生態環境大數據支持下的環境管理信息系統教學改革探索

宋俊年 楊巍

摘? ?要：生態環境大數據技術的發展為“環境管理信息系統”內容的豐富與方法技術的革新提供了重要支撐。文章基于生態環境大數據技術對環境信息進行拓展，引入生態環境大數據的框架及技術體系，通過案例分析向學生介紹生態環境大數據平臺的開發與構建，并通過實踐教學著重培養學生專題環境管理信息系統的設計能力。“環境管理信息系統”教學內容及方法的改革，不僅可以豐富學生知識和技術儲備，同時可以提升學生分析、設計與實踐能力。

關鍵詞：生態環境大數據;環境管理信息系統;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1002-4107（2020）09-0001-02

“環境管理信息系統”作為高等學校環境科學專業環境規劃與管理方向的必修課，在向學生介紹環境管理時空信息的收集、處理、分析、利用和展示，培養學生專題環境管理信息系統的設計與開發能力等方面具有重要作用。同時作為應用類專業課程，需要及時跟進環境管理業務的需求和變化。目前環境管理信息系統要求具備業務集成化、數據多元化、數據處理技術系統化、應用多樣化等特點[1]。因此，需要集成多學科的基礎理論和技術。大數據技術近年來的發展為生態環境數據采集、處理和應用的集成提供了可能[2]。大數據是一種大規模數據管理與利用模式和技術平臺的泛指。2016年原環境保護部發布了《生態環境大數據建設總體方案》，提出利用大數據技術提升我國生態環境監管與決策能力[3]。生態環境大數據近年來已經成功應用到部分環境管理業務中，推動了環境管理的快速發展[4]。因此，急需引入生態環境大數據對“環境管理信息系統”進行改革，從內容、方法和案例等方面進行拓展，為我國環境管理信息系統實踐業務的人才儲備提供支持。

一、“環境管理信息系統”課程內容框架的構建

基于生態環境大數據對原有環境信息、環境信息系統的組成、環境信息系統的開發和環境信息系統工程案例等內容進行升級和豐富?，F代環境管理業務需要多來源、多時空尺度、多類型的環境信息和相關的非環境信息。所以該課程首先要針對各類環境問題的信息獲取和處理進行講解;其次用生態環境大數據的內容和框架體系替換原環境信息系統的組成;然后講解生態環境大數據平臺的開發與構建;最后介紹已運行的生態環境大數據平臺的架構、特點和功能等?！碍h境管理信息系統”是一門理論與上機實踐相結合的課程，所以要針對具體生態環境問題的生態環境大數據框架進行上機實踐設計。

二、環境信息的拓展

遙感技術、實時監測技術和地理信息系統技術的發展和完善，為獲取多尺度、多類型和連續性數據提供了保障。因此，本課程要針對不同類別環境管理業務的數據需求進行拓展。主要介紹地面監測數據（如水質、大氣污染監測、噪聲監測、土壤監測等數據）、地理信息數據（土地利用、數字高程、流域邊界、道路等數據）、遙感數據（植被指數、葉綠素指數等）、與環境相關的社會統計數據（如能源消費、工業生產、畜禽養殖等數據）以及其他必要的輔助數據。詳解各類數據的獲取機構和組織、獲取平臺（設備）、數據類型、數據產品、數據時空分辨率、數據存儲要求等。

三、生態環境大數據的內涵與框架

雖然該課程原“環境信息系統的組成”部分講解了數據獲取、分析、挖掘和可視化，但是對數據類型、數據管理、數據處理和應用的講解不深入、不全面。因此，將生態環境大數據引入，對該部分內容進行升級。介紹生態環境大數據的內涵，即利用數據庫、機理模型、數據分析系統、圖像處理與可視化技術等，獲取有價值的實時信息和決策支持信息。該課程將生態環境大數據技術框架體系分解為：數據采集技術、數據處理技術、數據管理技術、數據分析技術和數據展示技術。

（一）數據采集技術

針對不同的環境管理業務需求，開展各類型數據需求分析工作，尋找數據源，確定數據內容和要求。如大尺度自然空間（國家公園）管理需要遙感數據，因此要確定合適的遙感數據產品（傳感器波段設置和時空分辨率），從遙感產品中提取土地利用/覆被類型和植被指數等數據。該課程給學生分配各類型數據的采集任務，并將數據采集的成果進行PPT匯報，加深學生對此部分內容的認識和理解。

（二）數據處理技術

該課程數據處理技術主要指數據的預處理。講解通過遺漏數據處理、噪聲數據處理和不一致數據處理方式對環境信息進行預處理。然后根據數據獲取的時間屬性，分別介紹離線數據處理方法、實時數據處理方法和動態數據整合方法。

（三）數據管理技術

數據管理主要是指數據的存儲和管理。數據的存儲與管理要求系統必須具有較高的穩定性、較強的兼容性、可拓展性和較高的安全性等。數據存儲的核心是數據庫，本門課程主要講解目前應用較廣的關系型數據庫和分布式數據庫，為后續數據庫構建的上機實踐奠定理論基礎。

（四）數據分析技術

主要介紹數據的多維查詢、多元統計分析、模型模擬分析、預測分析、智能算法和數據挖掘等技術。因各部分內容較多，受課時限制，此部分只能介紹各類技術的機理和框架。其中，人工智能技術的發展便將相關智能算法和數據挖掘技術集成到大數據平臺成為可能，此部分主要以案例向學生介紹，以便獲取較好的教學效果。

（五）數據展示技術

隨著環境管理業務的公開化，相關環境信息不僅要向環境管理人員展示，同時也要提供給公眾和媒體。這就要求信息的展示需要兼顧專業性和通俗性。因此本門課程不僅要介紹傳統普通圖表的展示技術，還要補充專題圖展示技術、多維圖表展示技術和空間三維展示技術[5]?，F在環境管理業務越來越注重動態信息展示，因此將時空動態模擬與展示技術（如全國大氣SO2 濃度時空分布展示與預測）作為重點進行講解[6]。以上多樣化的展示技術更利于數據和成果的傳達和理解。

四、生態環境大數據平臺的開發與實例介紹

在這門課程中除了向學生介紹構建生態環境大數據平臺所需要的技術體系外，還需要介紹參與平臺建設的部門和科研機構、任務分工和合作模式等。在標準規范體系和信息安全體系框架下，講解生態環境大數據平臺下設的三個分平臺（生態大數據應用平臺、管理平臺和環保云平臺）的設立目的和功能。為了提高學生對生態環境大數據應用的認識，案例教學是本門課程的重要教學手段。重點介紹生態環境大數據技術在動態監測、模擬與預測和優化決策等方面的應用案例，如北京大學研發的霾預報大數據平臺、江蘇省生態環境大數據平臺、平原水庫健康系統預警[7]，環境監測與氣象監測大數據平臺和廣州城市生活垃圾治理平臺[8-9]。

五、上機實踐設計

上機實踐設計主要參考本門課程的教學目的、課時和學生專業。考慮到本門課程是給環境科學專業學生開設的專業課，復雜的編程任務不適合本門課程，建立一個生態環境大數據平臺也不現實。本門課程上機實驗的主要目標是培養學生專題環境管理信息系統的設計能力。因此，上機實驗以小組形式開展，五位學生一組，每組學生自選一個環境問題（任課教師提前選取好的環境問題）。首先，利用環境項目周期管理方法對環境問題進行分析，設計針對環境問題的環境管理信息系統。然后，將環境管理信息系統的任務進行拆解和組內分配：一人負責研究確定數據需求，進行數據的采集與預處理，為后續建立數據庫提供類型豐富的數據支持;一人負責關系型數據庫的構建與測試;基于生態環境大數據技術，兩人負責系統查詢、分析、模擬、預測等功能模塊的編程（只完成各功能模塊的架構編程即可）;一人負責各類數據和分析模擬結果的多樣化展示。最后，小組成員共同協作生成一個可運行的環境管理信息系統應用程序，并進行管理系統運行展示，向同學們介紹該系統建立的目的、功能和不足。

六、結論

基于生態環境大數據對“環境管理信息系統”課程進行改革，使學生們了解大數據的發展提升了環境管理信息系統的便利性、時效性、集成性、精確度、動態性和全過程監管能力等。同時掌握生態環境大數據的內涵、框架和技術體系，讓學生們了解到最新的知識和技術。通過介紹生態環境大數據平臺構建案例，使學生深入了解生態環境大數據在環境管理業務方面發揮的重要作用。最終培養學生具備如何針對具體環境問題設計和構建對應環境管理信息系統的能力，為今后環境管理科研和工作奠定重要基礎。

參考文獻：

[1]常杪，馮雁，郭培坤，等.環境大數據概念、特征及在環境管理中的應用[J].中國環境管理，2015，（6）.

[2]熊麗君，袁明珠，吳建強.大數據技術在生態環境領域的應用綜述[J].生態環境學報，2019，（12）.

[3]蔣洪強，盧亞靈，周思，等.生態環境大數據研究與應用進展[J].中國環境管理，2019，（6）.

[4]汪自書，胡迪.我國環境管理新進展及環境大數據技術應用展望[J].中國環境管理，2018，（5）.

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[6]武裝，覃愛明.基于大數據的空氣質量數據可視化[J].中外企業家，2015，（3）.

[7]岳強，劉福勝，刁艷芳.大數據環境下平原水庫健康系統預警實證研究[J].應用基礎與工程科學學報，2017，（5）.

[8]張麗艷，郭玲.構建環境監測與氣象監測大數據平臺，實現重污染天氣的預報預警[J].中國資源綜合利用，2019，（5）.

[9]孔云茹.基于大數據的廣州城市生活垃圾治理研究[D].廣州：華南理工大學，2018.

[責任編輯? 包玉紅]