張勝華 ，王杰 ，王晨 ，梁明 ，陳文文

（1.宿松林業(yè)局，安徽 安慶 246500；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230601；3.濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽大學(xué)），合肥 230601）

濕地具有獨(dú)特的生態(tài)特征與豐富的生物多樣性，是人類賴以生存的重要保障，被譽(yù)為“地球之腎”，在維持地球生態(tài)平衡方面發(fā)揮重要的作用。然而，隨著人口增長(zhǎng)，人為擾動(dòng)加劇，濕地不可避免地遭到了破壞，濕地面積大幅減少、功能嚴(yán)重退化[1]，造成生態(tài)環(huán)境惡化。

近年來，我國加大了濕地保護(hù)力度，通過生態(tài)保護(hù)紅線劃定，識(shí)別生物多樣性保護(hù)的空缺地區(qū)并納入生態(tài)保護(hù)紅線。濕地資源類型繁多，涉及范圍廣，很多基礎(chǔ)信息調(diào)查工作滯后，導(dǎo)致資源信息更新不及時(shí)，很大程度上影響了保護(hù)區(qū)的監(jiān)管效率[2]。WebGIS 技術(shù)利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供地理信息服務(wù)，已被廣泛應(yīng)用于泉州灣河口、黃河三角洲等濕地信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中[3-4]，江西、貴州等省也建設(shè)了相應(yīng)的濕地資源綜合信息平臺(tái)，而其監(jiān)管效率往往會(huì)受到采集數(shù)據(jù)時(shí)效性的制約[5-6]。作為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的延伸，物聯(lián)網(wǎng)利用傳感設(shè)備感知信息，并將采集信息通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心，在提高采集數(shù)據(jù)的時(shí)效性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已被用于設(shè)計(jì)濕地環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[7]，但其信息服務(wù)功能有限。目前，將物聯(lián)網(wǎng)與WebGIS 技術(shù)有效結(jié)合的模式，在空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)、果園監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-9]設(shè)計(jì)中均展示出理想成效，為濕地資源信息的智能監(jiān)測(cè)與高效管理提供了有利契機(jī)。

華陽河湖群濕地被世界自然資金會(huì)確認(rèn)為長(zhǎng)江中下游三處最重要的濕地區(qū)域之一[10]。該濕地位于安徽省宿松縣境內(nèi)，包含三湖（黃湖、大官湖、龍感湖）兩河（二郎河、涼亭河），面積超過 5 萬 hm2，生物多樣性豐富，也是白鶴、東方白鸛、小天鵝等越冬水鳥的重要遷徙停歇地[11]。2005 年華陽河湖群濕地從原安徽安慶沿江水禽省級(jí)自然保護(hù)區(qū)調(diào)出，2013年12 月經(jīng)安徽省政府同意單獨(dú)設(shè)立“宿松華陽河湖群省級(jí)自然保護(hù)區(qū)”（以下簡(jiǎn)稱“華陽河湖群保護(hù)區(qū)”）。針對(duì)華陽河湖群濕地管理的業(yè)務(wù)需求，本文集成了物聯(lián)網(wǎng)、WebGIS 以及人工智能等信息技術(shù)，開發(fā)了一套實(shí)時(shí)性強(qiáng)的保護(hù)區(qū)智能信息管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)華陽河湖群保護(hù)區(qū)管理的業(yè)務(wù)需求，本文基于該保護(hù)區(qū)濕地資源數(shù)據(jù)、信息化等方面的建設(shè)現(xiàn)狀，整合移動(dòng)終端、遙感監(jiān)測(cè)、地面臺(tái)站、視頻監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器，設(shè)計(jì)濕地信息管理系統(tǒng)，并依次研發(fā)濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)接口和數(shù)字化綜合服務(wù)平臺(tái)（見圖1）。

信息管理系統(tǒng)是基于B/S 模式（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式），采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，將系統(tǒng)抽象成終端采集子系統(tǒng)、濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、信息綜合服務(wù)子系統(tǒng)三部分。選用C#作為系統(tǒng)開發(fā)語言，使用Microsoft Visual Studio 2012 作為開發(fā)工具，PostGIS 開源數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)濕地?cái)?shù)據(jù)類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且更新快的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于集中式數(shù)據(jù)庫模式的濕地信息數(shù)據(jù)庫。針對(duì)不同用戶對(duì)自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)的需求，對(duì)保護(hù)區(qū)不同來源數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類整理，涉及一級(jí)數(shù)據(jù)類型包括自然地理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、生態(tài)要素?cái)?shù)據(jù)、環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)、保護(hù)區(qū)管理數(shù)據(jù)等六類，并據(jù)此對(duì)濕地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖2）。而后，所有待入庫數(shù)據(jù)依據(jù)工作流軟件FME 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則化、規(guī)范化，導(dǎo)入PostGIS 信息管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并通過PostgreSQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Geoserver 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與自然保護(hù)區(qū)信息服務(wù)平臺(tái)關(guān)聯(lián)。

2.2 終端采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端采集子系統(tǒng)的硬件由終端傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)接口、數(shù)據(jù)服務(wù)器等所組成（見圖3）。依據(jù)國際重要濕地監(jiān)測(cè)指標(biāo)要求[12]，本文以衛(wèi)星/無人機(jī)遙感、視頻監(jiān)控、地面臺(tái)站、移動(dòng)終端等技術(shù)為監(jiān)測(cè)手段，重點(diǎn)支撐對(duì)動(dòng)物（鳥類、獸類、兩棲、爬行等）、植物、氣象因子、水文水質(zhì)等要素實(shí)施終端數(shù)據(jù)采集。在串口轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上，利用Zigbee 無線通信技術(shù)構(gòu)建了由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器/路由器）組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了終端采集節(jié)點(diǎn)與濕地云設(shè)施之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)終端傳感器數(shù)據(jù)的接收、分析處理和存儲(chǔ)[7，9]。

2.3 信息綜合服務(wù)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

濕地信息綜合服務(wù)子系統(tǒng)是基于WebGIS 技術(shù)開發(fā)的綜合數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，旨在為不同級(jí)別用戶（管理人員、公眾用戶）提供數(shù)據(jù)查詢與可視化、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制與操作等服務(wù)。本文中濕地信息綜合服務(wù)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的功能模塊包括地圖瀏覽、顯示控制、查詢分析、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)管理等，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)查看、編輯、檢索和統(tǒng)計(jì)報(bào)表等分析與處理功能。

2.3.1 地圖瀏覽

在瀏覽器頁面中以普通模式、導(dǎo)航模式對(duì)所發(fā)布的濕地要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，能自由控制各要素層的不同比例顯示，并支持每種要素掛接相應(yīng)的附件進(jìn)行預(yù)覽。

2.3.2 要素查詢

能針對(duì)指定圖層中的濕地要素進(jìn)行自由組合，綜合利用要素屬性值、空間位置及空間關(guān)系進(jìn)行自定義條件查詢，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下的要素查詢。

2.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)發(fā)布的濕地要素屬性值以村級(jí)行政區(qū)為劃分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表的形式展示在瀏覽器窗體之中。對(duì)巡檢數(shù)據(jù)、鳥類觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，監(jiān)測(cè)濕地要素綜合狀態(tài)。

2.3.4 采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看

在瀏覽器窗體中對(duì)衛(wèi)星影像、觀測(cè)臺(tái)站、視頻監(jiān)控等要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，及時(shí)跟蹤采集終端設(shè)備的工作狀態(tài)；同時(shí)可以實(shí)時(shí)查看手機(jī)端APP 外業(yè)采集的報(bào)表與圖片數(shù)據(jù)。

2.3.5 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

能夠展示所有濕地要素監(jiān)測(cè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)。針對(duì)自然保護(hù)區(qū)某一要素參數(shù)的可視化展示，提供熱力圖可視化分析方法，直觀地了解不同區(qū)域同一參數(shù)的變化。

2.3.6 巡檢規(guī)劃

能夠支撐用戶通過點(diǎn)、線、面繪制與屬性輸入的方式，對(duì)巡檢路線、觀測(cè)點(diǎn)、測(cè)量區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，并在手機(jī)端APP 中實(shí)時(shí)顯示，指導(dǎo)外業(yè)巡檢。

3 系統(tǒng)特色

3.1 生物多樣性可視化顯示

要素統(tǒng)計(jì)模塊包含植物、動(dòng)物（魚類、鳥類）等生物物種信息。根據(jù)濕地生物多樣性保護(hù)管理工作的需要，對(duì)實(shí)地調(diào)查得到的生物信息進(jìn)行整理與分析，實(shí)現(xiàn)了生物的類型、物種、數(shù)量等信息可視化顯示功能（見圖4 a）。在信息錄入時(shí)按照數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化填寫，通過數(shù)據(jù)庫直接導(dǎo)入，后臺(tái)管理十分便捷。

3.2 視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建遠(yuǎn)距離無線通信與傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用WebGIS 研發(fā)服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)展示視頻監(jiān)控情況（見圖4 b），實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)獲取、傳輸、存儲(chǔ)等智能管理功能，解決了傳統(tǒng)方式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)時(shí)效性差等問題。

3.3 水鳥智能識(shí)別與預(yù)警

根據(jù)終端采集子系統(tǒng)所提供的自然保護(hù)區(qū)視頻監(jiān)控圖像，在對(duì)水鳥形態(tài)特征進(jìn)行大樣本深度訓(xùn)練學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視頻圖像中水鳥的智能識(shí)別與預(yù)警（見圖5），為自然保護(hù)區(qū)資源管理與決策提供有效參考[13]。

3.4 濕地?cái)?shù)據(jù)管理去冗智能化

本文主要從以下方面去除自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)集的冗余：一是在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)化關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，嚴(yán)格遵守范式，盡量減少冗余，保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄無重復(fù)性；二是在圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)智能識(shí)別影像中目標(biāo)地物（如水鳥），同步存儲(chǔ)有效幀的圖像，去除無效幀，大大壓縮了數(shù)據(jù)量，具體見圖5。

圖5 視頻監(jiān)控圖像中水鳥智能識(shí)別（圖中數(shù)字為識(shí)別相似度）

4 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)與WebGIS 技術(shù)相結(jié)合，提供了一種適用于自然保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)的新模式，提高了濕地資源的監(jiān)管與決策效率。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建濕地生態(tài)環(huán)境要素傳感器網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)時(shí)、廣泛的采集能力為系統(tǒng)提供持續(xù)更新的數(shù)據(jù)源，WebGIS 技術(shù)的在線分析、管理、可視化能力為系統(tǒng)提供要素信息發(fā)布與分析的服務(wù)平臺(tái)。本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、WebGIS、人工智能等技術(shù)將多源濕地要素?cái)?shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)了多層面的濕地要素瀏覽與查詢、終端采集數(shù)據(jù)顯示、屬性值分析、動(dòng)態(tài)可視化等功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了生物多樣性可視化、視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)顯示、水鳥目標(biāo)智能識(shí)別等特色功能，為濕地管理部門開展遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與高效管理提供參考。