我國草原信息化建設現狀及建設模式研究

羅俊強, 張瑞琪, 董世魁, 楊玨婕*, 李曉光

(1.國家林草局信息中心, 北京 100101; 2.北京林業大學, 北京 100091; 3.克勞沃(北京)生態科技有限公司, 北京 101318)

2022年4月19日,中央全面深化改革委員會第二十五次會議審議通過了《關于加強數字政府建設的指導意見》。習近平總書記在主持會議時強調,要全面貫徹網絡強國戰略,把數字技術廣泛應用于政府管理服務,推動政府數字化、智能化運行,為推進國家治理體系和治理能力現代化提供有力支撐。縱觀國內外草原領域信息化發展情況以及我國草原信息建設現狀,我國草原信息化建設迫在眉睫,急需從宏觀層面予以指導推動。一方面草原信息化建設需求迫切,草原信息化相關技術應用已經逐步成熟,并涌現了一些成功案例,可以說萬事俱備。但另一方面,我國草原信息化建設由于缺乏自上而下的推動指導,其建設應用目前還處于零散狀態,沒有形成統一建設、集約應用的良好局面,沒有發揮出信息化帶動引領草原保護建設管理現代化的應有效益,急需通過模式研究為草原信息化建設提供指導。

習近平總書記指出“沒有信息化,就沒有現代化”。信息化是推動新時期林業和草原事業高質量發展、實現林草治理體系和治理能力現代化的關鍵舉措。草原信息化是實現草原管理從傳統方式到現代高科技管理模式跨越的具體路徑,草原信息化建設能夠為地方政府在草原監督、建設和保護等方面的決策提供更及時、精準的服務,有力提升草原生態保護建設科學化、智能化水平,拓寬牧民信息獲取渠道,對實現草原現代化具有重要意義。目前,我國林業信息化建設已經取得顯著成果,在林業現代化建設中發揮了重要作用;但我國草原信息化建設較為落后,不利于新時期草原保護建設,也不利于林草融合發展,加快草原信息化建設刻不容緩。為提高草原信息化建設效率,避免走彎路,非常有必要按照習近平網絡強國戰略思想和數字政府指導意見精神,緊密結合我國草原保護建設實際,借鑒國內外成功經驗,研究建立我國草原信息化建設的技術框架,并提出相關政策建議,供草原管理人員和信息化建設者參考借鑒。

1 我國草原信息化建設現狀分析

1.1 我國草原信息化建設的需求分析

我國草原保護管理和牧區現代化,急需信息化支撐。首先,我國草原生態脆弱,保護壓力大,急需智慧化決策支撐。我國草原多分布在西部干旱、寒冷地區,草原生態非常容易受氣候等自然因素和放牧等人為因素影響,草原生態保護難度和壓力較大,急需運用大數據決策分析技術,科學制定草原生態保護方案[1-2],因地施策、分類保護,實現科學保護。其次,我國牧區地廣人稀,管理難度大,急需立體化監測管理[3]。北方草原和青藏高原牧區地廣人稀,有些甚至是無人區,傳統的人工巡查根本無法實現及時、有效和動態監管[4]。急需構建“天空地”一體化立體監控網絡,實現對草原資源的全面動態監控、精細化管理[5]。最后,牧區振興牧民增收,服務需求大,急需加強信息惠民。草原既是我國重要生態屏障,又是廣大牧民的家園和賴以生存的生產資料,在對草原實行全面有效保護的同時,也要對草原資源科學合理利用[6],為牧區鄉村振興做出應有貢獻。急需加大牧區信息惠民力度,運用信息化手段在電子商務、政務服務、科技支撐、產業開發等方面做好牧區民生服務,幫助農牧民利用好寶貴的草原資源,實現增收致富。

1.2 前沿信息技術在草原保護建設中的應用

當前,信息化浪潮席卷全球,以云計算、物聯網、移動互聯網、大數據、智慧技術等為代表的新一代信息技術已成為推動經濟社會發展的關鍵驅動力。國內外研究和實踐表明,新一代信息技術在草原管理決策、草原培育、草地資源管護和牧草加工利用等各個環節都有良好的應用前景,草原信息化建設技術已較為成熟[7]。如圖1所示,在草原管理決策環節,遙感、無人機、圖像處理技術可實現全量數據自動采集[8],大數據決策能輔助管理者評價當年草原植被的生長情況,計算草場牲畜承載量,智慧牧場管理平臺實現牲畜放牧全流程一體化智慧管理[9-10];在草原培育環節,利用衛星遙感、GIS、數據分析、視頻監控等技術[11],開展草原資源數量和質量監測、草原生態狀況監測、優良草種管理[12],為草原培育恢復提供智慧化方案,實現草原精準恢復[13];在草原放牧活動監管環節,運用生態監測、遠程監控、衛星遙感、無人機巡查等監測手段,逐步由被動的“人眼”識別監管向主動的“天眼”監測轉變[14],實現嚴格監管、合理利用,達到保護草原生態與提高草原經濟收益良性循環的目的。

圖1 前沿信息技術在草原保護建設中的應用概念圖Fig.1 Conceptual map of the frontier information technologies application in grassland protection construction

目前歐美澳等國家已經依托數字化管理技術,進入了草原監測管理的全面信息化階段。例如,澳大利亞合作牧地信息系統(Australian collaborative rangelands information system,ACRIS)和西澳大利亞草原監測系統(The western australian rangeland monitoring system,WARMS)是澳大利亞國家和地區級的草原生態環境和畜牧生產管理、監測和評估信息化平臺。美國的草原評價和監測信息化管理用是利用基于NCIC(National cartographic information center)景觀工具項目和OCS合作組織的研究內容開發的Wiki交互式工具指南。歐盟“地平線 2020”基金資助了Inno4Grass (https://inno4 grass. eu/en/)-歐洲草原可持續生產力的共享創新空間,該項目有愛爾蘭、德國、法國、荷蘭、瑞典、波蘭、意大利、比利時等8個國家,共59個組織機構參與,開展牧場中智慧牧場技術的架設和研究,為構建新型草牧業智慧生產實踐服務[15]。

1.3 我國草原信息化建設現狀及案例

近年來,國內已經有草原區地方政府、公司和涉草高校及科研單位開展了草原信息化建設及相關研究,取得一定成效,對推動草原保護建設和牧區現代化發揮了很大作用,這些成功案例為草原信息化建設打下良好的實踐基礎。

在地方政府層面,內蒙古自治區鄂托克旗和鄂托克前旗開展“數字草原”、“智慧牧場”、“智慧牧戶”和“互聯網+”牧場等建設應用,效益十分顯著,其中“數字草原”能夠實現草原精細化管理;“智慧牧場”讓草原畜牧業提質增效;“智慧牧戶”能讓牧民坐在家里放羊放牛,將農牧民從繁重的放牧勞作中解放出來;“互聯網+”牧場讓城里人也可坐擁一片牧場,“親眼”見證羊羔成長。青海海北州運用信息化手段開展草原監測管理,解決了青藏高原地廣人稀、自然條件艱苦環境下的草原監理難題[16-18]。遼寧省結合實地調查的草原GPS數據和草原屬性數據建立了遼寧省草原地理信息數據庫。通過綜合運用地理信息、數據庫和網絡信息技術,采用B/S輔以C/S架構,構建了包含遼寧省草原資源、屬性、工程、災害、監測、知識、文獻和報表等信息的遼寧省草原資源管理系統,為遼寧省草原管理提供了系統、高效、便捷和直觀的網絡信息交互平臺[19]。

科研院所和高校層面,北京林業大學草業與草原學院在內蒙古科右旗開展智慧牧區示范建設,基于物聯網技術對放牧信息進行收集與傳輸,利用數據傳輸技術實現自動監測平臺的建立,基于智慧草原放牧平臺通過放牧項圈、攝像頭實時觀測牛羊的放牧狀況,實現放牧的遠程控制和數據的實時傳輸,在草原信息化、智能化管理和草畜平衡智慧化決策方面開展了前沿探索與實踐。北京林業大學草業與草原學院遙感團隊,運用遙感等技術連續20年開展全國草原植被質量檢測,為全國草原保護建設提供技術保障。中國農業科學院草原研究所目前已經建成“星-空-地”一體化草原智能感知預警平臺,該平臺使用衛星遙感搭建而成,是在“星-空-地”一體化草地遙感智能感知體系支撐下,直接面向行業需求的智能化監測管理平臺。利用衛星監測,能夠實現草原干旱實時預警監測、草地生產力智能管理以及放牧家畜監管等多項核心業務的集成,可為我國草畜平衡業務化監管提供系統性的解決方案[20]。

公司層面,內蒙古自治區“蒙草”公司開展智慧草原建設,為草原生態修復、人工草地建設、草地畜牧業發展提供智慧化解決方案。

1.4 我國目前草原信息化建設面臨的問題

草原信息化是林草信息化的重要組成部分,加強草原信息化建設對于落實“生態優先、綜合治理、科學利用、創新發展”的新時期草原工作思路、協調推進林草信息化建設和高質量發展十分關鍵。但我國草原信息化無論是全國性的應用系統建設,還是地方上的信息化建設都十分落后。機構改革后,國家林草局對草原信息化建設情況進行了多次調研,結果表明我國草原信息化基本處于零敲碎打、急用臨建的狀態,缺乏戰略規劃、發展路徑不清,沒有形成體系化建設應用,沒有發揮出應有作用,成為林草信息化和現代化的短板。因此全面加快草原信息化意義重大、時不我待。鑒于全國草原信息化建設基礎整體較為薄弱、草原生態保護建設對信息化需求十分緊迫[21],非常有必要開展草原信息化建設技術框架研究,為草原信息化建設提供理論指導和政策建議,推動制定草原信息化建設頂層設計,提升草原信息化建設效率。

2 我國草原信息化建設模式研究

本研究立足草原保護建設和牧區生產活動對信息化建設需求,充分考慮草原牧區信息基礎設施情況和科技發展水平[22],遵循政務信息化建設基本技術架構,構建草原信息化建設技術框架,包括“四橫兩縱”的總體技術架構、“全周期”業務應用架構,如圖2所示。

我國草原信息化建設具體步驟包括:①總體架構建設:系統總體架構包括基礎層、數據層、應用層、用戶層以及統一的安全管理規范與統一的標準保障制度等;②物理架構建設:草原信息化建設的硬件基礎包括云服務中心、網絡設施、信息采集體系和人工智能四部分;③安全架構建設:包括管理級、網絡與硬件級、支撐軟件級、框架級、專業系統級5個級別;④數字化內容建設:包括智慧育種平臺、林草綠化平臺、草地培育平臺和生態修復管理平臺。

2.1 草原信息化管理展示平臺建設

草原信息化管理展示平臺建設是草原信息化建設成果集中管理與展示的窗口,可以分為內網管理平臺和外網展示平臺。其中,內網管理平臺是在草業信息化管理專網搭建的管理平臺,對政務服務和業務服務進行統一管理和分級應用;外網展示平臺是在互聯網搭建的展示平臺,可以提供商務服務和公共服務。

2.2 草原信息化集成應用建設

草原信息化集成應用建設是草原信息化建設服務的提供層,按需綜合集成應用相關信息系統,實現草原建設階段、管護階段、利用階段、決策服務等草原管理工作的全流程智慧化管理。

在草原建設階段,可以運用物聯網、北斗定位、射頻識別、二維碼、無人機、3D打印、關聯分析等技術,建設智慧育種平臺、林草綠化平臺、草地培育平臺、生態修復管理平臺,實現智能育種、人工草地科學綠化、草原精準撫育和智慧生態修復;在草原管護階段,基于“天空地”一體化物聯網感知體系,建設包括生態保護精準管護平臺、草地精細化管護平臺、草原“三防”管護平臺、智慧牧場平臺,實現草原資源數量及質量精準監管、多層次多手段草地資源精細化管理、草原災害預測預警、災前及時防治、災后科學評估、牧場智慧安防及民生服務、牧場最優經營方案制定[23];在草原利用階段,可以運用虛擬現實、穿戴設備、產品溯源等技術,建設包括智慧生態旅游管理平臺、草產業綜合服務平臺、草原科普宣傳服務平臺,打造景區“規劃+管理+服務”三位一體模式,推進草產業轉型升級,拓寬草產品銷售渠道,打造全媒體草原科普宣傳新模式[24];在決策階段,可以利用互聯網、移動互聯網、大數據、智能機器人、人臉識別等技術,建設智慧政務服務平臺、領導指揮決策平臺、草原信息發布平臺,實現政務智慧化運行,提高辦事效率,轉變決策方式,由經驗到數據決策,輿情實時監控,全媒體信息發布。

2.3 草原大數據建設

草原大數據建設是草原信息化建設的信息匯集和處理中樞。按照“集中式管理、分布式運行”的模式,將各類草原數據“邏輯上”集中分類管理,并為應用系統提供高效的數據處理、數據挖掘、智能決策、預測分析等。包括分布式大數據倉庫、時空數據管理平臺、遙感專題應用平臺、智能算法模型庫。

2.4 草原信息化基礎設施建設

草原信息化基礎設施建設是草原信息化建設的硬件基礎[25-27]。為草原信息化高效穩定的運營提供基礎運行環境,包括云服務中心、網絡設施、信息采集體系和人工智能四部分。

2.5 草原信息化標準規范體系和安全與綜合管理體系

草原信息化標準規范體系為草原信息化建設規定技術標準和運行規范,確保草原信息化建設在統一的標準和規范體系內實施,主要包括信息資源標準、應用標準和技術標準。

草原安全與綜合管理體系為草原信息化建設與運營提供安全和管理保障,包括安全體系、制度體系和評價體系。其中,安全體系包括物理安全、網絡安全、系統安全、應用安全、數據安全,確保信息的機密性、完整性、可用性、可控性和抗抵賴性,以及信息系統主體對信息資源的控制;制度體系包括建立科學、系統、安全的制度體系和考核機制,有效防控各類風險[28];評價體系旨在全面客觀掌握草原信息化建設情況及效益,將從整體性、重點性、層次性、準確性、可比性、可度量性、動態性等方面進行評價體系設計。

3 開展草原信息化建設效益分析

結合國內外草原信息化建設的經驗,建議以點面結合、建立數學模型等方式,全面分析開展草原信息化建設將產生的生態效益、社會效益、經濟效益和管理效益[29]。可以通過分析草原資源精準管理對生態功能的提升、智能預測預警草原災害對生態的及時保護、精細化管理草原生態修復工程對生態的科學修復來評估草原信息化建設的生態效益[30];通過分析智慧政務服務為行政管理提供智慧化管理服務、打造草原科普宣傳新模式對公眾生態保護意識的提升,以及將新一代信息技術與草產品生產加工、流通銷售環節等深度融合來增加農牧民收入來評估草原信息化建設的社會效益;通過分析集中建設減少重復投資和管理成本和草原管理自動化降低人力成本,評估草原信息化建設的經濟效益;通過分析智慧化管理提高管理效率智能化運行,以及提升管理的科學化、精準化、實時化,來評估草原信息化建設的管理效益。

4 結語

本文以習近平生態文明思想、網絡強國戰略為指南,以新時期我國草原保護建設方針和政務信息化建設精神為指引,緊緊圍繞推動草原保護建設現代化建設主題,聚焦草原信息化建設需求,深入研究國內外最新技術成果,緊密結合草原保護建設實際和林草融合發展方略,通過廣泛資料收集和文獻調研,對我國草原信息化建設發展現狀、案例分析等方面多維度研究,構建我國草原信息化建設模式。明確我國草原信息化建設體系、技術設施、技術和標準規范、安全保障措施等,為推動我國草原信息化建設提供理論依據和決策參考。