基于大數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘要：地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決地下水污染問(wèn)題的關(guān)鍵。本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用監(jiān)測(cè)點(diǎn)層級(jí)、區(qū)域?qū)蛹?jí)和云平臺(tái)層級(jí)的三層級(jí)架構(gòu)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識(shí)庫(kù)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。研究結(jié)果對(duì)于構(gòu)建高效可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)；大數(shù)據(jù)；知識(shí)庫(kù)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

引言

隨著中國(guó)工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，土地開(kāi)發(fā)、工廠建設(shè)、化工企業(yè)排放等因素都導(dǎo)致了地下水質(zhì)量的惡化，地下水環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[1]，而地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決地下水污染問(wèn)題的關(guān)鍵[2]?，F(xiàn)階段，中國(guó)的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋全國(guó)，但覆蓋面積存在著不均衡的情況。如，在一些地區(qū)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度較大，可以較全面地反映當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境狀況；而在另外一些地區(qū)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較為稀疏，監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確性和時(shí)效性都存在一定程度的不足[3]。與此同時(shí)，我國(guó)在地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)方面相對(duì)落后，一些關(guān)鍵技術(shù)，如污染物的運(yùn)移和遷移模擬、超聲波和激光測(cè)距等高新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)尚未普及或應(yīng)用不廣泛；一些地方的監(jiān)測(cè)設(shè)備較為老舊，監(jiān)測(cè)精度不高，數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提升。另外，地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公開(kāi)度也存在較大問(wèn)題，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒(méi)有及時(shí)公開(kāi)或公開(kāi)精度低，數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)，不便于研究和應(yīng)用。除此之外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和分析。

隨著科技的飛速發(fā)展，信息化和大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[4]。尤其是在地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以極大地提高監(jiān)測(cè)精度和效果，該技術(shù)可以對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，識(shí)別污染源、判斷污染物的運(yùn)移路徑和擴(kuò)散范圍，有助于更快速、更準(zhǔn)確地識(shí)別出污染源和發(fā)現(xiàn)地下水環(huán)境的異常情況，并及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行治理和修復(fù)。同時(shí)，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)處理和利用效率。在大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，往往存在著重復(fù)、冗余的信息無(wú)法很好地處理和利用，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠快速高效地搜索、清洗、篩選數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)噪點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，還可以快速分析過(guò)去的數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)，提高數(shù)據(jù)處理和利用效率[5]。此外，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互通。在當(dāng)前的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，不同部門(mén)采集了不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了綜合分析、研究和監(jiān)管等工作的開(kāi)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互通，使分散的數(shù)據(jù)資源能夠被有效整合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析和研究，加強(qiáng)地下水環(huán)境的聯(lián)合防治和管理。

1基于大數(shù)據(jù)的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款高度集成的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)配置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的各種監(jiān)測(cè)設(shè)備完成地下水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸。監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)通過(guò)局域網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總，再傳輸?shù)皆摰貐^(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后上傳至大數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)挖掘操作。基于大數(shù)據(jù)的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用三層級(jí)架構(gòu)，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)層級(jí)、區(qū)域?qū)蛹?jí)和云平臺(tái)層級(jí)，具體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)層級(jí)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)層級(jí)是地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要完成地下水環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，該層級(jí)主要設(shè)有2部分，即①監(jiān)測(cè)設(shè)備，該層級(jí)配備各種監(jiān)測(cè)設(shè)備，如地下水位計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備、溫度計(jì)等，這些設(shè)備需要被安裝在地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于采集和傳輸數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)局域網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降叵滤h(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)更新和記錄數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)域?qū)蛹?jí)

區(qū)域?qū)蛹?jí)是地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心層級(jí)，主要聚合和分析從不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。區(qū)域?qū)蛹?jí)由匯總數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)2部分組成，在該層級(jí)中，融合了多種數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)分析等，并為監(jiān)測(cè)人員提供了數(shù)據(jù)分析、報(bào)表制作等工具。區(qū)域?qū)蛹?jí)架構(gòu)的功能及作用有2個(gè)，即①匯總數(shù)據(jù)，該層級(jí)主要完成來(lái)自各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的匯總操作，根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)、監(jiān)測(cè)設(shè)備等多個(gè)因素，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總，形成一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)；②分析數(shù)據(jù)，也就是將經(jīng)過(guò)匯總處理后的地下水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，該層級(jí)主要通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速處理和挖掘，這些分析結(jié)果可以用來(lái)告知監(jiān)測(cè)人員關(guān)于地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息，如提醒人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響。

1.3 云平臺(tái)層級(jí)

云平臺(tái)層級(jí)是地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最高層級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)改進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法、模型等方式，挖掘海量數(shù)據(jù)的價(jià)值，同時(shí)通過(guò)連接不同資源池，處理大量數(shù)據(jù)并展示對(duì)應(yīng)信息，該層級(jí)可用于支持環(huán)境管理活動(dòng)。云平臺(tái)層級(jí)架構(gòu)的功能及作用也有2個(gè)，即①處理數(shù)據(jù)，云平臺(tái)層級(jí)通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)來(lái)自不同區(qū)域?qū)蛹?jí)中聚合的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后更為深刻的信息和趨勢(shì)；②提供服務(wù)，云平臺(tái)層級(jí)可以提供豐富的服務(wù)，如地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)分析、環(huán)境影響預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢等，支持不同監(jiān)管單位和環(huán)境管理活動(dòng)的業(yè)務(wù)需求。

2 地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的兩種路徑對(duì)比

在基于大數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的即時(shí)采集、傳輸、處理及分析，從而幫助環(huán)保部門(mén)準(zhǔn)確了解當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境狀況，預(yù)警和監(jiān)測(cè)地下水環(huán)境污染，進(jìn)而進(jìn)行有效的治理和控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識(shí)庫(kù)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)2種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用場(chǎng)景，分析這2種路徑各自的原理和優(yōu)勢(shì)。

2.1 知識(shí)庫(kù)路徑

知識(shí)庫(kù)路徑針對(duì)的是專家經(jīng)驗(yàn)性和專業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域。在地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，該路徑需要建立一個(gè)完整的知識(shí)庫(kù)，存儲(chǔ)和整合各級(jí)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)地形數(shù)據(jù)、水處理技術(shù)等相關(guān)信息，并針對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中的不同難點(diǎn)建立規(guī)則庫(kù)、專家?guī)欤缃Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估、分析、數(shù)據(jù)挖掘等方法，共同構(gòu)建一致的、完整的知識(shí)體系。

知識(shí)庫(kù)路徑的優(yōu)勢(shì)有2個(gè)，即①科學(xué)性強(qiáng)，該路徑基于領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)數(shù)據(jù)的理解和分析，更加科學(xué)、準(zhǔn)確地分辨無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)和重要數(shù)據(jù)；②決策速度快，將地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與規(guī)則庫(kù)、專家?guī)斓认嚓P(guān)信息結(jié)合起來(lái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的分析和比對(duì)，能夠快速地確定監(jiān)管部門(mén)需要采取的措施，以保障環(huán)境安全、健康。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的知識(shí)庫(kù)路徑實(shí)現(xiàn)方式可以分為5個(gè)步驟，即①了解地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基本特征和重要指標(biāo)，包括水位、溫度、 pH、電導(dǎo)率、COD、BOD、NH3-N、NO3-N等；②收集并整合相關(guān)的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)等，建立一個(gè)完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡叵滤h(huán)境監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)；③進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、去噪、組合、分析等處理，得到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，此時(shí)應(yīng)使用數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)清洗工具來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和優(yōu)化；④對(duì)于數(shù)據(jù)中的異常值和問(wèn)題數(shù)據(jù)，應(yīng)使用合適的處理方法進(jìn)行清理和修復(fù)，限制其不良影響；⑤利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)整合出來(lái)的知識(shí)庫(kù)進(jìn)行分析，建立規(guī)則庫(kù)和專家?guī)欤瑢?shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的自適應(yīng)更新和擴(kuò)展。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的知識(shí)庫(kù)路徑實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑主要基于大數(shù)據(jù)算法技術(shù)，對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。該路徑主要使用一些基于機(jī)器學(xué)習(xí)的技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等，尋找數(shù)據(jù)的隱含規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑的優(yōu)勢(shì)有2個(gè)，即①高效精準(zhǔn)，該路徑能夠通過(guò)大數(shù)據(jù)算法技術(shù)，快速識(shí)別出地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的重要變量，從而實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)和回歸分析，更加精準(zhǔn)地分析數(shù)據(jù)；②綜合性強(qiáng)，該路徑能夠融合各種數(shù)據(jù)源，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)潛在的關(guān)聯(lián)和關(guān)系，同時(shí)充分挖掘出數(shù)據(jù)背后的潛在成因和趨勢(shì)，使監(jiān)管部門(mén)能夠更加深入地了解當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況，并制定科學(xué)的政策和決策，充分保障當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境安全和健康。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)方式可以分為4個(gè)步驟，即①收集并整合相關(guān)的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)等，建立一個(gè)完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡叵滤h(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)；②對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、去噪、組合、分析等處理，得到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，此時(shí)應(yīng)使用數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)清洗工具來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和優(yōu)化；③利用機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化的預(yù)測(cè)和分類分析，從而挖掘潛在的數(shù)據(jù)規(guī)律和模式，并將相關(guān)數(shù)據(jù)集合起來(lái)，訓(xùn)練生成算法模型；④使用生成的算法模型，對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的預(yù)測(cè)和分析，將分析結(jié)果可視化，并提供交互式應(yīng)用界面，方便相關(guān)使用者進(jìn)行交互式的數(shù)據(jù)分析。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

3討論與分析

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)可以結(jié)合不同的監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、更新周期和分析效率，通過(guò)構(gòu)建完整的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水環(huán)境污染的盡早發(fā)現(xiàn)、控制和治理，對(duì)于更好地保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社區(qū)安全具有重要意義。

地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)知識(shí)庫(kù)路徑和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑的實(shí)現(xiàn)方式相似，唯一的區(qū)別在于建立的系統(tǒng)框架不同。知識(shí)庫(kù)路徑主要依賴地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑則依賴機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)判斷地下水環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征。2種方法的區(qū)別在于數(shù)據(jù)分析的主要思路，但在實(shí)際操作中2種方法常常相互結(jié)合，構(gòu)建高效可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

結(jié)論

當(dāng)前，我國(guó)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)面臨覆蓋面積不均衡、監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)落后、監(jiān)測(cè)精度不高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)配置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的各種監(jiān)測(cè)設(shè)備完成地下水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸，監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)通過(guò)局域網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總，再傳輸?shù)皆摰貐^(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后上傳至大數(shù)據(jù)云平臺(tái)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)挖掘操作。另外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識(shí)庫(kù)和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)2種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的具體應(yīng)用場(chǎng)景，分析這2種路徑各自的原理和優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，知識(shí)庫(kù)路徑主要依賴地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)路徑則依賴機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)判斷地下水環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征，二者相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以構(gòu)建出更加高效可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介

張平（1991—），男，漢族，河北保定人，本科，水文工程地質(zhì)工程師，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)工程地質(zhì)、地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)、地?zé)岬刭|(zhì)。