基于大數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測研究

劉英 鄒渝

摘 要：在環(huán)境治理中，我國各地政府逐漸開始嘗試采用大數(shù)據(jù)手段對環(huán)境數(shù)據(jù)進行搜集，然后建立實時監(jiān)測機制，通過大數(shù)據(jù)預(yù)測模型和數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行環(huán)境評估與預(yù)警。本文對大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進行研究，為政府制定環(huán)境監(jiān)測政策和建立環(huán)境監(jiān)測體系提供參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);環(huán)境監(jiān)測;環(huán)境評估;預(yù)警

中圖分類號：TP311.13文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0144-03

Abstract： In environmental governance， governments in various parts of China have gradually tried to use big data to collect environmental data， and then established a real-time monitoring mechanism to conduct environmental assessment and early warning through big data prediction models and data processing technologies. This paper studied the application of big data in environmental monitoring， and provided references for the government to formulate environmental monitoring policies and establish environmental monitoring systems.

Keywords： big data;environmental monitoring;environmental assessment;early warning

2015年，國務(wù)院發(fā)布了《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，對我國大數(shù)據(jù)的發(fā)展進行了規(guī)劃。該綱要認為，在未來十年內(nèi)，政府需要引導大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高治理能力，提升民生服務(wù)水平。大數(shù)據(jù)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模式，推動了各個行業(yè)和公共機構(gòu)數(shù)據(jù)共享的發(fā)展，有利于整合全國的數(shù)據(jù)資源，提升政府治理能力和應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境問題的能力[1-2]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用有利于政府根據(jù)不同的治理方向，采集各類數(shù)據(jù)，并充分挖掘數(shù)據(jù)信息，提高自身決策能力。

環(huán)境保護是我國政府治理的重要內(nèi)容，而環(huán)境監(jiān)測是確保環(huán)境保護工作開展的重要基礎(chǔ)。為了提高環(huán)境監(jiān)測效果，人們要充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行監(jiān)測。2016年，原環(huán)境保護部發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》，要求充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對環(huán)境數(shù)據(jù)進行管理，最終實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的精細化管理。當前，各地要基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成有效的決策體系，科學決策。同時，要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供公共服務(wù)，減少環(huán)境監(jiān)測的信息不對稱，并充分落實《中華人民共和國環(huán)境保護法》的相關(guān)要求，促進公眾參與環(huán)境保護。

1 研究現(xiàn)狀

近年來，大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸被推廣并應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟為大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)的變化較快，人們通過大數(shù)據(jù)挖掘能夠分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。當前研究較為關(guān)注如何利用大數(shù)據(jù)平臺和技術(shù)，創(chuàng)造新的應(yīng)用價值，為政府治理環(huán)境提供新型技術(shù)手段。

綜合目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測研究來看，大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測理論還不成熟。大部分研究主要側(cè)重于對大數(shù)據(jù)概念和技術(shù)的分析，較為膚淺。當前，大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的具體應(yīng)用和技術(shù)研究較少。大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究主要側(cè)重于將大數(shù)據(jù)應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域，從而創(chuàng)造更多的收益。大數(shù)據(jù)技術(shù)研究側(cè)重于技術(shù)架構(gòu)、電子商務(wù)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域具有豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)在政府環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對較少，但是大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究已經(jīng)逐漸受到很多學者的重視。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的作用

環(huán)境監(jiān)測是指通過對環(huán)境狀態(tài)進行監(jiān)測，判斷環(huán)境污染情況。因此，環(huán)境數(shù)據(jù)的收集與處理是實施環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)，而這正是大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域。人們可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采集海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過儲存環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建環(huán)境的指標數(shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)挖掘來分析環(huán)境狀態(tài)變化，為環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

2.1 提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用有利于提升環(huán)境數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。目前，在環(huán)境監(jiān)測中，各類分析儀器、GPS和GIS等技術(shù)應(yīng)用會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如水質(zhì)、土壤、大氣等，這些數(shù)據(jù)很難保存在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。而大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠方便地將采集的數(shù)據(jù)存儲在大數(shù)據(jù)平臺，同時支持實時采集與存儲，形成環(huán)境歷史數(shù)據(jù)庫。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠有效處理海量數(shù)據(jù)，充分獲取數(shù)據(jù)中的有效信息。

2.2 提升數(shù)據(jù)分析效率

大數(shù)據(jù)技術(shù)具有強大的數(shù)據(jù)分析能力，不僅對離線數(shù)據(jù)提供支持，也對實時數(shù)據(jù)提供支持，從而有效提升環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析效率。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域需要對突發(fā)環(huán)境問題進行應(yīng)急處理，通過傳感器動態(tài)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺，借助大數(shù)據(jù)平臺的計算能力，迅速分析數(shù)據(jù)，定位環(huán)境問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析主要基于人工方式，效率低下。而大數(shù)據(jù)平臺利用集群計算的優(yōu)勢，為環(huán)境分析提供強大的算力支持，能夠高效、準確地完成計算。例如，人們可以構(gòu)建森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，當突發(fā)火災(zāi)時，其能夠迅速預(yù)警，定位火源;對于大氣監(jiān)測，大數(shù)據(jù)平臺可以通過實時監(jiān)測空氣中的PM2.5、PM10等污染物指標，計算空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并進行空氣污染的預(yù)警。

2.3 提高環(huán)境綜合預(yù)警能力

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠處理環(huán)境監(jiān)測中收集的海量數(shù)據(jù)，然后利用自身的建模與預(yù)測能力，對環(huán)境狀態(tài)的變化進行預(yù)測，通過建立機器學習模型，對環(huán)境問題進行預(yù)警。例如，人們可以通過大數(shù)據(jù)平臺建立大氣監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算大氣中的污染物含量，然后基于污染物數(shù)據(jù)的時間序列進行預(yù)測，一旦發(fā)現(xiàn)大氣污染超過閾值，就可以進行預(yù)警，提醒相關(guān)部門和人員及時采取措施，防止污染擴散。

將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測中，具有四大優(yōu)勢。一是大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用有效地提高了環(huán)境治理中的預(yù)警能力。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用并非簡單的采集與存儲數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，更為重要的是，大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了強大的數(shù)據(jù)分析能力和建模能力。其通過機器學習等方式能夠有效對環(huán)境數(shù)據(jù)進行預(yù)警。二是有效提升環(huán)境保護的決策水平。過去，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域并沒有太多數(shù)據(jù)來輔助決策，因此環(huán)境保護決策較為主觀。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠為相關(guān)決策提供充分的數(shù)據(jù)支持，為環(huán)境監(jiān)管和環(huán)境保護決策提供強大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三是提高對環(huán)境風險的判斷能力。環(huán)境面臨污染等風險，而環(huán)境風險評價需要一定的數(shù)據(jù)與模型。大數(shù)據(jù)能夠通過搜集環(huán)境指標和建立分析模型，對風險進行有效的測評。四是提高環(huán)境的公共服務(wù)能力。一般而言，生態(tài)環(huán)境部門獲得的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)難以通過多種渠道提供給公眾。但是，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠提供公共數(shù)據(jù)的共享與服務(wù)機制，提高對公眾的服務(wù)能力。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

在環(huán)境監(jiān)測中，大數(shù)據(jù)技術(shù)主要用于數(shù)據(jù)采集和集成。

3.1 數(shù)據(jù)采集

大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的基礎(chǔ)應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集，其中，環(huán)境數(shù)據(jù)不僅包括結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，還包含非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)主要來源于環(huán)境中的各項指標和監(jiān)管活動產(chǎn)生的各類指標。而非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)包括監(jiān)控圖片、錄像以及錄音等。大數(shù)據(jù)平臺既能夠采集結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也能夠采集非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，形成有效的統(tǒng)一。

3.2 數(shù)據(jù)集成

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)一般來源于不同的傳感器，為了有效利用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，人們需要對不同的數(shù)據(jù)進行集成，同時對數(shù)據(jù)進行標準化處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。大數(shù)據(jù)的集成處理步驟如下：首先，對不同數(shù)據(jù)進行抽取;然后，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準進行清洗與轉(zhuǎn)換，最后按照一定的標準將其存儲于大數(shù)據(jù)平臺中。在抽取時，首先整合不同的采集平臺，然后按照標準格式對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，如統(tǒng)一數(shù)據(jù)的編碼格式等。接著，要檢驗數(shù)據(jù)的完整性，對其中可能存在的噪聲數(shù)據(jù)進行降噪或者剔除。同時，還要利用大數(shù)據(jù)實時采集的功能，實時跟蹤環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，保證數(shù)據(jù)實時入庫，提升監(jiān)控與預(yù)警能力。

4 大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測平臺架構(gòu)

大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測平臺能夠有效地集成各類數(shù)據(jù)，完成對數(shù)據(jù)的標準化整合，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，其可以劃分為不同的層次，形成對環(huán)境評價的多維度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測平臺不僅要具備數(shù)據(jù)采集、存儲、轉(zhuǎn)化、分析和挖掘功能，還要具有對外服務(wù)接口等功能。因此，大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測平臺形成了從環(huán)境數(shù)據(jù)采集到加工最后到應(yīng)用的完整閉環(huán)，同時通過服務(wù)接口將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)提供給公眾。基于這些數(shù)據(jù)，人們可以開發(fā)新的應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)平臺對數(shù)據(jù)的存儲和加工能力比傳統(tǒng)的Oracle等數(shù)據(jù)庫強大，其存儲的數(shù)據(jù)規(guī)模以TB和PB為單位，同時其支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)平臺能夠動態(tài)處理實時數(shù)據(jù)，其平臺架構(gòu)組成如下。

4.1 數(shù)據(jù)源管理

數(shù)據(jù)源管理主要是對環(huán)境監(jiān)測的不同數(shù)據(jù)源進行管理，如大氣污染物排放、地表水污染物信息等指標。

4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲層

大數(shù)據(jù)平臺提供了對采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化、加工和標準化等功能。通過對數(shù)據(jù)進行采集與存儲，人們可以構(gòu)建豐富的歷史數(shù)據(jù)庫。

4.3 數(shù)據(jù)處理層

大數(shù)據(jù)平臺提供對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、統(tǒng)計分析和模型分析等功能，其通過時間序列、機器學習模型能夠有效地對數(shù)據(jù)進行預(yù)測。

4.4 數(shù)據(jù)共享層

大數(shù)據(jù)平臺提供標準化的對外共享接口，大眾通過對外共享接口能夠訪問大數(shù)據(jù)平臺中存儲的各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

訪問海量的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和實時環(huán)境數(shù)據(jù)，可以為上層應(yīng)用提供堅實的基礎(chǔ)。上層可以建立環(huán)境預(yù)警、風險評估等應(yīng)用程序，并提供可視化的統(tǒng)計報表等功能模塊。

5 大數(shù)據(jù)視角下的環(huán)境治理框架

環(huán)境監(jiān)測的目的是為人們提供改善環(huán)境的工具與手段。比如，對于環(huán)境污染問題，人們可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)建立環(huán)境治理平臺，為人們分析環(huán)境信息、定位并最終解決環(huán)境問題奠定基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測提供了新的手段。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，人們可以建立完善的治理框架（見圖1），通過搜集環(huán)境信息，建立模型進行環(huán)境預(yù)警，為環(huán)境治理提供支撐。

如圖1所示，大數(shù)據(jù)視角下的環(huán)境監(jiān)測首先需要對環(huán)境信息進行搜集，然后通過模型進行實時監(jiān)測，及時響應(yīng)環(huán)境狀態(tài)的變化。大數(shù)據(jù)平臺存儲海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，并提供快速的查詢功能。大數(shù)據(jù)平臺支持數(shù)據(jù)流的方式處理環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。若實時數(shù)據(jù)進入大數(shù)據(jù)平臺，則觸發(fā)分析模塊進行實時處理。例如，在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測中，其可以實時跟蹤不同的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，一旦探測到工業(yè)環(huán)境發(fā)生污染，就立即觸發(fā)預(yù)警，同時基于工業(yè)污染數(shù)據(jù)的存儲模型，建立機器學習模型，通過綜合的預(yù)測分析，跟蹤工業(yè)污染的走勢。大數(shù)據(jù)視角下，人們對環(huán)境監(jiān)測的要求更高，能夠采集的數(shù)據(jù)也更為全面。大數(shù)據(jù)為環(huán)境治理提供了強有力的支撐手段，保障環(huán)境監(jiān)測工作的順利開展。

6 結(jié)語

在大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們要將大數(shù)據(jù)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測充分結(jié)合，不斷提升環(huán)境監(jiān)測水平，為環(huán)境保護提供有效的支撐。在環(huán)境監(jiān)測中，人們可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)管理和分析能力。同時，要構(gòu)建大數(shù)據(jù)模型，對環(huán)境變化進行預(yù)測與預(yù)警，提升生態(tài)環(huán)境部門的決策和處理能力。

參考文獻：

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