智慧水土保持体系建设研究

　　随着新技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，实现更便捷、智能、优质的生活环境成了各国政府追求的目标。2008 年 11 月，IBM 首席执行官彭明盛首次提出了智慧地球的新理念，指把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓物联网，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。近年来，智慧地球已得到各国的普遍认可和重视，并引发了世界各地智慧城市建设的热潮[1-3].在智慧城市建设的过程中，与其息息相关的云计算、物联网等技术也得到了空前的发展，并在水利、林业、交通、电力、环境保护、医疗、旅游等不同科技发展过程中广泛应用[4-11].智慧地球和智慧城市的建设、技术的进步和智慧化理念的不断深入都推动了智慧水土保持体系的建设。我国水土流失严重，其成因错综复杂，严重影响我生态安全和生态文明建设； 而水土保持又是一项综合性很强的系统工程，需要综合多学科、多尺度、多部门进行。为了满足人民群众日益增长的对生态环境的要求以及对党的“十八大”提出生态文明建设的响应，急需建设数据共享、智能决策、响应迅速的新型水土流失预防监督体系。智慧水土保持因其数据监测的时效性、决策的智能性、防灾预警的及时性等特征，将会使我国水土保持工作迈向新的台阶。

　　1 智慧水土保持体系总体架构

　　智慧水土保持是在智慧地球和智慧城市的建设背景下，把传感器和装备嵌入到各种水土保持因素监测设备中，实现水土保持监测物联网，再借助物联网、云计算、大数据挖掘等新技术，组合连接监测设备物联网、互联网和人类社会，对水土保持监测要素实现数据智能识别，对监测数据即时传输和系统存储，对海量数据智能挖掘和模拟仿真，以更加精细、及时、动态、开放的方式实现水土流失预防监督和水土流失综合治理方式的决策。智慧水土保持体系的总体构架包括横向的物理层、数据层、运算层、应用层和纵向的系统安全维护体系、水土保持数据标准化体系（ 图 1） .

　　1. 1 物理层

　　物理层是智慧水土保持的基础，主要进行水土保持监测数据的智能化采集，简单的处理和数据的传输、贮存。实现水土保持决策体系和水土保持目标客体的互联感知。采用 3S 技术、自动识别摄像、物联网、高速移动互联网等技术手段，智能感知和高速贮存气象、地形、水文、植被等水土保持基础监测信息。

　　1. 2 数据层

　　通过物理层获取到的数据在数据层进行系统贮存，数据层为智慧水土保持提供即时有效的数据来源，全面支撑智慧水土保持的各项应用。数据层主要通过水土保持信息化建设，建成水土保持基础数据库、业务数据库和元数据库[12-14].

　　1. 3 运算层

　　运算层是智慧水土保持的中枢，主要运用云计算、大数据挖掘、系统仿真模拟、人工智能的技术手段对收集到的基础数据进行信息加工、海量数据处理、业务流程规范、数表模型分析、智能决策、预测分析等，主要包括水土保持数据云计算、水土流失模型模拟、小流域治理智能规划和专家决策系统等，最终使水土保持实现科学化、集约化和智能化。

　　1. 4 应用层

　　应用层是智慧水土保持建设与运营的目标和核心，主要进行信息集成共享、资源交换、业务协同等，为智慧水土保持的运营发展提供直接的服务，主要服务对象包括水土流失监测网站、数字土壤侵蚀数据网站、水利环境部门网站、智慧水土保持决策平台等，主要建设平台有水土流失综合治理决策系统、小流域治理规划系统、山地自然灾害防治系统、水土保持林规划设计系统等。

　　1. 5 系统安全维护体系

　　系统安全与维护体系是智慧水土保持建设与运营的重要保障。系统安全维护体系主要包括 3 部分： 物理设施安全、系统数据安全和保障维护体系建立。物理设施安全需要保证在智慧水土保持运行的过程中物理设备的完备性不受影响，如野外监测设备需要采取防护措施以保证不被野生动物破坏，网络传输线路不受人为破坏等。系统数据安全主要指在智慧水土保持体系运行过程中数据和支撑系统的完备性。需要加强数据备份系统和数字认证，建立各水土保持部门的认证体系，保障信息安全。保障维护体系主要指建立完整的信息安全组织体系，确立组织机构和岗位职责，加强对技术人员的技能培训，同时要建立起故障发生后的快速响应机制以确保智慧水土保持安全、高效的运营。

　　1. 6 水土保持数据标准化体系

　　水土保持数据标准规范体系是智慧水土保持建设和运营的重要支撑保障体系，完整的标准化体系应该涵盖标准以及标准制定、运行和管理的整个过程[15],其主要包括智慧水土保持总体标准、信息资源标准、应用标准、基础设施标准和管理制度建设。

　　总体标准水土保持信息化建设中的总体性、框架性和基础性的标准，是标准规范体系建设中其他标准制定的基础，包括信息标准化指南、信息术语、信息文本图形符号等标准。智慧水土保持信息资源标准主要包括水土保持信息分类与编码、数据处理与交换、数据库表结构与标识符、数据访问、元数据等方面的标准，促进信息资源标准化、规范处理和整合。

　　用于规范数据库建设中基础地理、预防监督、综合治理、监测评价等信息标准化入库的标准，对数据内容、数据结构、数据组织形式、数据文件命名及元数据等进行规范。智慧水土保持应用标准主要用于规范水土保持信息资源应用的标准，包括业务应用系统流程、业务应用技术规程、信息资源成果文档格式、信息资源目录和交换体系等方面的标准。智慧水土保持基础设施标准用于规范为数据库和应用系统建设提供基础支撑作用的标准，包括信息安全基础设施建设和计算机设备建设的标准，规范身份认证、网络信任、应用与备灾、网络基础设施建设、机房及配套设备建设等。管理制度建设用于规范水土保持信息化建设中的基础设施、数据库、应用系统建设的技术和运行的制度，包括工程建设管理办法、系统运行管理办法和制度、系统运行维护流程等。

　　2 智慧水土保持与数字水土保持

　　数字水土保持是近年来我国在水土保持信息化建设的基础上有学者提出的概念，数字水土保持被定义为按地理坐标对水土保持要素状况的数字化描述和处理[16],数字水土保持是数字地球概念的延伸[17],主要面向水土保持数据管理工作，其主要特征是数字化、互联化、智能化，它的建成为水土保持信息化建设提供一个更广泛、更形象化的信息处理环境及支撑系统，为智慧水土保持的发展奠定了基础。智慧水土保持的主要目标和服务功能是面向综合决策，主要以新兴的物联网、云计算、人工智能等技术为支撑。

　　在应用方面，数字水土保持主要是对水土保持要素数字化描述和处理，按照数字信号对水土保持相关信息进行收集、分析、存储、传输和应用，为水土流失监测预报、预防监督、水土保持规划设计和综合治理等提供技术支撑和决策支持信息。而智慧水土保持着力于构建体系化的水土保持监测感知平台，实现对水土流失的实时感知和监控，实现对山地自然灾害风险的智能预防和控制，直接参与相关决策制定，构建智慧化的水土保持发展模式，打破了层级界限，实现水土保持基础数据的高效共享和充分利用。数字水土保持是实现智慧水土保持的基础，智慧水土保持是水土保持信息化的更高形式。