范，充分利用现有数据资源，通过大数据治理的方式全面整合新疆自然保护地时空数据，实现多源异构、多时相、多尺度、高动态时空数据统一存储与高效管理。
3.5服务平台层采用云计算、大数据、WebGIS和WebService等相关理论与关键技术，构建新疆自然保护地资源一张地图系统，研发新疆自然保护地多层次信息服务平台，在网络环境下提供“一站式”新疆自然保护地监测与管护信息综合服务。自然保护地多层次信息服务平台作为信息服务管理与共享的基础性功能，多层次信息服务接口提供共性功能模块，一方面可减少应用系统通用功能的重复开发，实现软件功能重用，另一方面可降低应用系统开发成本，提高开发效率，而且为相关行业提供数据访问和共享交换接口。主要包括9类服务：（1）元数据服务，满足用户对元数据上报、更新、查询、浏览和使用需求。（2）数据访问服务，为上一级应用系统提供数据访问接口，通过对服务接口的封装简化对关系型数据库的访问。（3）数据查询服务，提供统一的、可扩展的查询服务，包括：目录导航、定制查询、综合查询。（4）数据资源服务，将数据以服务的形式，在信息服务平台上进行服务注册。（5）数据上传下载服务，通过网络传输协议为用户与服务端之间交互数据提供支持。（6）数据批量导入导出服务，提供空间与属性数据、业务数据的批量导入导出功能。（7）信息资源目录服务，按照年度、数据类型、服务类型提供数据资源与服务目录。（8）事件监控服务，对数据访问、用户活动及各节点数据库连接状况进行监控。（9）用户权限服务，所有用户通过标准接口可访问到的空间数据和属性数据都要按照事先设定的权限范围来访问，权限的设定和发放将由管理员统一管理。
3.6业务应用层自然保护地监测与管理所涉及的业务类型多样，每一业务类型的工作流程和核心内容都不相同，涉及日常巡护管理、病虫害防治、火灾预防与应急处置、生态保护与恢复、资源动态监测与预警、科普教育和社区共管等等。基于自然保护地多层次信息服务平台提供的基础、共性服务功能，可以快速研制多个自然保护地业务应用系统，例如自然保护地资源数据在线管理与智能分析系统、自然保护地生态保护与恢复工程管理系统、自然保护地智能巡护系统、自然保护地火灾监测预警与智能扑救指挥系统、自然保护地病虫害识别与防治系统、自然保护地三维可视化虚拟现实系统等等。这些业务系统均可共用数据资源层的自然保护地时空大数据库，实现数据一体化管理与集成。
3.7运维体系从体系化设计思路通盘考虑自然保护地体系数字化监管的网络安全与运维过程，统一和规范网络安全管理内容和流程，提升风险运行维护的自动化程度，实现风险可视化、风险可管理、风险可处置、风险可量化。使日常的风险管理由被动管理向主动的流程化管理转变，真正建立实用并且合规的自然保护地体系数字化监管网络安全和运维体系。
4关键技术与典型案例分析
新一代信息技术是自然保护地体系数字化监管的有力支撑，关键技术包括J2EE架构与技术、数据库技术、中间件技术、WebService技术、空间信息处理技术、WebGIS技术等。2018年，新疆农业大学在UNDP-GEF中国湿地保护体系新疆项目和国家林业局新疆阿尔泰山两河源自然保护区湿地保护与恢复项目的联合资助下，以阿尔泰山两河源自然保护区为实验区，构建了一个网络环境下运行的“一体化监控、智能化决策、交互式共享”的自然保护区资源数据在线管理与分析系统，通过GIS和RS一体化集成技术在网络环境下实现自然保护区资源数据的综合查询、动态更新、综合校验、制图综合、统计报表、空间分析和模型预测等方面的功能，实现自然保护区资源监测与保护时空分布数据的集中存储、统一管理、智能分析和透明，有助于自然保护区多源异构、多时相和多尺度时空数据的高效管理、维护和辅助决策，能够有效提高自然保护区资源监测、管理、保护和利用水平，为各级林业部门领导和专业业务人员提供自然保护区和湿地资源数据高效管理与深度分析的专业化服务，在确保资源数据的数量、质量和实时性的同时，为科学管理决策提供必要的支撑信息。该系统已经投入使用，具体功能模块见图2。而且，基于阿尔泰山两河源自然保护区资源数据在线管理与分析系统的研发思路，新疆农业大学在新疆林业厅湿地办的支持下，初步构建了一个面向各级保护区管理者和社会公众的“新疆自然保护区和湿地资源一张地图系统”，可以在地图上可视化查询检索新疆所有自然保护地及其资源数据情况，并且可以通过在地图上或者查询列表里点击进入任何一个自然保护地的资源数据在线管理与分析系统，实现“保护地多张图汇集为省级一张图”的模式，为管理者和社会公众及时掌握自然保护地体系最新动态信息提供支撑。
5结束语
自然保护地作为高质量的生态空间，是人类不可或缺的绿色基础设施，是人类为子孙后代留存的天然“本底”资源库，是生物物种储备库，是濒危动植物庇护所，是生态系统基本规律和物种生态特性研究的重要基地。基于新一代信息技术开展新疆自然保护地体系数字化监管框架研究，是促进新疆自然保护地体系现代化发展的重要开始，对提升自然保护地科学管理和智能决策水平具有重要意义和前瞻价值。不但有助于绿色“一带一路”建设中的生态安全和生态环境保护，而且有利于为新疆的“社会-经济-生态”可持续发展和长治久安提供科技支撑服务，进而让良好生态环境成为人民生活的增长点，成为经济社会持续健康发展的支撑点，成为展现新疆良好形象的发力点。
作者：叶勒波拉提托流汉 单位：阿尔泰山两河源自然保护区管理局
