基于智慧環保的珠海市生態環境大數據體系設計

摘要：隨著智能化技術的飛速發展，越來越多的“環保+物聯網”應用落地，環境監管必須與時俱進。基于智慧環保理念，利用大數據和信息管理等強大的功能，初步構建珠海市環境大數據信息平臺，助力珠海市環境監管形成一盤棋、一本賬，使得環境決策更高效、更精準和更智慧。

關鍵詞：智慧環保；環境監管；大數據體系；數據挖掘

中圖分類號：X321；TP181 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.025

Design on Ecological Environment Big Data System of Zhuhai City Based on Smart Environmental Protection

ZHANG Wanying， CHEN Jialin， WEI Qiang

（Zhuhai Ecological Environment Bureau， Zhuhai 519000， China）

Abstract： With the rapid development of intelligent technology， more and more “environmental protection + Internet of Things” applications are being implemented， and environmental supervision must keep up with the times. Based on the concept of smart environmental protection， by utilizing powerful functions such as big data and information management， the environmental big data information platform of Zhuhai city is preliminary established to assist the environmental supervision of Zhuhai city in forming a unified game and account， making environmental decisions more efficient， accurate， and intelligent.

Keywords： smart environmental protection; environmental supervision; big data system; data mining

“十四五”時期，我國數字經濟邁向深化應用、規范發展和普惠共享的新階段。為應對新形勢和新挑戰，應把握數字化發展的新機遇，拓展經濟發展的新空間，推動我國數字經濟健康發展。要完善生態文明領域統籌協調機制，促進經濟社會發展全面綠色轉型，加快推動綠色低碳發展，持續改善環境質量。為全面貫徹落實生態文明建設和國家大數據戰略要求，助力國家打贏藍天保衛戰，必須推動全國生態環境信息化實現一盤棋。在國家大力發展數字經濟的政策驅動下，各行各業都在向智能化轉型，越來越多的“環保+物聯網”應用落地[1-2]。

新時代，生態環境保護壓力和挑戰并存，部門間數據分散、信息破碎、應用條塊和服務割裂等問題給環境監管提出新課題。珠海市位于廣東省南部，瀕臨南海，是向世界展示粵港澳大灣區生態文明建設成就的重要窗口。珠海市需要創新生態環境保護模式，提高環境監管和決策水平，以走在最前列的奮斗姿態打造全國生態文明新典范。因此，必須推陳出新，借助科技力量，利用大數據和信息管理等強大的功能，構建珠海市環境大數據信息平臺，讓海量數據跑起來、用起來，助力珠海市環境監管形成一盤棋、一本賬，使得環境決策更高效、更精準和更智慧。

1 珠海市智慧環保的現狀

隨著城市數字化建設的不斷深入，互聯網平臺已成為生態環境部門監管的重要手段。但是，各生態領域初期均以獨立發展為原則，導致生態環保系統繁雜，各種在用信息系統繁多，信息系統間還存在數據來源不同、數據歸集缺乏標準體系和運行網絡環境差異等困境。所以，打破數據孤島，將數字環保轉型為智慧環保是環保信息化發展的必然結果[3-5]。針對生態環境領域信息化建設現狀，珠海市急需構建自己的環境大數據體系。目標是以環境數據運算與發掘為核心，利用物聯網、云計算等信息技術，構建高度感知的環保基礎大數據體系，即時、動態和全面地監測水環境、大氣環境、土壤環境和污染源等對象，有效推動污染減排，加強環境風險的預防與管控，助力生態文明建設。

2 珠海市環境大數據體系的構建思路

2.1 建設目標

圍繞珠海市生態環境保護工作，基于數字生態與智慧生態的管理需求，擬對現有各類環保業務信息系統進行升級整合，建設一網、一圖和一平臺組成的智慧生態大數據體系，構建六大應用系統。以圖形圖像的可視化技術為依托，搭載三維可視化數字孿生系統，將各系統的業務數據疊加在虛擬場景之上，建立可視化的數字孿生城市，實現珠海市生態環境數據全生命周期智慧化管理與應用，全面感知和綜合研判珠海市生態環境態勢。

2.2 總體架構設計

參考《環保物聯網 總體框架》（HJ 928—2017）的體系結構，以“全知、全智和全方位”為主導思想進行系統總體架構設計。珠海市環境大數據體系總體框架如圖1所示。該框架自下而上分為感知層、傳輸層、智慧層和服務層，同時配套建立環境信息安全保障機制和環境數據標準規范體系。建設配套的信息安全保障體系，可以確保系統安全運行，保障全體系的物理安全、網絡安全、主機安全、應用安全和數據安全，防止不法分子獲取包含地理環境、地質結構、生態環境實時情況等具有高度保密性的數據信息。規范體系內運行數據，打破不同系統間的數據壁壘，保證全平臺數據可跨系統正常調用，降低數據庫存儲量。

2.2.1 感知層

感知層通過集成具備感知、測量、捕獲和傳輸信息功能的設備與系統，構建全知的一體化環境感知與監測網絡，實現對污染源、環境質量、生態系統及輻射等方面環境因素的全面信息收集。采集的數據經由邊緣物聯網的網關技術，被高效且準確地傳送至中心數據庫，以供后續分析與利用。

2.2.2 傳輸層

傳輸層依賴多元化的通信技術，利用有線互聯網、運營商移動網、環保專網、政務網、衛星網絡和物聯網，對邊緣終端系統存儲的環境數據進行傳輸、交互和共享。傳輸層采用多種物聯網通信協議，確保信息傳輸安全穩定。

2.2.3 智慧層

智慧層分為兩部分，即生態環境數據中心和智慧云中心。生態環境數據中心對下層傳送的數據進行深度整合，為智慧云中心數據分析提供支持。智慧云中心采用數據挖掘、機器學習等方式，對多元數據進行融合分析，構建一系列模擬、分析、預測和決策模型，在數據處理階段實施實時處理機制，深度挖掘數據的潛在價值，并運用先進的模型分析方法，推動數據朝智能化的方向演進，實現數據的智能應用。

2.2.4 服務層

服務層基于智慧云中心分析結果，建設集合六大應用的生態環境大數據管理應用體系，實現珠海市一圖全面感知。六大應用分別為生態環境數據發布系統、環境質量預測預報系統、污染源動態監管系統、應急預警指揮系統、污染追因溯源系統和環境監察執法系統。

3 珠海市環境大數據體系的應用

3.1 建設成果

珠海市環境大數據平臺將整合生態環境部門現有信息系統的數據資源，通過梳理、歸類將所有系統進行模塊化集成，高度兼容，覆蓋環境質量綜合監測、污染源監管等業務領域，憑借人機交互方式，實現數據融合、數據顯示、數據分析和數據監測等功能。該平臺可廣泛應用于監測、應急指揮和分析研判等場景，從而打通數據孤島，打破部門壁壘。

3.1.1 生態環境數據發布系統

通過大數據體系底層構建的“天地空”一體化監測網，全面收集珠海市的生態環境數據，并將其整合至統一的數據庫中。結合地理信息系統，生態環境部門可通過三維可視化技術直觀地在數據發布系統中實時查看當前數據和歷史數據，如環境數據、空間數據以及分析評價數據。系統同步向公眾公開珠海市的水、大氣等環境質量狀況，便于公眾查詢，滿足公眾的環境知情權。

3.1.2 環境質量預測系統

基于環境質量智能分析模型，對已有環境質量數據進行智能綜合分析，實現水環境、大氣環境、土壤環境的在線監測和遙感監測，新建和優化重污染天氣預警體系。結合珠海市環境影響評價的審批信息，對未來環境態勢進行預測和研判，實現大數據關聯分析、質量變化規律情景分析和溯源分析等。拓展社會化監測信息采集和融合應用，支撐生態環境質量現狀精細化分析和實時可視化表達，提高源解析精度，增強生態環境質量趨勢分析和預警能力，為生態環境保護決策、管理和執法提供數據支持。

3.1.3 污染源動態監管系統

以地理信息系統為基礎，采用三維可視化技術，實現區域地質、水文、環境和社會數據的空間可視化。建立珠海市重點污染源、輻射源和風險企業等環保專題圖層。圍繞一源一檔，健全環保檔案，細化到污染物排放口和治理設施。選定相應污染源后，可直接查詢環保檔案，甚至能迅速查詢污染防治措施的設計處理能力和排放標準以及各類污染物的排放量，通過不同顏色直觀形象地展現是否超標，實現污染源動態監管，同時實現各環保業務系統圖層化管理。

3.1.4 應急預警指揮系統

建立音視頻融合指揮調度及后臺監控中心，對排放超標、有害氣體泄漏等突發事件進行態勢顯示與快速定位，并運用環境應急預警決策模型，為事件處置提供決策思路，最大限度降低突發事件的影響，提高突發事件處理效率。應急預警指揮系統可以快速、準確地預判突發性環境風險，為應急處置贏得時間。

3.1.5 污染追因溯源系統

運用視頻監控、熱成像光譜、水質水量自動監控和污染溯源等智能感知手段，在主要河流上布設前端設備，建立“源（污染源）-網（市政、工業污水管網）-廠（污水處理廠）-河（受納水體）”水污染預警溯源監測網絡體系。前端檢測到超標情況后，系統會立即觸發報警機制，并迅速啟動污染溯源儀進行實時取樣。隨后，通過應用水樣圖譜與污染源指紋庫圖譜的對比技術，即水質指紋識別技術，系統能夠構建水質的多特征溯源圖譜。這一流程能夠在極短的時間內完成溯源分析，迅速鎖定潛在排污源，改變以往“人海戰術”的溯源模式，促進流域科學精準治理。

3.1.6 環境監察執法系統

智慧云中心配備的視頻設備具備先進的圖像識別和行為分析能力，可以實現24 h監控。一旦檢測到異常情況，迅速固定相關證據，并立即觸發預警系統，實時將其轉交給相應的負責人員。接入環保移動執法系統等數據，對執法單位、人員和被執行對象等要素進行可視化監測。支持處罰決定書文號、行政相對人名稱、案由、處罰依據、處罰金額和處罰日期等行政處罰信息的詳細查詢，并可對執法行為數量、糾正執法數量和監督方式等指標進行多維可視化分析，輔助管理者全面掌握環境執法工作動態，提高環境執法監督力度。利用環境違法舉報線索和信訪投訴等環境信息采集數據，同步結合企業的工商稅務等信息，對歷年衛星遙感數據進行識別、解譯，再與無人機巡查、移動終端核查相結合，精確打擊企業未批先建、未驗先投、偷排漏排和超標排放等違法行為，預警企業違法風險，支撐環境監察執法從被動響應向主動查究違法行為轉變，實現有效監管。

3.2 應用效果

珠海市生態環境大數據平臺運用新思路、新技術和新方法，開展生態環境綜合決策和環境監管等創新應用，為生態環境決策和管理提供技術支撐。同時，推進環境治理體系和治理能力現代化，實現數據資源開放共享、業務協同，解決沉睡數據喚醒、多方數據融合和雜亂數據治理等難題，有效推動生態環境保護工作從“數治”轉變為“智治”。

3.2.1 提升數據匯聚能力

提供統一的數據采集、分析和處理等支撐服務，實現數據傳輸交換、管理監控與共享開放，支撐分布式計算、流式數據處理、大數據關聯分析、趨勢分析和空間分析等，有效應用環境大數據，為生態環境決策和管理提供服務。

3.2.2 提高資源利用率

有效盤活已有資產，改變以往一個部門的設備只用于本部門的狀態，提高資源利用率，有效節省人力、物力和財力。

3.2.3 創建統一數據生態

建立珠海市生態環境大數據平臺，實現數據互通、信息融合，形成生態環境信息“一張圖”、環境監管“一張網”和環保數據“一平臺”，有效解決污染不清、信息孤島等問題。要打造完整的數據應用生態圈，持續優化數據應用。

3.3 成果亮點

珠海市生態環境大數據平臺滿足珠海市基本環境管理要求，亮點突出。

3.3.1 數字孿生技術

數字孿生概念涵蓋數字映射和數字鏡像，旨在通過信息化平臺模擬物理實體、運行流程或系統，形成一種與之高度相似的數字模型。數字孿生技術能夠使人在信息化平臺上實時掌握物理實體的狀態信息，甚至實現對物理實體內部預定義接口組件的遠程控制。大數據平臺應用數字孿生技術，將現實城市中的生態環境治理全程映射在虛擬的數字孿生世界，可實現不同管控場景下污染預測模擬、情景還原動態可視化人機調度等。生態環境部門可實時掌握珠海市生態環境的現狀、異常和變化趨勢，發現環境變化規律，提升生態環境決策的科學性、精準性與高效性。

3.3.2 數據智能挖掘體系

大數據平臺智慧層運用深度學習和神經網絡技術，建設數據智能挖掘體系，將已有數據模型通用計算下沉至前端設備。邊緣計算可提高人工智能分析的實時性，降低傳輸成本，滿足場景不斷增加的靈活操作要求。此外，數據智能挖掘體系能通過不斷擴充的數據庫信息進行深度學習，不斷優化計算分析模型，構建新模型，建設一個“越用越新，不斷成長”的平臺。

4 結論

智慧環保體系建設是智慧城市建設的重要內容，是提高生態環境智慧監管水平的有力抓手。基于智慧環保，可設計珠海市生態環境大數據體系。其間必須充分利用地理信息系統、云計算和數據挖掘等信息技術，深入分析城市生態環境數據，對城市生態系統發展趨勢進行科學預測，制定有效的環境政策。總之，構建生態環境大數據體系能促進珠海市數字環保向智慧環保轉變，為智慧城市建設奠定良好基礎。

參考文獻

1 孫傳國.智慧城市背景下的智慧環保建設探索[J].智能環保，2019（22）：119-120.

2 徐 鋒，邢建東.智慧環保發展新方向：基于物聯網和商業智能技術的委托監測業務管理系統[J].博覽，2019（4）：63-64.

3 劉 銳，劉文清，衛晉晉，等.“互聯網+”智慧環保評價指標體系研究[J].中國工程科學，2018（20）：120-128.

4 徐 敏，孫海林.從“數字環保”到“智慧環保”[J].環境監測管理與技術，2011（4）：5-7.

5 姚 新，劉 銳，孫世友，等.智慧環保理論與實踐[M].北京：科學出版社，2014：35-36.