物联网技术在中国对虾种质资源保护区建设与管理中的应用设想

    李妍　许祝华

    

    

    1绪论

    1.1物联网技术

    物联网是利用互联网把控制器、传感器、人和物等联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。这是美国麻省理工学院在1999年最先提出的概念。随后，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，进一步明确了物联网的定义是传感技术、射频识别技术、智能芯片嵌入技术三位一体，在物体与物体之间实现信息交换和共享。近年来，卫星通讯等长距离通讯技术得到快速发展，信息从有线传输向无线传输发展，这使在海洋领域应用物联网技术成为可能。物联网技术为构建数字化、智能化、自动化海洋与渔业提供了技术支撑。

    1.2物联网在农牧业中的应用

    2009年，欧洲智能系统集成技术平台提交了物联网研究发展报告，将“农业和养殖业物联网”作为最重要的发展方向之一。此外，还将农业物联网分为三个层次：信息感知层、信息传输层和信息应用层。信息感知层由各种传感器节点组成，通过先进传感器技术，获取多种支持过程精细化管理的参数，如土壤肥力、作物苗情长势，动物个体产能、健康、行为等信息。在信息传输层中，传感器将各类数据通过有线或无线方式，向局域网、广域网发布。信息应用系统对数据进行融合、处理后用于制定科学的管理决策，对农业生产过程进行控制。

    1.3保护区概况

    海州湾主要分布在江苏省连云港市沿岸，湾口北起山东省日照市岚山镇的佛手咀（35°05′55″N，119°21′53″E），南到江苏省连云港市连云港区的高公岛（34°45′25″N，119″29′45″E），面临黄海，宽42 km，岸线长86.6 km。海湾面积876.39km2，其中0 m以深面积687.9 km2，5 m以深面积340.67 km2，10 m以深面积63.01 km2。保护区的主要保护对象为中国对虾。2007年12月，经农业部批准，成立海州湾中国对虾国家级水产种质资源保护区（见图1、图2）。

    1.3.1保护区管理处工作开展情况 2009年3月连云港市人民政府批准成立了海州湾中国对虾国家级水产种质资源保护区管理处。近年来，建设和管理工作得到了逐步推进。基础设施建设：设置保护区概况标牌、界碑、界桩、指示牌、浮标等。建设海州湾海上管护平台，配备相关的交通、通讯、监控和巡护设备，包括全球定位仪（GPS）、双筒望远镜、海上远程监控系统、水质在线自动监测仪、跟踪监测车等。开展保护区定期和不定期巡航执法：联合市海监支队完成岸线巡查任务，为海监执法提供确凿的数据支持；针对盗采海砂、伏季休渔、重点用海工程开展日常监管，作为重要的违法信息来源，及时将联动系统上报的疑点疑区信息通报市海监支队、渔政支队等有关部门，实现违法事件、突发情况的及时处理。

    1.3.2保护区建设管理中面临的主要矛盾和问题尽管保护区建设和管理取得了一定的成效，但从总体上看，保护区的建设标准、发展水平和管理能力还比较低，未能实现对保护区的有效管理。三方面矛盾比较突出：

    一是任务艰巨和手段薄弱的矛盾。长期以来由于不加管理，酷捕滥采，致使有限的海珍品资源遭到严重破坏。中国对虾的捕捞产量从20世纪80年代以来，产量锐减。虽然进行了人工鱼礁、人工放流等资源养护措施，但是生态修复和种质资源保护仍然任重而道远。而保护区要充分履行职责，必须具备必要的机构、人员、装备和工作经费。但是考察保护区管理处的现状，还有许多不足之处：一、管理机构不健全。目前，保护区管理处与连云港市海域使用保护动态管理中心合署办公，增挂一块牌子，缺乏专职人员，机构设置中缺乏渔政执法、科研、监测和宣传教育等部门。二是保护区管理经费有限。保护区与陆地上的保护区不同，对基础设施、科研水平要求相对来说要高很多。资金是保护区工作开展以及正常运行的首要保证。资金投入不足将会直接影响到保护区日常工作的展开。

    二是管理目标和实现手段的矛盾。《保护区规划》中保护区管理的指导思想为合理规划、强化保护、科学管理。而作为管理的依据的法律法规，尚未出台。日常主要依据《中华人民共和国渔业法》《水产资源保护区管理暂行办法》《海洋自然保护区管理办法》等进行保护区的管理工作。保护区建立的重要目标任务之一是提供开展保护区的环境监测。目前，保护区已建成200 m2海上平台，主要进行保护区动态监视监测，偏向于用海工程。海洋环境的监测依托于连云港市海洋环境监测中心，也只是局限于对排污口和基础水文监测。总体而言，保护区的环境监测工作长期裹足不前。受经费、人员、装备所限，保护区巡视也未常态化。日常巡护需要大量的人力，而管理处实际在岗工作人员20人，除去后勤、女职工，实际可能出海巡护的人员非常有限。目前，只局限在有限的几个监测点的动态监视监测和与海监、渔政的联合执法，未形成巡视工作的常规化、常态化和规范化。

    三是经济发展和生态保护的矛盾。目前，包括“30万吨级航道工程”、赣榆港区前期工程、徐圩港区前期工程等在内的几个国家、省、市重点工程都在临近保护区的区域，如何在保护海洋生态和种质资源的前提下促进经济发展还是一个长期的课题。

    2物联网技术在保护区管理中的应用

    2.1中国对虾资源监控

    管理处制定规范性文件、确定发展规划、管理目标、管理范围及权限必须准确把握保护区内的海洋渔业的资源状况。利用物联网技术可以在保护区管辖范围内和周边沿海大陆架水域和寒暖流交汇水域布置环境参数传感器、实时图像采集器，组成数据传输网络，通过检测保护区管辖范围和临近海域水体温度、盐度、溶解氧含量、浮游生物种类等环境数据、处理后得出渔业生物生长状况，为管理处和上级海洋渔业管理部门提供实时海洋渔业资源状况信息。

    一直以来，保护区资源调查采用的一般方法为：潜水员水下摄影、捕捞、人工取样等，存在准确性差、不能实时监控资源变动情况等问题。应用物联网技术，以上问题迎刃而解。

    根据中国对虾分布区域和物种特点，设置调查站位，通过对中国对虾资源海上动态监测调查，了解中国对虾增殖资源的数量变动与生长、迁移规律跟踪监测。

    2.1.1站位设置 根据中国对虾的分布、洄游、繁殖和生长分布区域和物种特点，确定其调查范围为海洲湾人工鱼礁区、海洲湾中国对虾保护区以及中国对虾增殖放流周边水域，共布设11个站位，位置如图3。

    2.1.2调查方法 在各站位设置水下红外线计数器，在中国对虾洄游期、繁殖期、重点污染期加密监控。并结合当地群众拖网渔船进行底拖网调查。

    2.1.3样品分析 中国对虾及其主要经济生物的渔获量，测定其体长、体重、雌雄比、性腺成熟度、胃饱满度等生物特性。

    2.1.4数据分析 物种相对重要性指数采用Pinkas模式，从各种类在数量、重量中所占比例和出现频率3个方面进行综合评价，判断其在种群中的重要程度，即：

    N为在数量中所占的比例，W为在重量中所占的比例，F为出现频率。

    物种丰富度指数采用Margalef模式，即：

    D为物种丰富度指数，S为种类数，N为总尾数。

    物种多样度指数采用Shannon-Wiener模式，即：

    H为物种多样度指数，Pi为i种鱼的群落中所占的比例。

    2.2保护区内海洋环境监测

    面向海洋环境保护、海洋环境监测预报、海洋生态系统健康评价等管理需求，构建保护区的海洋环境监测与管理系统，为保护区管理部门及时关注、处理、分析海洋环境状况提供依据，为海洋环境保护提供数据支撑和决策支持。

    2.2.1排污口监测 综合应用在线监测技术、GIS技术和网络传输技术，实现对人海排污口和河口监测数据的实时采集、传输、存储、分析和发布，及时准确掌握污染物排放的流量、浓度、特征污染因子等信息，并对超标实现实时预警，为排污口达标排放和总量控制管理提供数据支撑。

    2.2.2水文监测 通过自动环境监测设备实现保护区气象、水文、水质的实时监测，监测指标包括风速、风向、水位（潮汐）、pH值、溶解氧、水温等。利用网络技术使管理人员能从电子显示屏上直观了解监测水域内的气象、水文、水质等实时数据，同时具备自动报警及统计分析等功能。

    2.2.3海洋生态健康评价 利用海洋环境监测数据，采用时空关联数据挖掘方法，进行海洋生物质量分析、营养盐时空分布规律分析、重金属沉降转移规律分析等海洋专题分析；通过构建生态系统健康评价指标体系和评价模型，从物理化学属性、生态学属性、社会经济属性等方面全面评价保护区生态系统健康情况；根据历年海洋环境监测数据，可分析保护区生态系统健康情况的发展态势和演变趋势，为加强海洋生态环境保护与管理提供决策依据。

    2.3人为因子监控

    2004年12月农业部出台《水产苗种管理办法》规定：“我国有计划地搜集、整理、鉴定、保护、保存和合理利用水产种质资源。禁止任何单位和个人侵占和破坏水产种质资源。该办法规定，未经农业部批准，任何单位或者个人不得在水产种质资源保护区从事捕捞活动。建设项目对水产种质资源产生不利影响的，依照《中华人民共和国渔业法》第三十五条的规定处理。”依照该管理办法，管理处应当加强对保护区的人为因子监控。

    在保护区范围选取12点监控点，架设高清探头，对该海域发生用海行为进行动态监视监测，在管理处指挥中心建设视频监控平台，将现场图像实时传输到指挥中心，实现对保护区的相关活动实施动态监控。

    2.4物联网技术在保护区海洋生态修复中的应用

    海州湾海洋生态修复中对于物联网技术的应用主要体现在三个方面，其一是海洋环境与鱼群活动信息的实时在线监测与数据传输，运用物联网技术可以实现海洋监测技术的测量参数综合化、系统模块化、数据传输实时化、监测服务一体化，便于科学决策和管理。其二，在人工鱼礁建设中引入物联网技术，可以实现“制作——运输——投放——维护”一体化管理。其三可以将物联网技术与绿色海珍品生产和销售紧密集合，打造优质特色品牌。具体说明如下：

    人工鱼礁建设中应用物联网技术。利用二维码技术将制作完成的人工鱼礁进行编码标记，实现从制作——运输——海上投放的全程监管。通过二维码把礁体类型、投放的经纬度、投放的时间等信息记录并录入数据库，便于日后查询和管理。

    绿色海珍品生产销售的应用。物联网技术绿色水产品溯源追踪以及打造品牌效应上，与人工鱼礁制作编码类似，可以将海州湾生态修复区内，出产的高品质野生海珍品采捕之后打上二维码标记，可以实现从采捕——运输——市场——餐桌的一条龙追踪服务，对于塑造品牌效应贡献巨大。

    物联网技术在海洋环境和生物信息获取中的应用。建立控制中心，建立起修复海域设置海洋环境、海洋气象、鱼群动态监测和海况信息服务系统，以岛礁、海上平台等为依托，建立信息服务基站，便于海上监测浮标监测信息的传输以及与对监测设备运行状况实施监控。每天发布海况和气象信息。

    2.5建立保护区海洋生态信息库（种质资源库）

    建立海州湾生态共享信息数据库，定期对海州湾海岸带生境基础资料进行收集和整理，东海区和黄海区的科研机构也可以编辑获取信息。基础数据库是海洋信息传输与交换的枢纽，包括基础地理空间数据库和专题数据库，以满足保护区数字化管理与服务信息系统对数据的需求。

    2.5.1保护区地理信息空间数据库 包括基础地理信息，包括行政区划图、地形图、遥感影像等，生态环境调查数据，社会经济调查数据；开发地理信息服务平台，支持空间和属性信息的检索、交互式浏览、分析评估、历史数据的动态展示和专题图制作及输出；与监测监视设备集成，实现监视监测信息与地理空间信息的高度整合与深化应用。

    2.5.2保护区海域环境数据库 海洋环境子数据库包括海洋动力环境、海洋环境质量、海洋环境动态监测、海洋生物和生态、海洋地质地球物理、海洋工程等海洋环境专题数据。

    2.5.3保护区生态修复项目数据库 包括海洋保护区数据、生态敏感区数据、重大生态修复项目数据等专题数据，以及海洋渔业项目数据。

    2.5.4保护区海洋信息数据库 海洋信息子数据库包括历史时期的海底地形数据、海岸线变迁数据、海洋资源数据、海洋人文地理数据、海洋管理数据等各类海洋专题数据。

    2.5.5建立海洋人才专家库 存储各个专家的姓名、工作单位、研究领域、联系方式等信息，以便为海洋管理决策提供咨询、服务。

    3对策和建议

    3.1针对保护区管辖范围开展动态监视

    利用海域动态监测与管理系统充分利用海域使用动态监视监测中心软硬件和传输网络设备，将已有海域使用动态监视监测管理系统纳入“保护区”信息基础框架中，并保留与海域使用动态监视监测管理系统进行数据传输与交换的接口，实现海域使用动态监视监测业务管理。

    3.2开展资源本底调查，建立海洋生态资源动态变化模型

    保护区资源的本底调查与评价是开展保护区管理工作的基础和常态内容。本底调查内容包括：海洋生物资源、海岸带空间资源、滨海旅游资源；开展保护区资源开发利用状况、生态适宜度评价。分析现有海洋生态资源修复与保护手段、效果与不足（如江苏省海洋牧场示范区建设、海洋保护区建设、海岸线整治、海洋灾害预警预报系统建设、滩涂湿地环境整治与生态开发示范工程建设等），明确海州湾生态修复的目标定位，筛选建立评价海洋生态资源修复效果的指标评价体系，在海州湾生态资源本底调查和评价的基础上，结合实际，分析、整合、提高，建立更加科学、有效、系统的基于生态系统的海州湾生态资源修复与保护体系。通过年度调查数据，综合考虑各种生态资源的影响因子，进行分类，建立基础数据库，并实时更新，定量化描述各生态因子的生态过程及相互关系，阐明生态机制、规律与趋势，利用数学、物理、化学公式及互联网技术、数据库技术等手段建立海洋生态资源动态模型，立体、实时、可视、系统化展示海州湾生态系统，由此推演相关结论，为科学决策提供模型参考依据。

    3.3基础设施建设保障

    加强包括海域动态监视监测系统、海洋卫星数据节点和无人机基地等基础设施建设。建议购置固定式保护区专用无线视频监控系统，提升管理处动态监视监测能力，避免原始人工巡视监察的局限，实现保护区实时监控的数字化、科学化、全时化、智能化，减少日常维护所带来的高成本的多难题的问题。与国家海洋局国家卫星海洋应用中心对接，建设连云港市建立海洋卫星数据接收站，接收国家海洋卫星实时发送的数据，进一步提升保护区对海洋管理、海洋环境监测以及海洋风暴潮、赤潮等海洋灾害的预警预报的能力。应加快建设无人机基地建设，包括基地指挥中心（实现数据现场快速采集、处理、卫星传输）、培训中心（用于无人机的操手、图像处理的相关业务培训）、无人机机场、无人机展示馆等，为海域海岛使用保护日常监视监管工作提供技术手段，对海域重大突发事件提供应急测绘保障。

    3.4设立保护区管理专项资金

    建立保护区专项资金，专款专用，充分满足保护区的基础建设、机构设置和日常管理的需要。还应积极拓展资金来源，引人民间资本，广泛吸纳社会资金，投人生态环境保护与建设。建立生态补偿机制，临近保护区的重点用海项目的资源补偿资金应全部用于保护区的管理、科研和宣传教育等工作，以解决投入不足的问题。

    3.5人才培养

    保护区的建设和管理，在很大程度上取决于管理人员的素质。目前，保护区管理处的工作人员现状为专业背景不一、技术能力参差不齐，专业人员所占比例少。针对这一情况，应该大力加强人才引进和培养，通过积极参加各类相关培训班、鼓励在职人员参加自学和函授学习、加强与各高校和相关科研院交流合作等措施，提高管理人员的业务素质和各项技能。