海洋生態預警監測評估方案設計與實現

唐浩宇，陳佐，鄒文財

（1.廣東南方數碼科技股份有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州航天宏圖人工智能科技有限公司，廣東 廣州 510260；3.廣東省土地調查規劃院， 廣東 廣州 511453；4.福建省海陸界面生態環境重點實驗室（廈門大學），福建 廈門 361102）

海洋與人類生活息息相關。為了系統科學推進海洋生態保護工作，提升生態系統質量和穩定性，2021 年7 月，自然資源部下發了《關于建立健全海洋生態預警監測體系的通知》等系列文件[1]，要求各地海洋部門依托自然資源三維立體時空數據庫和國土空間基礎信息平臺，統一設計分級建設海洋生態預警監測信息化平臺。

當前，全面開展海洋生態預警監測體系建設還存在著諸多障礙。一是海洋生態系統家底掌握不清。海洋生態系統數據結構不夠健全，亟待建立海洋生態分類分區數據標準體系；海洋生態分類分區數據不齊全，確定海洋調查監測對象存在困難；海洋生態預警的本底參考值欠缺，開展典型生態系統預警監測，缺少必要的參考基線數據。二是海洋生態系統監測體系不健全。不同海洋生態監測業務中監測指標及頻率設定、站位/樣方布設、采樣方法，以及從數據實時/延時采集、快速匯交、數據加工處理到成果共享應用的全生命流程內諸多事項需要在實踐中構建與完善。三是海洋生態系統預警指標體系尚待豐富與完善。影響海洋生態系統健康的因素較多，原因較為復雜，影響因子、因子權重、評價模型等內容需要進一步研究與修正。諸多障礙問題亟待克服與解決，以更好地推動海洋生態災害預警監測目標的實現。

2022 年3 月，廣東省自然資源廳印發《關于建立健全全省海洋生態預警監測體系的通知》，全面部署廣東省海洋生態預警監測工作。本文依據省廳工作部署要求，從信息化角度針對以上問題進行了粗淺的思考，提出了構建海洋生態預警監測評估系統的總體設計方案與實現思路。

1 國內外研究現狀

近年來，國內學者在海洋生態預警監測評估體系研究方面，已從單一場景逐步向綜合場景的預警監測發展。2012 年，李京梅等就已初步建立了養殖業生態預警的指標評價體系和評價方法，并使用指標的實際觀測數據進行了初步模擬分析[2]。許婷婷針對海洋生態環境污染風險事故，提出應建立海洋生態環境污染預警數據庫與海洋生態環境污染預警數學模型，以便及時發現污染事件[3]。孫藝提出要探索開展海洋生態預警服務，通過對其他地區的預警監測案例進行分析，總結其成功和值得借鑒之處，分析指標選擇的全面性及指標權重分配的科學合理性，更好地發揮指標體系對生態環境的評估作用[4]。梁斌等認為目前國內的海洋生態環境監測體系難以滿足海洋生態環境治理體系和治理能力的現代化目標要求，并提出了健全海洋生態環境監測體系的對策建議[5]?？傮w而言，國內學者更加注重監測預警體系中評價方法等宏觀層面的研究[6]。

國外關于海洋生態預警機制的研究與實踐早于我國，研究對象更加側重于評價指標領域。美國國家海洋和大氣管理局于1992 年實施了損害評估及修復計劃。當海岸帶損害事故發生時，美國國家海洋和大氣管理局將與其他責任方一起確定事故發生對自然資源的影響及其損失，并聘請專家確定受影響的程度，通過征求公眾意見確定最佳修復方法、數量和位置[7]，同時也開展了許多針對海洋生態預警評價指標的研究。Ndah 等認為，海洋浮游動物是海洋生態系統評估的中心組成部分，提出利用浮游動物的生物特征作為評估和監測水生系統生態健康和完整性的有用工具，并以波羅的海和北大西洋地區為典型示范，使用了幾類廣泛的核心生物多樣性指數——浮游動物平均規模和總種群指數、浮游生物生命指數（Plankton Lifeforms Index，PLI），以及脅迫響應指數等[8]，值得參考。類似還有Susandi 等針對海洋生態承載能力評價所做的指數研究[9]。

本文基于當前海洋生態預警方面存在的問題，充分借鑒國內外在海洋生態預警監測評估指標體系建設領域評價方法、具體指數等多個層級的研究成果，提出了服務于省級海洋生態行政管理的海洋生態預警監測平臺建設方案。

2 解決方案與技術路線

本文確定一個總體的技術實現路線：充分應用物聯網、大數據，以及空間地理分析、指標分析評價、數據駕駛艙等信息技術手段，構建海洋生態系統綜合數據庫、近岸海洋生態“一張圖”，掌握我國海洋生態底數；構建海洋典型生態系統監測業務化運行體系，建立監測數據實時匯集、快速處理及動態更新機制；建立海洋生態受損狀況及變化趨勢分析評估模型，開展海洋生態預警分析評價指標計算，及時預警生態問題與潛在風險；應用數據駕駛艙展示海洋生態總體態勢及演變趨勢，為制定海洋生態保護措施提供綜合研判決策服務。結合國家整體工作部署，系統建設方案架構總共設計四大模塊（圖1）。

圖1 海洋生態預警監測平臺建設方案邏輯架構

2.1 近海生態一張圖

收集整理海洋空間地理信息資料、海洋生態相關業務管理數據、海洋生態相關各類規劃數據、海洋生態相關的觀監測數據成果，以及典型生態系統現狀調查成果，整合生產建成海洋生態綜合數據庫，并以此為基礎開展海洋生態數據成果展示、提供基礎數據分析應用等服務。

2.1.1 海洋生態綜合數據庫

（1）海洋生態基礎地理數據庫。匯集整合多類空間地理數據：基礎地形圖、海底水深圖、市縣海域行政界線等基礎地理數據；國控站位、標準斷面、監測站位及樣方等監測空間布局數據；三級生態分區、水生場景分區、典型生態系統單元分布等生態空間數據。

（2）海洋生態綜合監管數據庫。匯集整合多類監管業務數據：海洋生態領域業務管理、海洋規劃、海洋調查、環境觀（監）測、海域海島生態監視監測、海洋開發利用等與海洋生態相關的海洋業務管理的成果數據。

（3）海洋生態環境資源數據庫。收集整合各個海洋典型生態系統單元內以及其他近岸海域生態環境數據，包括：各種海洋水文、海洋氣象、海洋水質、海洋生物資源、海洋化學、海洋自然災害等多個生態環境領域的成果數據。

（4）海洋生態分區數據庫。收集整合近海生態區域海洋生態類型清單，收集區域內各類典型生態系統分布與基本特征數據、生物多樣性數據以及關鍵生境要素信息，整理重要生態類型數量、質量、受損情況、保護利用狀況等基本狀況及變化趨勢等信息，建立各個典型海洋生態系統單元生態基線數據表。

2.1.2 海洋生態一張圖成果應用

滿足國家海洋生態預警監測工作總體部署要求，生成近岸海域十大類典型海洋生態系統分布專題圖、海洋生境專題地圖；提供海洋生態分類分區專題數據管理，如：水體環境、地形地貌、底質環境、生物群落等生態環境數據，海水養殖、生物入侵、拖網/捕撈等修飾因子數據，以及海洋工程、異常升溫、敵害生物等威脅因素數據；提供各個典型生態系統生態基數數據查詢，如：紅樹林的植被總面積、蓋度、幼苗比例、林帶寬度等；提供基于典型生態系統圖斑緩沖分析等應用，輔助確定生態系統問題清單；導出生態系統組分數據，輔助制作生態系統狀況成果報告等；提供各類專題數據的統計圖表、數據列表分析應用等多種功能（圖2）。

圖2 海洋生態一張圖模塊界面方案

2.2 海洋生態系統監測業務管理

根據近海生態趨勢性監測、典型生態系統預警監測、海洋生態災害預警監測、重大戰略區域協同監測等業務需求，構建海洋生態系統監測業務化運行體系，建立海洋生態系統監測數據實時匯集、快速處理、動態更新，以及服務共享機制。

2.2.1 數據采集、生產及動態更新

建立任務管控，針對實時或延時采集數據，建立數據匯交通道，接收監測原始數據，之后根據數據類型差異采取不同方法完成質量檢測、自動或人工數據加工處理以及動態更新。例如：水文、環境數據等屬性類數據，采取抽取、清洗、裝載方式處理；海洋生態災害的水色遙感數據，采取解析識別方式提取生態圖斑分布范圍以及類型/性質、面積等數據。不同生態專題監測采集處理的數據內容各有差異。

（1）近海生態趨勢性監測。定期采集不同監測站位及標準斷面的各類生態基礎要素數據，如水文氣象、水體環境、底質環境、生物群落等，以掌握生態基礎狀況，根據多年長期監測數據，計算年際變化趨勢情況，完成近海生態趨勢數據建庫。

（2）典型生態系統監測。定期針對牡蠣礁、海藻場、鹽沼、泥質海岸、砂質海岸、河口、海灣、珊瑚礁、海草床、紅樹林等十大類典型生態系統采集監測數據，采集數據包括：典型生態系統的關鍵生境要素、生物群落、環境要素、威脅因素等，完成典型生態系統監測數據建庫。

（3）海洋生態災害監測。結合廣東省特點，重點針對赤潮，以及毛蝦、尖筆帽螺、水母等新型生物暴發類型自然災害開展應急監測，同時針對海洋缺氧、海洋酸化、海洋微塑料等生態災害開展長期監測，匯集各類生態指標數據，反映海洋生態災害發展演變，以及生境狀況長期演變趨勢，完成相應監測數據建庫。

2.2.2 海洋生態系統監測數據成果管理及應用

實現四類海洋生態專項監測成果數據集中管理，提供數據可視化展示及對外成果應用服務，包括：（1）近海趨勢監測。實現近海生態趨勢性監測業務運行管理功能，提供監測數據集、統計分析圖表、趨勢專題圖等成果管理，以及暖化、富營養化、低氧化、酸化等趨勢監測成果數據服務；（2）典型系統監測。實現典型生態系統預警監測業務運行管理功能，匯集各個生態單元不同時期監測成果數據，提供各類生態系統關鍵指標變化情況服務；（3）災害預警監測。實現海洋生態災害預警監測業務運行管理功能，匯集各類生態災害監測數據、監測報告、預測預警信息、防控評估報告等成果，提供歷次生態災害演變數據，以及生態災害問題清單；（4）重大戰略區域協同監測。實現粵港澳大灣區協同監測業務運行管理功能，匯集大灣區海洋生態狀況關鍵要素監測成果，提供大灣區海洋生態狀況報告。

2.3 海洋生態分析評估

建立海洋生態受損狀況及變化趨勢分析評估模型，開展海洋生態預警分析評價，及時發布海洋生態問題與潛在風險警示信息。

2.3.1 構建海洋生態預警分析評價指標體系

海洋生態預警分析評價指標包括三個層次的內容：資源狀況、生境狀況、風險狀況。（1）資源狀況：生物資源狀況包括海域生物資源指數、海域生物資源多樣性指數、漁業資源指數等；空間資源狀況包括海岸線資源指數、重要生態空間指數、潮間帶資源指數等。（2）生境狀況：生境生態化狀況包括初級生產力指數、濱海植被面積指數、無居民海島植被覆蓋率指數等；底質污染狀況包括酸可揮發性硫化物指數、總有機碳指數等；水體富營養化狀況包括富營養化指數、氮磷比指數等；水體穩定性狀況包括溶解氧飽和度指數、酸堿度指數等。（3）風險狀況：生態災害狀況，包括赤潮風險指數、互花米草入侵指數等；潛在風險狀況包括海域低氧指數、砂質岸線侵蝕指數和海平面變化指數。

2.3.2 海洋生態評估綜合評價及應用

參考《海岸帶生態系統現狀調查與評估技術導則》提供的評估方法，應用單項指標因子的賦值方法、指標模型計算公式，以及各個層級指標/評價因子的權重值，可以構建相對全面的海洋生態系統預警評估模型。依此開展單項及綜合指標的計算，完成海洋生態狀況綜合評估。依據經驗或參考文獻確定各項評估指標預警閾值，如果動態計算的海洋生態狀況評估指標超出閾值，則根據系統預設等級，自動生成預警預報信息；依據預設的模板和通知渠道，由系統發送預警預報成果，方便相關部門提前做好應對措施。未來實踐過程評估模型、預警閾值根據實際驗證結果，可以進行適當的優化調整。

2.4 海洋生態數據駕駛艙

方案嘗試將數據駕駛艙應用于海洋生態預警監測綜合研判決策領域，設計方案包括：展示海洋生態“一張圖”成果，應用“一張圖”的專題成果、數據查詢、數據分析、圖表關聯等功能，充分獲取海洋生態數據信息；展示海洋生態系統監測業務化運行動態，如監測的項目總覽、匯交狀態、數據質量總控，以及數據融合生產的進展情況等各類統計數據；展示海洋生態分析評價成果，包括實時指標數據、歷史數據演變，預警預報信息，對于當前及未來預計超出生態安全閾值的數據以警戒方式展示，并在“一張圖”展示區域顯示其空間位置、預警性質、處置方式等信息。

本模塊設計應用大屏樣式實現，基于海洋三維時空數字平臺集中展示海洋生態調查監測匯集的各類基礎數據、專題數據及分析成果，提供多種數據預測分析模型，實現海洋生態問題輔助研判與決策。

3 結語

為了貫徹自然資源部對于海洋生態預警監測工作的理念，本文以廣東省為研究對象，提出了海洋生態預警監測評估平臺建設的總體方案與實現思路，目的在于全面摸清海洋生態系統家底，建立完善的海洋生態系統監測業務化體系，同時針對近海生態趨勢、典型生態系統，以及海洋生態災害建立整套的預警評價模型與應用體系。

平臺的建設必定是一個長期且艱巨的實現過程，限于篇幅，本文尚有諸多領域未有涉及，如：基于物聯網的海洋生態監測數據實時傳輸與數據動態更新處理、分布式數據存儲及集中調度管理、數據安全管控，以及海洋生態預測分析模型具體構建等內容，有待于未來研究與項目建設過程中進一步補充與完善。