論信息技術在環境保護中的應用

（長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙 410004）

環境問題是人類在經濟發展中面臨的亟待解決的重大問題，近年來引起了社會的高度關注，人類也越來越認識到了環境保護的重要性。當前，隨著科學技術的高速發展，信息技術已經深入到社會的各行各業，并起到了積極的作用。大力推進信息技術在環境保護中的應用是環保事業的一項任務，我國環境信息化工作起步于20世紀80年代，到目前為此，也取得了一定成績，比如已經建立了各級環境信息機構，信息機構得到了完善；建立了全國各級環保局的廣域網系統，信息網絡基礎設施基本上得到了一定的保障；開發了“污染源監控、環境質量監控”等一系列業務應用系統，業務應用上基本上覆蓋了環境保護工作的各個環節；同時還制定并頒布了一系列規劃指導文件例如“十五、十一五國家環境信息化建設規劃”，“金環工程”、“數字環保”的提出使得環境信息化發展在總體規劃上有了方向。在“大數據”時代到來的今天，充分利用信息化技術手段，并將其深入應用到環境保護的研究與應用當中去，是今后一段時間環境信息化發展的必然趨勢，信息技術與環境保護必然會得到深入融合。

1 環境保護相關信息技術

1.1 物聯網技術

美國麻省理工學院于1999年率先提出“萬物皆可通過網絡互聯”并闡明了物聯網的基本含義[1]，溫家寶總理于2009年提出建設“感知中國”中心，并于2009年11月在無錫市成立了中國物聯網研發中心。國際電信聯盟給物聯網的定義是通過二維碼識讀設備、射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網的架構可以分為三層，即感知層、網絡層、應用層，感知層主要實現對“物”的識別，網絡層主要實現對感知層獲取的信息的傳輸，應用層主要是與相關行業應用的融合。

物聯網技術應用在環境保護中可以追溯到1997年的環境保護部的環境監理信息系統[2]，通過在重點排污單位安裝自動監測傳感設備例如酸堿度測定儀等環境傳感器設備，并且將這些傳感設備采集到的數據通過GPRS、無線傳感網、衛星等網絡自動傳送到監控中心，再由各級監控中心通過環保專用廣域網組成國家、省、市三級監控中心，目前已經對超過12665家企業實施了自動監控，對環境監測與防范的效果是不言而喻的。2013年無錫市建成“感知環境智慧環保”環境監控中心，并應用了國際最前沿物聯網技術，能實現聲、水、氣各項指標24小時全方位監測，并可通過智能信息發布系統實現多源信息的實時發布。總體來說，物聯網技術在環境保護中的應用研究仍處于起步階段，還面臨著諸多亟待解決的問題，感應端和應用端研究環節較為薄弱，技術標準還須跟上國際步伐。

1.2 3S技術

3S技術是地理信息系統（Geography information systems，GIS）、遙感技術（Remote sensing，RS）和全球定位系統（Global positioning systems，GPS）的總稱。其中，GIS可以對空間信息進行分析和處理，能把地圖視覺效果和地理分析功能與一般數據庫操作集成在一起，從而能夠很好的管理和分析各種環境空間地理信息；RS是通過遙感器等儀器，在遠離目標物體條件下探測并獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，同時進行提取、處理、分析與應用的一門技術；GPS導航系統則是以全球24顆定位人造衛星為基礎，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統。三種技術在應用上擁有各自的優勢和特點，將RS、GPS和GIS技術結合起來可實現對各種空間和環境信息進行準確、快速、靈活的處理、收集和更新[3]。

環境保護是3S技術應用的重要領域，通過RS技術可監測大氣中主要污染物及顆粒大小和分布區域，還可以對水體污染以及城市生態環境污染等進行數據收集并采樣，結合GPS即可獲取帶有坐標的詳細的定位數據信息，從而可實現對環境信息的精確采集，再利用GIS強大的空間數據信息的處理和綜合分析能力，將獲取到的帶有定位信息的環境實況信息進行分析，實現對環境保護中環境數據的實時監測、區域環境質量的評價、環境預警以及為環境保護提供決策性支持[4]。在國外，例如美國、德國等已經在上世紀90年代建立了以3S技術為基礎的環境監測系統。瑞典隆德大學的Jonas Ard于1997年利用3S技術對受到嚴重污染的Krusne Hory山區進行了研究，分析了森林的破壞與海拔、坡向及與點污染源距離的關系，為環境監測提供了依據[3]。我國在九五期間已將3S技術列入了國家重大項目，同時也取得了一定的成績。在由中科宇圖天下科技公司研發的放射源監控管理系統中，已經將“3S”技術和射頻標簽技術應用于放射源監控領域，并成功應用到了焦作市、張家口市、濟源市的放射源監控中，且取得良好的效果。

1.3 數據挖掘與數據倉庫技術

數據挖掘就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據中提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程[5]。數據倉庫概念由創始人WilliamInmon 博士提出[6]，他認為：“一個數據倉庫通常是一個面向主題的、集成的、隨時間變化的、但信息本身相對穩定的數據集合，它用于對管理決策過程的支持。”數據挖掘通常由三部分組成，即數據準備、數據挖掘、結果表達和解釋。數據準備階段就是從相關的數據源中選取所需的數據并整合成可用于數據挖掘的數據集，即數據倉庫；數據挖掘階段就是用某種算法將數據倉庫中隱含的規律找出來；結果表達階段就是盡可能以用戶可理解的方式（如可視化）將找出的規律表示出來。

隨著3S技術在環境保護中的不斷應用，將會積累大量的豐富的環境空間信息數據，這些數據信息會隨著時間的變化而變得越來越重要，而不是簡單的歷史數據，將這些數據進行分析前的相關處理形成數據倉庫，再利用數據挖掘技術比如通過聚類分析建立預測模型；利用機器學習方式可以對環境污染指數進行預測；通過相關與決策樹分析等可以對污染因子進行比較從而可以為確定污染源提供決策。相關實際應用例如：蔣志方利用資源分配神經網絡和隱結點相關性剪枝方法，建立了一個空氣質量預測模型[7]；同時在國內外的許多空氣質量監測系統中也利用了基于機器學習和關聯規則的時空數據挖掘技術實現對污染指數和空間污染物分布情況進行預測[8]。

2 對信息化技術在環境保護中應用的建議

環境信息化的發展是一個系統的發展過程，只有在政策、體制、人才、技術等因素的相互配合下，才能推進環境信息化有序、健康的發展，近些年，我國在探索環境信息化發展的道路上，所做的努力和取得的成績是有目共睹的，但也仍將有許多問題需要面對，筆者針對發現的問題提出了以下幾方面建議：

2.1 探索校企合作，加強環境信息人才培養，促進環境信息技術產業化，為自主創新提供源動力

環境信息化是信息技術與環境領域的深入融合，發展離不開創新，創新需要有人才，環境信息化的發展需要有既懂信息技術又懂環境專業的跨學科人才隊伍，這樣才能更好的促進信息技術在環境保護中的應用。筆者通過網絡對當前高校內專業及研究所情況進行的調查發現，本科院校暫未設置環境信息技術相關專業，專科類院校僅有中國環境干部學院、長沙環境保護學院開設了環境信息技術專業。目前建立了環境信息技術相關研究所的機構有：西北工業大學資源與環境信息化工程研究所、大連海事大學環境信息研究所、青島科技大學生態與農業信息化研究所、嘉應學院資源環境信息系統研究所、安徽農業大學資源環境與信息技術研究所。人才隊伍的培養很大程度上是依靠各高等院校開設相應的專業。因此，可以考慮在相關專本科學校開設環境信息化技術相關專業或者是在環境類專業開設相關信息技術與環境保護結合的相關課程，以提高同學們對環境信息化的研究積極性，同時還可以在相關院校或環保企業成立環境信息技術研究所，使環境信息人才的培養得到保障，自主創新能力才有突破。同時，從事環境信息技術相關的環保企業具有前沿技術優勢，可以加強高校及研究所與企業的合作，走產學研結合的道路，形成環境信息技術產業鏈，真正實現環境信息技術健康可持續發展。

2.2 提高 3S技術一體化、集成化程度，保證數據獲取精確、實時、穩定，優化并挖掘環境空間信息數據庫

3S技術在環境保護中的應用具有廣闊空間和發展前景，特別是在環境監測方面具有其它技術無可比擬的技術優勢，它可以使人們連續不斷的獲取地球表層和環境相關的空間信息流。

（1）加強對環境遙感設備的改進和關鍵技術如成像雷達、成像光譜儀等的突破，提高其數據采集的精度和穩定性，并能適應不同環境條件下對不同環境監測要求的數據采集，研發配套軟件，提高自主創新能力。

（2）研究并充分利用現有數據通信網絡高速度、高帶寬的特點，確保數據采集信息有效、快速、穩定的傳輸。提高3S技術一體化程度，實現多維信息獲取與實時處理，并能建成新型的地面三維信息和地理編碼影像，實現實時獲取與處理，形成快速、高精度的信息處理流程。

（3）加大數據挖掘技術在環境保護中的應用，規范完善數據標準，建立環境空間信息數據倉庫。加強統計分類、神經網絡、模糊技術和專家系統等數據挖掘技術在遙感數據信息處理中的應用。

2.3 努力應用新技術，推進“數字環保”向“智慧環保”的轉變

物聯網技術來勢迅猛，應用廣，發展快，但由于其技術標準尚未統一，相關配套措施尚未完善，目前還仍處于初級階段。因此，如何抓住機遇，積極推進物聯網應用于環境保護，促進“數字環保”向“智慧環保”的轉變是環境信息化發展的必經之路。“智慧環保”[9]就是在原有數字環保的基礎上，借助物聯網技術，把感應器和裝備嵌入到各種環境監控對象中，通過計算機將環保領域物聯網整合起來，實現人類社會與環境業務系統的整合，以更加精細和動態的方式實現環境管理和決策的“智慧”。在感知層，環境傳感器技術是關鍵，大部分技術由國外引進，亟需加強對傳感器設備的自主研發，促進設備接口標準的統一。在網絡層，要充分利用現有通信技術高速度、大容量、高可靠性的特點，促進云計算技術、新一代網絡、無線網絡等新技術在智慧環保中的應用。在應用層，需要整合現有應用系統資源，提高業務系統之間的數據共享力度，并合理規劃未來系統的開發。

3 小結

信息技術的出現使人類的生產生活方式得到了根本性的轉變，信息技術已經成為了支撐當今經濟活動和社會生活的基石。深入推進環境信息化是全球信息化發展的客觀要求，促進數字環保向智慧環保的轉變是環境信息化未來發展的方向，而數據處理和知識發現能力也將是影響“智慧”的一個重要因素，3S技術在今后一段時間仍將是信息技術在環境應用領域中的一大熱點。信息領域技術發展日新月異，這也將為環境信息化的發展提供了有力的支撐，相信我國環境信息化的發展在國家政策的大力支持下，必定會取得新的突破，必定會推動環境保護事業的科學化發展。

[1]衛菊紅.物聯網技術發展及應用研究進展[J].工業控制計算機,2011,24(12):50-54.

[2]譚麗,夏駱輝.物聯網助推環境監測信息化[J].世界電信,2010,(11):70-73.

[3]馬莉,宋慶.3S集成技術研究現狀的綜述[J].資源環境與發展,2009,(02):32-49.

[4]吳小華.3S技術在環境監測中的應用[J].低碳世界,2013,(14):192-193.

[5]雷蕾,秦俠,姚小麗等.數據挖掘技術在環境科學中的應用[J].環境與可持續發展,2006,(6):8-10.

[6]賴小平.淺論數據倉庫技術[J].網絡與信息,2009,(8):32-33.

[7]蔣志方,王德明,杜曉亮等.基于結構優化的 RAN 城市環境空氣質量預測模型[J].山東大學學報(工學版),2010,40(6):1-7,87.

[8]尹琦明.試論時空數據挖掘在環境保護中的應用[J].科協論壇(下半月),2013,(6):140-141.

[9]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,2011,23(4):5-7.