論信息技術在環(huán)境保護中的應用

（長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410004）

環(huán)境問題是人類在經濟發(fā)展中面臨的亟待解決的重大問題，近年來引起了社會的高度關注，人類也越來越認識到了環(huán)境保護的重要性。當前，隨著科學技術的高速發(fā)展，信息技術已經深入到社會的各行各業(yè)，并起到了積極的作用。大力推進信息技術在環(huán)境保護中的應用是環(huán)保事業(yè)的一項任務，我國環(huán)境信息化工作起步于20世紀80年代，到目前為此，也取得了一定成績，比如已經建立了各級環(huán)境信息機構，信息機構得到了完善；建立了全國各級環(huán)保局的廣域網系統(tǒng)，信息網絡基礎設施基本上得到了一定的保障；開發(fā)了“污染源監(jiān)控、環(huán)境質量監(jiān)控”等一系列業(yè)務應用系統(tǒng)，業(yè)務應用上基本上覆蓋了環(huán)境保護工作的各個環(huán)節(jié)；同時還制定并頒布了一系列規(guī)劃指導文件例如“十五、十一五國家環(huán)境信息化建設規(guī)劃”，“金環(huán)工程”、“數字環(huán)保”的提出使得環(huán)境信息化發(fā)展在總體規(guī)劃上有了方向。在“大數據”時代到來的今天，充分利用信息化技術手段，并將其深入應用到環(huán)境保護的研究與應用當中去，是今后一段時間環(huán)境信息化發(fā)展的必然趨勢，信息技術與環(huán)境保護必然會得到深入融合。

1 環(huán)境保護相關信息技術

1.1 物聯網技術

美國麻省理工學院于1999年率先提出“萬物皆可通過網絡互聯”并闡明了物聯網的基本含義[1]，溫家寶總理于2009年提出建設“感知中國”中心，并于2009年11月在無錫市成立了中國物聯網研發(fā)中心。國際電信聯盟給物聯網的定義是通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯網的架構可以分為三層，即感知層、網絡層、應用層，感知層主要實現對“物”的識別，網絡層主要實現對感知層獲取的信息的傳輸，應用層主要是與相關行業(yè)應用的融合。

物聯網技術應用在環(huán)境保護中可以追溯到1997年的環(huán)境保護部的環(huán)境監(jiān)理信息系統(tǒng)[2]，通過在重點排污單位安裝自動監(jiān)測傳感設備例如酸堿度測定儀等環(huán)境傳感器設備，并且將這些傳感設備采集到的數據通過GPRS、無線傳感網、衛(wèi)星等網絡自動傳送到監(jiān)控中心，再由各級監(jiān)控中心通過環(huán)保專用廣域網組成國家、省、市三級監(jiān)控中心，目前已經對超過12665家企業(yè)實施了自動監(jiān)控，對環(huán)境監(jiān)測與防范的效果是不言而喻的。2013年無錫市建成“感知環(huán)境智慧環(huán)保”環(huán)境監(jiān)控中心，并應用了國際最前沿物聯網技術，能實現聲、水、氣各項指標24小時全方位監(jiān)測，并可通過智能信息發(fā)布系統(tǒng)實現多源信息的實時發(fā)布。總體來說，物聯網技術在環(huán)境保護中的應用研究仍處于起步階段，還面臨著諸多亟待解決的問題，感應端和應用端研究環(huán)節(jié)較為薄弱，技術標準還須跟上國際步伐。

1.2 3S技術

3S技術是地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）、遙感技術（Remote sensing，RS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）的總稱。其中，GIS可以對空間信息進行分析和處理，能把地圖視覺效果和地理分析功能與一般數據庫操作集成在一起，從而能夠很好的管理和分析各種環(huán)境空間地理信息；RS是通過遙感器等儀器，在遠離目標物體條件下探測并獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，同時進行提取、處理、分析與應用的一門技術；GPS導航系統(tǒng)則是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統(tǒng)。三種技術在應用上擁有各自的優(yōu)勢和特點，將RS、GPS和GIS技術結合起來可實現對各種空間和環(huán)境信息進行準確、快速、靈活的處理、收集和更新[3]。

環(huán)境保護是3S技術應用的重要領域，通過RS技術可監(jiān)測大氣中主要污染物及顆粒大小和分布區(qū)域，還可以對水體污染以及城市生態(tài)環(huán)境污染等進行數據收集并采樣，結合GPS即可獲取帶有坐標的詳細的定位數據信息，從而可實現對環(huán)境信息的精確采集，再利用GIS強大的空間數據信息的處理和綜合分析能力，將獲取到的帶有定位信息的環(huán)境實況信息進行分析，實現對環(huán)境保護中環(huán)境數據的實時監(jiān)測、區(qū)域環(huán)境質量的評價、環(huán)境預警以及為環(huán)境保護提供決策性支持[4]。在國外，例如美國、德國等已經在上世紀90年代建立了以3S技術為基礎的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。瑞典隆德大學的Jonas Ard于1997年利用3S技術對受到嚴重污染的Krusne Hory山區(qū)進行了研究，分析了森林的破壞與海拔、坡向及與點污染源距離的關系，為環(huán)境監(jiān)測提供了依據[3]。我國在九五期間已將3S技術列入了國家重大項目，同時也取得了一定的成績。在由中科宇圖天下科技公司研發(fā)的放射源監(jiān)控管理系統(tǒng)中，已經將“3S”技術和射頻標簽技術應用于放射源監(jiān)控領域，并成功應用到了焦作市、張家口市、濟源市的放射源監(jiān)控中，且取得良好的效果。

1.3 數據挖掘與數據倉庫技術

數據挖掘就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據中提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程[5]。數據倉庫概念由創(chuàng)始人WilliamInmon 博士提出[6]，他認為：“一個數據倉庫通常是一個面向主題的、集成的、隨時間變化的、但信息本身相對穩(wěn)定的數據集合，它用于對管理決策過程的支持。”數據挖掘通常由三部分組成，即數據準備、數據挖掘、結果表達和解釋。數據準備階段就是從相關的數據源中選取所需的數據并整合成可用于數據挖掘的數據集，即數據倉庫；數據挖掘階段就是用某種算法將數據倉庫中隱含的規(guī)律找出來；結果表達階段就是盡可能以用戶可理解的方式（如可視化）將找出的規(guī)律表示出來。

隨著3S技術在環(huán)境保護中的不斷應用，將會積累大量的豐富的環(huán)境空間信息數據，這些數據信息會隨著時間的變化而變得越來越重要，而不是簡單的歷史數據，將這些數據進行分析前的相關處理形成數據倉庫，再利用數據挖掘技術比如通過聚類分析建立預測模型；利用機器學習方式可以對環(huán)境污染指數進行預測；通過相關與決策樹分析等可以對污染因子進行比較從而可以為確定污染源提供決策。相關實際應用例如：蔣志方利用資源分配神經網絡和隱結點相關性剪枝方法，建立了一個空氣質量預測模型[7]；同時在國內外的許多空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)中也利用了基于機器學習和關聯規(guī)則的時空數據挖掘技術實現對污染指數和空間污染物分布情況進行預測[8]。

2 對信息化技術在環(huán)境保護中應用的建議

環(huán)境信息化的發(fā)展是一個系統(tǒng)的發(fā)展過程，只有在政策、體制、人才、技術等因素的相互配合下，才能推進環(huán)境信息化有序、健康的發(fā)展，近些年，我國在探索環(huán)境信息化發(fā)展的道路上，所做的努力和取得的成績是有目共睹的，但也仍將有許多問題需要面對，筆者針對發(fā)現的問題提出了以下幾方面建議：

2.1 探索校企合作，加強環(huán)境信息人才培養(yǎng)，促進環(huán)境信息技術產業(yè)化，為自主創(chuàng)新提供源動力

環(huán)境信息化是信息技術與環(huán)境領域的深入融合，發(fā)展離不開創(chuàng)新，創(chuàng)新需要有人才，環(huán)境信息化的發(fā)展需要有既懂信息技術又懂環(huán)境專業(yè)的跨學科人才隊伍，這樣才能更好的促進信息技術在環(huán)境保護中的應用。筆者通過網絡對當前高校內專業(yè)及研究所情況進行的調查發(fā)現，本科院校暫未設置環(huán)境信息技術相關專業(yè)，專科類院校僅有中國環(huán)境干部學院、長沙環(huán)境保護學院開設了環(huán)境信息技術專業(yè)。目前建立了環(huán)境信息技術相關研究所的機構有：西北工業(yè)大學資源與環(huán)境信息化工程研究所、大連海事大學環(huán)境信息研究所、青島科技大學生態(tài)與農業(yè)信息化研究所、嘉應學院資源環(huán)境信息系統(tǒng)研究所、安徽農業(yè)大學資源環(huán)境與信息技術研究所。人才隊伍的培養(yǎng)很大程度上是依靠各高等院校開設相應的專業(yè)。因此，可以考慮在相關專本科學校開設環(huán)境信息化技術相關專業(yè)或者是在環(huán)境類專業(yè)開設相關信息技術與環(huán)境保護結合的相關課程，以提高同學們對環(huán)境信息化的研究積極性，同時還可以在相關院校或環(huán)保企業(yè)成立環(huán)境信息技術研究所，使環(huán)境信息人才的培養(yǎng)得到保障，自主創(chuàng)新能力才有突破。同時，從事環(huán)境信息技術相關的環(huán)保企業(yè)具有前沿技術優(yōu)勢，可以加強高校及研究所與企業(yè)的合作，走產學研結合的道路，形成環(huán)境信息技術產業(yè)鏈，真正實現環(huán)境信息技術健康可持續(xù)發(fā)展。

2.2 提高 3S技術一體化、集成化程度，保證數據獲取精確、實時、穩(wěn)定，優(yōu)化并挖掘環(huán)境空間信息數據庫

3S技術在環(huán)境保護中的應用具有廣闊空間和發(fā)展前景，特別是在環(huán)境監(jiān)測方面具有其它技術無可比擬的技術優(yōu)勢，它可以使人們連續(xù)不斷的獲取地球表層和環(huán)境相關的空間信息流。

（1）加強對環(huán)境遙感設備的改進和關鍵技術如成像雷達、成像光譜儀等的突破，提高其數據采集的精度和穩(wěn)定性，并能適應不同環(huán)境條件下對不同環(huán)境監(jiān)測要求的數據采集，研發(fā)配套軟件，提高自主創(chuàng)新能力。

（2）研究并充分利用現有數據通信網絡高速度、高帶寬的特點，確保數據采集信息有效、快速、穩(wěn)定的傳輸。提高3S技術一體化程度，實現多維信息獲取與實時處理，并能建成新型的地面三維信息和地理編碼影像，實現實時獲取與處理，形成快速、高精度的信息處理流程。

（3）加大數據挖掘技術在環(huán)境保護中的應用，規(guī)范完善數據標準，建立環(huán)境空間信息數據倉庫。加強統(tǒng)計分類、神經網絡、模糊技術和專家系統(tǒng)等數據挖掘技術在遙感數據信息處理中的應用。

2.3 努力應用新技術，推進“數字環(huán)保”向“智慧環(huán)保”的轉變

物聯網技術來勢迅猛，應用廣，發(fā)展快，但由于其技術標準尚未統(tǒng)一，相關配套措施尚未完善，目前還仍處于初級階段。因此，如何抓住機遇，積極推進物聯網應用于環(huán)境保護，促進“數字環(huán)保”向“智慧環(huán)保”的轉變是環(huán)境信息化發(fā)展的必經之路。“智慧環(huán)保”[9]就是在原有數字環(huán)保的基礎上，借助物聯網技術，把感應器和裝備嵌入到各種環(huán)境監(jiān)控對象中，通過計算機將環(huán)保領域物聯網整合起來，實現人類社會與環(huán)境業(yè)務系統(tǒng)的整合，以更加精細和動態(tài)的方式實現環(huán)境管理和決策的“智慧”。在感知層，環(huán)境傳感器技術是關鍵，大部分技術由國外引進，亟需加強對傳感器設備的自主研發(fā)，促進設備接口標準的統(tǒng)一。在網絡層，要充分利用現有通信技術高速度、大容量、高可靠性的特點，促進云計算技術、新一代網絡、無線網絡等新技術在智慧環(huán)保中的應用。在應用層，需要整合現有應用系統(tǒng)資源，提高業(yè)務系統(tǒng)之間的數據共享力度，并合理規(guī)劃未來系統(tǒng)的開發(fā)。

3 小結

信息技術的出現使人類的生產生活方式得到了根本性的轉變，信息技術已經成為了支撐當今經濟活動和社會生活的基石。深入推進環(huán)境信息化是全球信息化發(fā)展的客觀要求，促進數字環(huán)保向智慧環(huán)保的轉變是環(huán)境信息化未來發(fā)展的方向，而數據處理和知識發(fā)現能力也將是影響“智慧”的一個重要因素，3S技術在今后一段時間仍將是信息技術在環(huán)境應用領域中的一大熱點。信息領域技術發(fā)展日新月異，這也將為環(huán)境信息化的發(fā)展提供了有力的支撐，相信我國環(huán)境信息化的發(fā)展在國家政策的大力支持下，必定會取得新的突破，必定會推動環(huán)境保護事業(yè)的科學化發(fā)展。

[1]衛(wèi)菊紅.物聯網技術發(fā)展及應用研究進展[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(12):50-54.

[2]譚麗,夏駱輝.物聯網助推環(huán)境監(jiān)測信息化[J].世界電信,2010,(11):70-73.

[3]馬莉,宋慶.3S集成技術研究現狀的綜述[J].資源環(huán)境與發(fā)展,2009,(02):32-49.

[4]吳小華.3S技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用[J].低碳世界,2013,(14):192-193.

[5]雷蕾,秦俠,姚小麗等.數據挖掘技術在環(huán)境科學中的應用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2006,(6):8-10.

[6]賴小平.淺論數據倉庫技術[J].網絡與信息,2009,(8):32-33.

[7]蔣志方,王德明,杜曉亮等.基于結構優(yōu)化的 RAN 城市環(huán)境空氣質量預測模型[J].山東大學學報(工學版),2010,40(6):1-7,87.

[8]尹琦明.試論時空數據挖掘在環(huán)境保護中的應用[J].科協論壇(下半月),2013,(6):140-141.

[9]徐敏,孫海林.從“數字環(huán)保”到“智慧環(huán)保”[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術,2011,23(4):5-7.