“互聯網+”智慧環保生態環境多元感知體系發展研究

劉文清，楊靖文，桂華僑，謝品華，劉銳，衛晉晉

（1. 中國科學院安徽光學精密機械研究所，合肥230031；2. 中科宇圖科技股份有限公司，北京100101）

一、前言

中國共產黨第十九次全國代表大會明確提出：加快生態文明體制建設，建設美麗中國。2016 年3 月，環境保護部印發了《生態環境大數據建設總體方案》。環境監測是環境保護工作的基礎，通過對生態環境的監測和分析，以定性或定量的數據，描述環境質量。隨著社會公眾對環境質量的要求越來越高，環境質量的數據從原來的“單一數據”向“環境全要素數據”方向轉變，監測范圍也從一個監測站，發展到一個城市、一個區域乃至全國。這就使智慧環保在環境多元感知領域有了廣闊的發展空間。環境信息多元感知能力的提升迫在眉睫，環境要素瞬息變化，監測任務日益繁重，不論是對監測的精度還是監測要素的種類，都提出了更高的要求。我國已有的自動監測站主要用于監測大氣環境和水環境的常規指標，監測的范圍和監測的指標都有待增加。我國需要加強具有業務化運行能力的服務平臺研發，水環境和大氣環境等自動監測設施的監測網絡需要進一步完善。

二、國內外生態環境多元感知技術的發展與現狀

（一）國外生態環境多元感知技術的發展與現狀

西方發達國家已經形成了比較完整的監測技術體系，在環境監測系統中，監測信息的傳輸、處理、共享、保存、信息化、網絡化、模型化、平臺化已經基本完成，一方面為全社會提供了基礎環境信息；另一方面，由于始終重視提高數據的綜合應用潛力（通過開發不同類型的模型）和基于監測數據開展環境質量評價（技術方法和指標體系），這些監測數據在環境管理中充分發揮了作用。這種環境監測技術體系不僅提高了管理部門的科學決策能力，使環境治理的投入有可能獲得最好的效益，也為國家或地區政府科學評估因制定或修改環境質量標準所要付出的經濟代價。

1. 區域環境質量監測、評價方法為環境管理奠定了技術基礎

歐美發達國家經過幾十年的努力，建立起了針對不同大氣環境問題的區域、國家乃至大洲尺度的空氣質量監測網絡。美國的環境空氣污染監測工作是由聯邦政府級的環境保護局（1970年成立）負責，全國有近萬個監測站。在紐約、芝加哥、洛杉磯和圣路易斯等城市已建立了比較精細的監測和數據遙測網。美國在20世紀80年代就發射了太陽同步軌道的極軌業務環境衛星（POES）和地球同步軌道的靜止業務環境衛星（GOES），用于提供全球天氣和環境狀況的定量數據。加拿大在大氣環境監測方面同樣投入了大量資金，尤其是對所有污染源進行定期監察，監察的頻率因污染風險、污染源規模和污染物毒性的大小而不同，獲取的信息通過空氣質量電子公告向公眾發布。日本的47個都道府縣都建立了自動化環境空氣監測局，并建設了兩類監測網：目標監測網和區域監測網，目標監測網監測已知污染源，區域監測網則監測某一區域周圍的大氣質量。

2. 高新技術應用為區域環境監測提供了技術手段

從20世紀中葉開始，全球范圍內的環境科學研究取得了迅速發展，國際上大型研究計劃都是把監測系統的建立放在首位，并積極發展新型的探測技術。近年來，傳感技術和計算機技術的突飛猛進更是增添了監測系統的可行性和穩定性。一個完整的大氣監測系統包括設備、模型和相關研究。目前國際上觀測大氣成分的網絡主要有：①歐洲氣溶膠雷達觀測網（EARLINET)：從2000年開始由歐盟委員會資助建立，由28個座落在15個歐洲國家的地面遙感站組成；②亞洲沙塵暴觀測網（AD-Net) ：2001年開始組建 ，主要目的是獲取通過在亞洲各地建立的Lidar站點，監測沙塵暴的3D或4D傳輸路徑；③BREDOM地基DOAS觀測網絡：由德國Bremen大學1991年開始組建BREDOM 網絡，主要用于衛星大氣成分產品數據的校驗；④美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國際NDACC（Network for the Detection of Atmospheric Composition Change）大氣成分變化探測網絡：由70多個高質量的地面觀測站組成，研究平流層和對流層的物理化學過程，評估大氣成分變化對全球氣候的影響；⑤微脈沖激光雷達觀測網（MPLNET)：美國國家航空航天局（NASA）為了實施“地球觀測系統”計劃而建立的地基微脈沖雷達觀測網。

3. 遙感技術在環境監測中的應用推動了環境質量綜合立體監測技術的發展

環境遙測技術的應用改變了傳統環境研究方法，并提供了一個全新的研究角度，克服了傳統環境研究中的諸多局限性。國外在建立完備的地面監測技術體系的同時，十分注重機載和衛星平臺上的遙感在環境監測中的應用，各國在環境監測方面都紛紛出臺相關計劃。歐洲太空局在2002年搭載ESA Envisat衛星SCIAMACHY大氣探測掃描差分吸收光譜系統，能夠以臨邊、天底和掩星三種幾何模式，測量氣壓、溫度、氣溶膠和云的總量與分布，并測量出大氣中O3、BrO、SO2、CH4、NO2、CO、CO2等十幾種氣體成分。環境管理更加依賴于網絡化的長期連續環境監測資料的積累和分析。從1960年美國發射TIROS氣象衛星以來，衛星遙感技術已在全世界得到廣泛的應用，其應用范圍已遍及氣象、農業、林業、環保、礦產、城市規劃等各個領域。總的看來，目前國際上星載的環境監測類的傳感器種類越來越多，包括針對特定環境對象（如大氣污染、臭氧等）的傳感器，如合成孔徑雷達、高光譜成像儀等，已在大氣、水、海洋等環境監測中進入實際應用階段[1]。

4. 環境變化研究推動了全球/區域環境監測體系的發展

自從1959年開始觀測大氣中的CO2變化以來，為了確認和預測各種主要溫室氣體的變化趨勢，世界各國相繼開展了大氣中溫室氣體濃度的觀測與研究，并且在全球范圍內建立了氣態污染物通量觀測網絡。近年來，一系列國際合作（IGBP、WCRP、IHDP、GCTE和LUCC等）的研究中都包含了陸地生態系統的長期觀測計劃。環境科技研究已進入以地球生態系統為對象的綜合集成研究階段，整體觀、系統觀和可持續發展觀的引導，通過學科間的交叉、滲透和綜合集成，為解決環境的復雜系統問題提供了途徑。

（二）國內生態環境多元感知技術的發展與現狀

目前，我國正處于與西方發達國家完全不同的發展階段，迅速發展的經濟和城市化進程，使區域整體環境質量下降。現在的環境污染形勢已經呈現出多污染物復雜作用、多類型排放、多過程耦合關聯的復雜污染體系。因此現有環境監測體系難以應對區域化復合型污染，滯后的環境監測技術制約環境保護水平的提高。

1. 自動化監測監管能力顯著提高

國務院于2005年12月發布的《關于落實科學發展觀加強環境保護的決定》明確提出要構建先進的環境監測體系，為此，要切實提高環境監測的技術支持能力，集中力量加強先進環境監測體系的建設，建立全面高效的環境質量監測網，包括從傳統常規監測擴展到污染全過程監測、從基于城市環境質量監測擴展到固定污染源和移動污染源的監測，從而對我國環境污染進行全面和系統的監控，并做到監測數據準確、傳輸及時、方法科學、代表性強。目前，我國基本形成了覆蓋主要典型區域的國家區域空氣質量監測網，全國338個地級及以上城市全部具備大氣細顆粒物六項指標的監測能力，區域空氣監測網覆蓋31個省市區，15個空氣背景監測網，440個酸沉降監測點構建的酸沉降監測網，沙塵天氣監測網也已經覆蓋北方14個省區，自動數據的時間分辨率越來越高，有效性不斷增強，新興監測手段如視頻監控、遙感監測等，不斷得到應用。在地表水監測方面，全國建設完成了一個地表水水質監測網，由2 703個地表水國控斷面監測點組成，地表水的監測水平得到了大幅提高。同時，建設了3.5萬個土壤環境質量監測點，向土壤自動監測及土壤大數據收集邁進了一大步，為開展土壤污染防治與監管工作奠定了重要基礎。

2. 高新技術手段趕超國際領先水平

在監測儀器發展方面，國內環境監測技術與儀器正逐漸向自動化、適用化、智能化和網絡化方向發展；技術指標向著更高精度、更多成分、更大尺度方向發展；監測規模正在向區域性、綜合性的立體監測方向發展。由地表地面監測向“天地一體化”監測發展；由物理光學儀表向多技術綜合應用的高技術先進儀器發展。在監測技術發展方面，我國已對環境噪聲、工業污染源、環境空氣、地表水、土壤、生物、生態、固體廢物等環境要素進行了監測技術研究，初步建立了科學的監測技術體系。但與歐美發達國家仍有較大差距，被列入優先污染物的一些指標還缺乏監測手段，如針對國家近期及中長期環境質量改善、污染物減排控制、環境變化對監測技術和儀器的重大需求等。在大氣灰霾自動在線監測技術方面，中國科學院安徽光學精密機械研究所（以下簡稱中科院安光所）研制的PM2.5質量濃度自動監測儀、大氣細粒子和臭氧時空探測激光雷達系統工程化樣機，部分技術指標達到國際先進水平[2]。2014年我國初步實現N2O5自由基的測量。2014年，中國香港理工大學聯合山東大學采用TD-CIMS裝置對香港城市區域大氣中的NO3和N2O5總量進行外場測量等。圖1是大氣細顆粒物在線監測關鍵技術圖，多技術綜合應用為PM2.5的監測和成因研究提供了更有效的數據。

3. 綜合立體監測技術不斷提高

20世紀80年代以來，我國的衛星及傳感器研制水平得到了迅速發展。2008年，我國首次發射了用于環境與災害監測的HJ-1A和HJ-1B兩顆衛星，攜帶了寬覆蓋多波段CCD相機、高光譜相機和紅外相機。2008年發射的風云3號FY-3A衛星，攜帶了紫外臭氧垂直探測儀和紫外臭氧總量探測儀。另外，將傳感器搭載在飛機、無人機、飛艇等的航空遙感平臺，相比衛星、地面遙感平臺，可以根據需求不同而更換傳感器，又可以兼顧快速、大面的優勢，并可以更加靈活地進入人力難以進入的區域開展遙感數據獲取工作。“天空地”一體化大氣環境監測系統，衛星、飛機、地面站點優勢互補，對大氣污染物進行監測有助于更加立體的對大氣污染的分布情況進行了解，實現精細化綜合監測[3]。中科院安光所研發的具有自主知識產權的機載大氣和水環境污染時空分布遙測以及原位快速監測機載系統，實現了對區域大氣環境多參數（如NO2、SO2、CO2和氣溶膠）的高時空分辨率監測，以及對水體浮游植物濃度分布的快速遙測，并在我國典型區域開展應用示范。中科院安光所自主研發的大氣環境綜合立體感知系統（探測SO2、NO2和O3的被動差分吸收光譜儀和探測CO2的傅立葉探測系統），結合網絡站點優化選取、高效安全的數據傳輸網絡技術，準業務化提供SO2、NO2和O3柱濃度，與污染傳輸模型相結合研究區域污染分布及擴散情況，開展中國空氣污染時空分布感知研究網絡示范[4]。

圖1 大氣細顆粒物在線監測關鍵技術圖

三、生態環境多元感知技術發展的機遇與挑戰

目前我國環境監測技術與儀器行業得到了長足發展，但還存在以下問題：環境監測設備國產化程度提高，但部分核心器件仍受制于人；盡管自動在線監測設備取得了重要突破，但高精端分析儀器仍由國外“一統天下”；相比于大氣環境監測設備發展迅速，水環境監測設備發展速度仍然緩慢，土壤環境監測設備尚未起步。主要國產氣、水、土環境監測儀器和設備自動化程度相對國外還處于較低水平，不能適應我國環境監測發展的需要，主要設備仍然依賴進口。具體體現在以下幾個方面。

（一）自動化、智能化高端監測技術裝備研發能力

不足

目前，我國使用的監測裝備多數依賴進口,尤其是智能化、自動化的高端設備。大氣自動監測設備大部分依賴進口，主要包括監測O3、細顆粒物、溫室氣體等的高精度測量儀器；在水自動監測設備中，主要是藻類自動監測、微生物和有機物等自動監測類設備依賴進口；實驗室設備的研發也處于剛剛起步階段，比如電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）、液相色譜–質譜聯用儀（LC-MS）、氣相色譜–質譜聯用儀（GC-MS）等；在應急監測設備中，便攜式氣相色譜儀、便攜式GC-MS等多數使用國外產品，僅有個別國內公司開始研制便攜式GC-MS。而且，與進口設備相比，國產儀器在精度、準確度方面仍然存在差距。此外，我國環境常規污染物監測模式不完善、監測體系不夠健全、痕量污染物監測裝備科技水平不高、生物監測裝備欠缺，這些問題都嚴重制約了國內環境多元感知能力的發展。因此要增加高技術監測儀器的研發投入，推動成套裝備技術突破及儀器的研制和產業化，努力解決制約監測發展的設備問題。

（二）多元污染物監測的高新技術研究缺乏

我國的環境污染日益復雜，多元污染物不斷出現。同時，隨著突發污染事故的頻發，我國在針對此類污染物的常規監測設備以及設備的耐用性和穩定性方面存在不足，針對特殊污染物的安全無接觸、快速檢測等方面的技術研發和應用依然存在較大缺陷。我國現有的環境監測技術及其標準體系不能匹配裝備發展、監測技術和監測隊伍技術水平的發展速度。技術規范、監測方法標準的更新速度不能滿足應對新型污染物、應急監測和生物毒性、生物監測等的技術發展需求。需要進一步加大對新型多元污染問題監測技術體系的研究，建立科學的技術規范、監測技術路線，不斷滿足環境管理的技術需求。

（三）“天空地”立體監測技術亟需加強

環境立體監測技術在大氣環境監測中得到了較廣泛的應用，在大氣污染物區域分布、時空變化、多元感知等方面已經發揮出不可替代的優勢，傳統監測手段獲取數據不具代表性，監測時間過短，方法單一。需加強大氣環境遙感監測技術設備開發，構建并完善以常規監測、自動監測為基礎，機載與星載遙感監測相結合的“天空地”一體化環境監測體系，利用地基、車載、機載及星載平臺等多元感知體系，實現對大氣痕量氣體、氣溶膠、溫室氣體、大氣風場、水汽、溫度等大氣多種成分和大氣參數的多尺度、多時相、多數據源的快速和實時探測。

（四）不斷推進環境監測技術集成化和信息化建設

雖然我國已經建立了一些大氣環境和水環境自動監測站點，并已初具規模，例如，已建立起約600套空氣自動監測系統，覆蓋重點環保城市，150 個地表水自動監測站系統覆蓋我國十大流域等，但其站點部署、覆蓋面積和管理規范尚不完善，不能更好地適應當前環境監管的需要。亟需在數據交換與共享、業務系統建設和應用、信息化跨界融合方面進一步加強，通過多元感知技術的研究，提高環境監測技術裝備信息化和集成化水平，滿足環境質量監管需要，提供更全面、更準確、更詳實的數據。

四、生態環境多元感知技術研究及平臺建設

（一）“互聯網+”大氣環境多元感知體系發展戰略

研究

黨中央、國務院高度重視大氣環境監測感知技術研究及發展，多次召開專題會議研究部署相關大氣環境的防治工作。多年來，科學技術部加強科研統籌、加大經費投入、加強科普宣傳、支撐區域聯防聯控，取得了一大批成果，有力推動了我國大氣環境多元感知技術的發展。“十三五”期間，將環境監測技術發展工作擺在科技創新總體布局中更加重要的位置，作為《“十三五”國家科技創新規劃》《“十三五”國家社會發展科技創新規劃》《“十三五”環境領域科技創新專項規劃》等相關規劃的重點內容進行部署。完善“互聯網+”大氣環境多元感知體系，準確、及時、全面地獲取大氣環境信息，客觀反映大氣環境質量及變化趨勢，準確預警各類潛在的環境問題，及時響應突發環境事件，及時跟蹤污染源變化情況，奠定大氣環境保護基礎，成為“互聯網+”智慧環保的重要支撐。

1. 提高國產環境空氣質量監測技術設備質量，準確感知空氣質量現狀

由于我國環境污染嚴重，監測系統建設較晚，我國大氣監測系統建設的進度更應該快馬加鞭，縮短周期。因此，我國在完成計劃的1 400余個PM2.5監測國控站點的建設外，未來應該部署更多的省控、市控及縣控監測點，建設更廣泛的區域環境空氣質量監測網，包括工業區監測、農村背景站、大氣背景監測網、道路周邊監測網等，同時帶來環境空氣監測行業的持續快速發展，這些設備的需求量大、重要性高，應作為首要任務來完成[5,6]。

2. 發展大氣氧化性、大氣新粒子監測、面向超低排放的污染源在線監測等高端技術設備，為環境科學研究提供可靠技術支撐

中國大氣污染物成因復雜，其中大氣復合污染來自于多種污染源排放的氣態和顆粒態一次污染物，以及在一系列的化學、物理過程中形成的二次細顆粒物和臭氧等二次污染物。加速推進高精尖技術和設備的自主研發（如大氣氧化性自由基和中間態組分測定技術、大氣新粒子測量技術、機載星載遙感測量監測技術、大氣污染及健康影響的預報預警技術等），這些高端技術和設備對完善大氣環境多元感知體系，全面監控大氣狀態尤為重要，圖2為中科院安光所自主研發的大氣HOx自由基測量系統。另外，超低排放將成為燃煤發電等行業的“新常態”。 發展面向超低排放的污染源在線監測等高端技術設備，全面加強污染源排放監測，已經成為檢驗大氣綜合治理效果、實現對重污染企業的監管和落實地方政府責任考核的依據[7]。

3. 加快發展空氣質量預報預警和應急技術，推進區域大氣污染聯防聯控工作

針對我國在突發性大氣污染事故應急中對污染物快速、精準識別的需求，亟需攻克突發事故現場復雜背景下光譜探測與解析、污染氣團分布及排放通量快速獲取等關鍵技術，集成突發大氣污染事故的立體走航監測平臺[8]，為事故處理決策部門快速、準確地提供引起事故發生及所產生的污染氣體類別、濃度分布、影響范圍及發展態勢等現場動態資料信息。《大氣污染防治行動計劃》（“大氣十條”）提出，推進建立區域聯防聯控機制，對各省（區、市）實行目標責任考核體系。將重污染天氣納入地方政府突發事件應急管理，并根據大氣污染狀況采取重污染企業限產限排、采取機動車限行等措施。針對這些問題，“天空地”一體化的多元感知平臺建設研究迫在眉睫，通過加快發展空氣質量預報預警和應急技術，利用“互聯網+”大氣環境多元感知系統的區域大氣污染環境立體監測技術，利用生態環境大數據綜合管理平臺推進區域大氣污染聯防聯控工作[9]。圖3 為大氣環境綜合立體監測技術圖譜。

圖2 基于FAGE技術的大氣HOx自由基測量系統

圖3 大氣環境綜合立體監測技術圖譜

（二）“互聯網+”水環境多元感知體系發展戰略研究

2015年4月，國務院印發《水污染防治行動計劃》（“水十條”），提出我國中長期水環境治理目標，到2020年實現嚴重污染水體大幅減少，飲用水安全保障水平持續提升，嚴格控制地下水超采現象，初步遏制地下水污染加劇趨勢，近海岸水環境穩中趨好，京津冀、珠江三角洲、長江三角洲等區域水生態環境狀況有所好轉，全國水環境質量得到階段性改善。完善“互聯網+”水環境多元感知體系，及時、準確、全面地獲取水環境信息，客觀反映水環境質量和變化趨勢，加強廢水排放監管，實現全面的在線水污染物自動檢測，使全國水環境質量總體改善，是水環境保護的基礎，是“互聯網+”智慧環保的重要支撐。

1. 完善飲用水源地環境質量監測指標和技術體系，實現水環境感知網絡全覆蓋

飲用水源地與人民生活密切相關，對飲用水源地開展環境質量監測至關重要。目前，地表水水源地監測項目共61 項，并統計取水量，按要求應統計《地表水環境質量標準》中的109 項，但相應的監測技術體系尚不完善。另外，目前水環境質量監測網的監測項目主要是常規指標，圖4為中科院安光所自主研發的水體重金屬在線監測系統[10]，缺少生物監測指標。國內的水生生物監測仍有待提高，僅有部分地區有能力開展該項工作。

2. 加強長期自動化在線監測能力和污染源排放監管力度

不斷升級現有國家重點監控的污水處理廠和廢水排放企業需要的排污監控能力，根據住房和城鄉建設部頒布的《城鎮污水排入排水管網許可管理辦法》，2015年1月起被列入名錄的重點監測企業，必須安裝在線水污染物自動檢測設備，這樣能有效對水體污染物進行監測和預警，在一定程度上能夠減少或避免重大水體污染事件的爆發，有利于保護水質安全，保障人民群眾的生命安全與健康。

3. 延伸“互聯網+”水環境感知網絡的觸角，發展地下水原位監測技術，建立完備的國家地下水監測網絡

目前，環保系統還沒有建立完備的國家地下水環境質量監測網。環境保護部發布的《全國地下水污染防治規劃》，要求加快建立國控以及省控地下水原位監測系統，因而地下水監測技術產業也需大力推進，同時也亟需自主研發的地方水監測技術產品，以滿足地下水原位監測市場的廣泛需求，以形成完備的地下水環境監測質量網，滿足國家對地下水環境質量的監測要求。

圖4 水體重金屬在線監測系統

（三）“互聯網+”土壤環境多元感知體系發展戰略研究

2016年5月，國務院印發《土壤污染防治行動計劃》（以下簡稱《計劃》），《計劃》提出土壤中長期治理目標，到2020年實現基本保障農用地和建設用地土壤安全，對土壤環境風險實施管控，初步遏制全國土壤污染加重趨勢，保持土壤環境質量總體穩定。大力發展“互聯網+”土壤環境多元感知體系，在線、實時、全面地獲取土壤環境信息，客觀反映土壤環境質量和變化趨勢，加強廢水排放監管，實現全面的土壤立體聯網檢測技術，通過測土配方施肥，使全國土壤環境質量總體改善，是“互聯網+”智慧環保的重要支撐。

1.土壤重金屬快速、自動感知技術發展，利用“互聯網+”土壤環境多元感知體系全面開展土壤污染調查

《計劃》明確提出在現有相關調查的基礎上，深入開展環境質量調查，通過對土壤污染進行全面調查，能夠為法律、法規以及方針政策的制定與實施提供參考，也是評判土壤環境質量與治理結果的必要途徑，發展土壤重金屬快速在線監測技術具有重要意義，基于此，對發展土壤重金屬便攜式、現場監測式儀器提出了迫切需求。2015年國務院辦公廳在《關于加快轉變農業發展方式的意見》中也提出，要深入實施測土配方施肥，擴大配方肥使用范圍。測土配方施肥是提高化肥利用率的重要前提，目前測土配方施肥仍以化學試劑法為主，檢測的營養元素種類少、速度慢，因此迫切需要發展土壤養分快速在線監測技術與儀器，圖5為中科院安光所研制的土壤重金屬檢測系統，可有效提高測土配方施肥的效率，降低檢測時間與成本，從而有效推廣測土配方施肥的應用，切實降低化肥的使用量[11]。

2. 發展區域土壤環境立體和聯網監測技術，構建土壤環境治理體系

《計劃》指出重點在土壤污染風險管控、源頭預防、治理與修復等方面進行探索，力爭到2020年先行區土壤環境質量得到明顯提升。目前我國缺少土壤立體監測技術，無法掌握污染物在土壤中的時空分布，缺乏能夠同時檢測土壤中重金屬、有機污染物，對土壤污染狀況進行總體評估的儀器系統，也缺乏能夠進行土壤污染遙測的儀器等，要解決這些問題，亟需開展土壤綜合污染監測平臺，構建土壤環境質量監測與治理體系。

3. “互聯網+”智慧環保多元感知體系發展戰略研究

通過物理、生物、光學等多方面跨界融合，搭建多元感知體系，全面邁向“感知環境、智慧環保”的新興環保模式，開發快速、靈敏、連續、自動監測技術和設備，以及污染物快速有效的檢測技術和設備，發展重污染天氣和突發環境污染事件預報預警和應急技術，逐步提高重大環境污染事故監測和應急處理的業務運行能力。我國主要環境監測設備和治理設備產業技術水平和制造水平接近國際知名企業水平，并推出一系列具有自主知識產權的環保設備產品，且在實踐中實現大規模應用。“互聯網+”智慧環保將成為增進人民福祉的切實可行的戰略方針。

圖5 土壤重金屬檢測系統

圖6 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（左）和模型照片（右）

（四）發展生態環境監測技術，全面建設生態環境監測網絡

生態環境監測是生態環境保護的基礎，是生態文明建設的重要支撐。2010年環境保護部印發的《全國農村環境監測工作指導意見》、2014年國務院印發的《國務院辦公廳關于改善農村人居環境的指導意見》以及2015年提出的“水十條”中都提出了要大力開展村莊環境整治，重點治理農村垃圾和污水。農村垃圾中含有大量有毒有機物、重金屬等，垃圾的堆積會帶來土壤、水體的嚴重污染，所以在進行農村環境監測時，需要對農村區域的土壤、水體以及空氣進行全方位的監測，此時需要多種監測儀器的聯合使用及監測數據的聯合對比分析，不能割裂農村區域水污染與土壤污染之間的關系。同時農村的畜牧養殖業也會污染水源、空氣等，對養殖部門進行監測也對現有的環境監測儀器提出了挑戰[12]。

1.發展微型化、智能化環境監測傳感器，實現多介質環境參數的全面感知與精細化管理

在國家“信息強環保”戰略的指引下，信息化已成為推動環境管理模式轉型創新，提升環境管理精細化水平的重要手段。物聯網、云計算等新一代信息技術的突破發展，為環保信息化建設注入了新的活力，中國的環保信息化建設正處于由“數字環保”向“智慧環保”全面推進的新時期。

2.發展低成本環境遙感技術設備與平臺，形成全球環境多要素立體監測網絡

在全球化的背景下，準確掌握全球環境多要素立體分布特征顯得尤為重要。圖6 為中科院安光所研制的星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和模型照片。利用航天航空飛行器（衛星、平流層飛艇和飛機等）和地面各類平臺所攜載的光電儀器對人類生存所及的地球環境進行監測，將有助于對地球空間環境及其運動變化規律的研究。

3.突破分子層次的快速環境監測技術，提高環境污染機理認知能力

由于環境污染的時空多變性、化學成分的復雜性，以及人們對于環境污染機理認知的不足，污染物對氣候的直接和間接影響目前仍然處于一個較低的認知水平，是全球環境變化數值模擬和預測中最不確定的因子之一。從分子層次解決環境污染問題至關重要，將大大改進現有環境預測模型的精度，對促進環境科學的研究和解決人類面臨的環境問題具有重要意義。

4.完善支持環境變化的在線監測技術與平臺

環境問題日益國際化，環境保護工作已經與國家的權益以及外交密不可分。我國要掌握環境監測的主動權，在維護國家的權益和外交活動中爭取更多的發言權，擴大在國際上的影響，不斷提高我國的環境外交能力。

5.推進環境、氣象、交通及科研監測數據融合共享，充分發掘“大數據”的作用和潛力

為推進環境、氣象、交通及科研監測數據融合共享，通過實踐建立多元數據獲取的運行規范和共享機制，實現各級監測數據系統互聯共享，實現全面信息化、不斷提升監測預報預警和保障水平，監測與監管協同聯動，初步建成天地一體、陸海統籌、信息共享、上下協同的環境監測網絡。

針對國家環境質量改善、污染物減排控制、環境變化對監測技術和設備的需求，建成高精度、立體化、多尺度的環境污染監測技術體系，完善污染物監測及信息發布系統，形成覆蓋主要生態要素的“互聯網+”智慧環保生態環境多元感知體系，實現生態環境數據互聯互通和開放共享，解決環境保護信息資源公開、數據深層次開發利用、推動創新環保服務模式等重大科技問題，促進信息技術與環境管理業務的深度融合，推動環境管理制度創新，推進生態環境治理體系建設和治理能力現代化。

[1] Gro? S, Tesche M, Freudenthaler V, et al. Character ization of Saharan dust, marine aerosols and mixtures of biomass-burning aerosolsand dust by means of multi-wavelength depolar iza tion and Raman Lidar measurements during SAMUM [J]. Tellus Series B-Chemical & Physical Meteorology, 2011, 63(4): 706–724.

[2] 劉建國,桂華僑,謝品華,等.大氣灰霾監測技術研究進展 [J].大氣與環境光學學報, 2015, 10(2): 93–101.Liu J G, Gui H Q, Xie P H, et al. Recent progress of atmospheric haze monitoring technology [J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2015, 10(2): 93–101.

[3] 劉文清,陳臻懿,劉建國,等.中國大氣環境光學探測研究 [J].遙感學報, 2016, 20(5): 724–732.Liu W Q, Chen Z Y, Liu J G, et al. Research progress on optical observations foratmospheric environment in China [J]. Journal of Remote Sensing, 2016, 20(5): 724–732.

[4] 徐晉, 謝品華, 司福祺, 等. 機載多軸差分吸收光譜技術獲取對流層NO2垂直柱濃度的研究 [J]. 物理學報, 2012, 61(2): 282–288.Xu J, Xie P H, Si F Q, et al. Determination of tropospheric NO2by airborne multi axis differential optical absorption spectroscopy [J].Acta Physica Sinica, 2012, 61(2): 282–288.

[5] 王楊, 李昂, 謝品華, 等. 多軸差分吸收光譜技術測量NO2對流層垂直分布及垂直柱濃度 [J]. 物理學報, 2013, 62(60): 476–477.Wang Y, Li A, Xie P H, et al. Measuring tropospheric vertical distribution and vertical column density of NO2by multi-axis differentialoptical absorption spectroscopy [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62(60): 476–477.

[6] 王楊, Thomas W, 李昂, 等. 多軸差分吸收光譜技術的云和氣溶膠類型鑒別方法研究 [J].物理學報, 2014, 63(11): 1–13.Wang Y, Thomas W, Li A, et al. Research of classification of cloud and aerosol using multi-axis differential optical absorption spectroscopy [J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(11): 1–13.

[7] 朱國梁,胡仁志, 謝品華, 等. 基于差分光學吸收光譜方法的OH自由基定標系統研究? [J]. 物理學報, 2015, 64(8): 80703(1)–080703(6).Zhu G L, Hu R Z, Xie P H, et al. Calibration system for OH radicals based on differential optical absorption sp ectroscopy [J].Acta Physica Sinica, 2015, 64(8): 80703(1)–080703(6).

[8] 劉文清,陳臻懿,劉建國, 等.我國大氣環境立體監測技術及應用 [J].科學通報, 2016, 61(30): 3196–3207.Liu W Q, Chen Z Y, Liu J G, et al. Stereoscopic monitoring technology and appcications for the atmospheric environment in China [J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(30): 3196–3207.

[9] Liu W Q, Chen Z Y, Liu J G, et al. Stereoscopic monitoring technology and applications for the atmospheric environment in China [J]. Chinese Science Bulletin, 2016, 61(30): 3196–3207.

[10] 劉文清,陳臻懿,劉建國, 等.環境污染與環境安全在線監測技術進展 [J].大氣與環境光學學報, 2015, 10(2): 82–92.Liu W Q, Chen Z Y, Liu J G, et al. On-line monitoring technology and applications for air pollution and environmental safety [J].Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2015, 10(2):82–92.

[11] Vodinh T. Transportable laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS) instrument for field-based soil analysis [J]. SPIE, 1996,2835: 190–200.

[12] Chen Z Y, Liu W Q, Heese B, et al. Aerosol optical properties observed by combined Raman-elastic backscatter lidar in winter 2009 in Pearl River Delta, south China [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2014, 119(5): 2496–2510.