生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的概念、框架和應(yīng)用

孫興順 王云峰 王新東

摘要：生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)在生態(tài)監(jiān)測、分析和治理的一種應(yīng)用，克服了傳統(tǒng)信息化中數(shù)據(jù)規(guī)模、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算能力的不足問題，在未來的研究中，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步挖掘其他信息科技在生態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用，發(fā)揮信息科技之間的協(xié)同作用，加強(qiáng)多平臺(tái)的大數(shù)據(jù)口徑、系統(tǒng)和協(xié)作機(jī)制的對接，發(fā)展成全國融合的生態(tài)大數(shù)據(jù)體系，打破生態(tài)大數(shù)據(jù)孤島問題，成為世界上的生態(tài)大數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)先國家。

關(guān)鍵詞：生態(tài)大數(shù)據(jù);環(huán)境監(jiān)測;技術(shù)應(yīng)用

引言

一直以來，生活環(huán)境數(shù)據(jù)具有無序性和孤立性特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)信息化時(shí)代下生活環(huán)境監(jiān)測難度較大，數(shù)據(jù)規(guī)模和算法能力有限，生態(tài)數(shù)據(jù)無法支持管理決策。而通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成的龐大數(shù)據(jù)來源，借助云端系統(tǒng)的高頻實(shí)時(shí)測算，促使生態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變?yōu)橐?guī)模大、類型廣、處理速度快和真實(shí)準(zhǔn)確性強(qiáng)的大數(shù)據(jù)，成為生態(tài)治理的重要技術(shù)手段。

一、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)概述

（一）涉及領(lǐng)域多

生態(tài)大數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)種類較多，因?yàn)樽匀唤绲默F(xiàn)象是十分復(fù)雜的，況且現(xiàn)有的人類科學(xué)也無法做到認(rèn)知到所有的自然生態(tài)屬性，所以生態(tài)大數(shù)據(jù)規(guī)模和種類依賴于智能設(shè)備來采集和處理。目前，生態(tài)大數(shù)據(jù)主要有氣象、水利、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通等領(lǐng)域，同時(shí)，由于社會(huì)公眾對環(huán)境治理問題的密切關(guān)注，促使生態(tài)大數(shù)據(jù)概念拓寬到了網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域。于是，在廣義上，生態(tài)數(shù)據(jù)還包括社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)抓取數(shù)據(jù)，這分別需要數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)站、論壇、APP等途徑來收集，這些數(shù)據(jù)涉及到生態(tài)環(huán)境問題的輿情監(jiān)測。

（二）復(fù)雜性較高

生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集復(fù)雜性較高，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)十分繁多，有價(jià)值的信息卻是有限的。半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是不統(tǒng)一的，生態(tài)環(huán)境不同部門的同類數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也會(huì)不同，特別是數(shù)據(jù)傳感工具的不一致，數(shù)據(jù)來源組織的共享程度差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集成處理出現(xiàn)困難。所以，我國需要智能系統(tǒng)來感知、表達(dá)、理解和計(jì)算生態(tài)大數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算平臺(tái)完成數(shù)據(jù)清洗、建模、導(dǎo)出與可視化，成為人為決策的數(shù)據(jù)依據(jù)，比如排放清單建立、環(huán)境治理預(yù)測、最優(yōu)減排政策。

（三）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)

現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)處理服務(wù)基本是通過云端完成，云端硬件設(shè)備處在機(jī)柜中心基地，支持高頻計(jì)算量。生態(tài)大數(shù)據(jù)則具有較高的時(shí)空異質(zhì)性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是連續(xù)觀測的流式數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)硬件計(jì)算機(jī)是無法承受如此龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算。我國2014-2019年間互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（IDC）行業(yè)規(guī)模增長穩(wěn)健，加上有政府采購的結(jié)構(gòu)性需求拉動(dòng)，可以判斷該行業(yè)面臨政企需求雙重拉動(dòng)的利好，行業(yè)規(guī)模增長的可持續(xù)性較強(qiáng)，所以動(dòng)態(tài)歷史數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)都能通過云端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，挖掘出有用信息來提供決策。

二、生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)框架

（一）遙感采集技術(shù)

在各類數(shù)據(jù)采集工具中，遙感技術(shù)是最具代表性的技術(shù)，這分為全球衛(wèi)星遙感和地面監(jiān)測遙感，這兩種氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由35000個(gè)以上的氣象站點(diǎn)組成，總共涵蓋了百余種數(shù)據(jù)來源，常見的數(shù)據(jù)有濕度、裸土、地表、地形、土壤、水質(zhì)、空氣、降水等。目前，生態(tài)環(huán)境部已經(jīng)開始重點(diǎn)建設(shè)生態(tài)遙感大數(shù)據(jù)，加強(qiáng)RFID、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)芯片、等遙感技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，開展全天候的大數(shù)據(jù)監(jiān)測。

（二）云端處理技術(shù)

目前，生態(tài)大數(shù)據(jù)處理方式流程主要分成四大系統(tǒng)，分別是存儲(chǔ)管理、預(yù)處理、深入處理和整合挖掘系統(tǒng)，不同系統(tǒng)有大數(shù)據(jù)處理的職能特性。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以優(yōu)化生態(tài)大數(shù)據(jù)的處理速度，并在云端集成生態(tài)統(tǒng)計(jì)分析軟件功能，可以實(shí)時(shí)為研究人員提供監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)，將原本標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)處理和計(jì)算流程交由平臺(tái)運(yùn)算，研究人員只需要作出關(guān)鍵的人為判斷和決策。

三、生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用

（一）在生態(tài)監(jiān)測評價(jià)中的應(yīng)用

在生態(tài)監(jiān)測評價(jià)領(lǐng)域中，在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理是常見的應(yīng)用形式，通過大數(shù)據(jù)來延長生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測時(shí)期，并整合多個(gè)數(shù)據(jù)源平臺(tái)的整合與交換。生態(tài)大數(shù)據(jù)可以集成我國多個(gè)地區(qū)的環(huán)境污染數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)分析的集中化處理，并根據(jù)網(wǎng)格化監(jiān)控和云端計(jì)算來整合環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，構(gòu)成環(huán)境監(jiān)測評價(jià)的全景化格局。在大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)的支持下，由IDC機(jī)柜來集中處理數(shù)據(jù)計(jì)算，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸挘岣吡吮O(jiān)測評價(jià)的速度和效率。在我國氣象信息綜合分析系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)支持研究人員在生態(tài)大數(shù)據(jù)庫中抽取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，并利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)來支持可視化，為環(huán)保決策提供抽取和快速可視化診斷解決方案。

（二）在模擬預(yù)測中的應(yīng)用

在大數(shù)據(jù)技術(shù)賦能生態(tài)環(huán)境建模后，可以建立科學(xué)性的生態(tài)污染預(yù)警體系，借助區(qū)域特裝、空間屬性和時(shí)間序列數(shù)據(jù)，還能精準(zhǔn)模擬生態(tài)環(huán)境的演化。在大氣模擬預(yù)測上，我國生態(tài)環(huán)境部門已經(jīng)推出了大氣污染物時(shí)空分布的模擬預(yù)測模型，可以利用空氣質(zhì)量、交通流、道理結(jié)構(gòu)、氣象條件等數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來完成機(jī)器學(xué)習(xí)，完成高精度空氣質(zhì)量預(yù)測。在水環(huán)境模擬預(yù)測方面，大數(shù)據(jù)可以構(gòu)建區(qū)域水環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)警體系，預(yù)測區(qū)域水質(zhì)指標(biāo)和水污染事故，這也在三峽水庫、長江水利、渤海海域等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。

（三）在污染管理中的應(yīng)用

生態(tài)大數(shù)據(jù)發(fā)展的最終目的是生態(tài)環(huán)境污染的控制，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于水污染和大氣污染管理領(lǐng)域，并可以及時(shí)防控污染溯源。一直以來，我國污染治理都缺乏科學(xué)性和精準(zhǔn)性，缺乏可靠途徑查找到污染源頭，導(dǎo)致生態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)用價(jià)值低。依托于大數(shù)據(jù)平臺(tái)，水污染和大氣污染管理都能從所有流通鏈條中獲得監(jiān)測信息，通過數(shù)據(jù)源的完整性來建立追溯體系。

四、結(jié)束語

隨著我國信息科技水平的突飛猛進(jìn)，大數(shù)據(jù)逐步滲透了各行各業(yè)的管理中，大數(shù)據(jù)技術(shù)賦能生態(tài)科學(xué)化和精準(zhǔn)化治理。通過與云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息科技的融合，構(gòu)建生態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知計(jì)算、關(guān)聯(lián)分析、模擬預(yù)測和管理決策的流程化，有效發(fā)揮生態(tài)大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、運(yùn)算量和可視化優(yōu)勢，為我國生態(tài)管理決策提供精細(xì)化支持依據(jù)，幫助我國有效建設(shè)生態(tài)文明。

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（濟(jì)寧學(xué)院 273155）