大數(shù)據(jù)時代環(huán)境監(jiān)測技術應用及發(fā)展探討

李 霞

（濰坊市生態(tài)環(huán)境局寒亭分局，山東 濰坊 261100）

1 大數(shù)據(jù)時代環(huán)境監(jiān)測技術的應用需求

1.1 建設環(huán)境質量綜合評價體系

環(huán)境監(jiān)測不能與社會發(fā)展相脫節(jié)，要切實滿足環(huán)境保護與治理需要。在大數(shù)據(jù)時代背景下，對大數(shù)據(jù)等信息技術的應用，依托大數(shù)據(jù)平臺對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、社會、經(jīng)濟等方面指標進行綜合評價。如此，即可以幫助監(jiān)測人員拓寬環(huán)境監(jiān)測視野，從多個維度評價環(huán)境質量，同時，還可以準確判斷、描述環(huán)境污染問題對社會發(fā)展等各個方面造成的具體影響，使得環(huán)境監(jiān)測、社會發(fā)展相互緊密銜接[1]。

1.2 準確反映環(huán)境質量狀況

無論是應用常規(guī)監(jiān)測技術，還是應用遙感監(jiān)測、自動監(jiān)測、生物監(jiān)測等新型技術，都需要人為分配各項參評指標權重值，按照指標與所采集監(jiān)測數(shù)據(jù)來評價環(huán)境質量。在這一模式下，受到人為主觀因素影響，部分指標權重值設定缺乏合理性，以及存在指標種類單一、指標數(shù)量過少的問題，導致最終獲取的環(huán)境質量評價結果與實際情況存在出入。相比之下，通過推動大數(shù)據(jù)技術與環(huán)境監(jiān)測技術的融合發(fā)展，將由大數(shù)據(jù)平臺依托程序運行準則，采取BP神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯推理等智能算法，根據(jù)已掌握信息來設定參評指標、分配指標權重值、替代人工開展環(huán)境質量評價工作，并判斷現(xiàn)有環(huán)境評價指標的種類與數(shù)量是否為最優(yōu)解，根據(jù)判斷結果對現(xiàn)有環(huán)境指標體系進行優(yōu)化調整，確保環(huán)境質量評價結果真實、準確，不受監(jiān)測人員主觀因素、專業(yè)素養(yǎng)的影響[2]。

1.3 推動數(shù)據(jù)管理模式升級轉型

由于各地環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)處于獨立部署形式，僅采取當?shù)丨h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來評價環(huán)境質量，缺乏足夠的數(shù)據(jù)樣本，環(huán)境監(jiān)測精度、質量評價水平和決策科學性都有待提升。而對大數(shù)據(jù)技術的應用，通過建立區(qū)域性、全國性的環(huán)境監(jiān)測平臺，監(jiān)測人員可以直接訪問其他地區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，查閱更多的監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境治理案例，從海量數(shù)據(jù)中提取足夠的高價值數(shù)據(jù)，以此來提升環(huán)境監(jiān)測質量。

2 大數(shù)據(jù)時代環(huán)境監(jiān)測技術的應用價值

2.1 強化綜合預警能力

大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術有著強大的數(shù)據(jù)采集、運算分析能力，可以替代人工持續(xù)采集與環(huán)境監(jiān)測相關的各類型數(shù)據(jù)信息，基于程序運行準則開展數(shù)據(jù)采集、分類整理、關聯(lián)屬性分析等一系列操作，實時評價環(huán)境質量。如此，在環(huán)境監(jiān)測期間，當系統(tǒng)采集到異常監(jiān)測數(shù)據(jù)時，表明環(huán)境質量、狀況發(fā)生改變，對比實時監(jiān)測值與預期目標值，在二者產(chǎn)生明顯偏差時，自動發(fā)送預警信號，并根據(jù)偏差值大小來確定環(huán)境污染程度，向監(jiān)測人員發(fā)送對應級別的報警信號[3]。同時，此項技術可以在短時間內完成海量數(shù)據(jù)的運算處理操作，無需監(jiān)測人員逐條對比監(jiān)測值與目標值，或是從龐大數(shù)據(jù)流中分類整理各類指標監(jiān)測值，這有利于縮短環(huán)境狀況變化、環(huán)境預警環(huán)節(jié)的時間差，為后續(xù)環(huán)境治理工作爭取到寶貴時間。

2.2 提升科學決策水平

在環(huán)境監(jiān)測項目中，大數(shù)據(jù)既可以用于數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測場景中，同時，憑借其卓越的運算分析能力，也可用于環(huán)境預測、環(huán)境質量評價、方案計劃編制等場景，起到?jīng)Q策輔助的作用，幫助監(jiān)測人員掌握遠超自身能力極限的龐大數(shù)據(jù)。例如，在環(huán)境預測環(huán)節(jié)，依托大數(shù)據(jù)平臺收集其他地區(qū)的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，從中挑選氣象條件、地理位置、環(huán)境狀況等要素較為相似的案例，在其基礎上導入所采集的當?shù)丨h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，推測環(huán)境質量狀況的變化趨勢，模擬未來一段時間的環(huán)境狀況具體變化過程，幫助監(jiān)測人員提前發(fā)現(xiàn)未來可能出現(xiàn)的環(huán)境污染問題[4]。在環(huán)境質量評價環(huán)節(jié)，從環(huán)境質量、環(huán)境脆弱性、環(huán)境安全性、環(huán)境多樣性等多個方面進行綜合評價，以及預測、評估生態(tài)環(huán)境變化對物種繁衍、當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、社會發(fā)展、民生等領域造成的具體影響，而不是單一的評價生態(tài)環(huán)境污染程度。而在環(huán)境治理方案計劃編制環(huán)節(jié)，依托大數(shù)據(jù)平臺來構建數(shù)學分析模型、開展仿真試驗，模擬不同假定條件時的方案實施效果、生態(tài)環(huán)境狀況是否得到明顯改善，從而判斷方案計劃可行性，指出具體問題，為方案計劃的優(yōu)化改進提供參考依據(jù)。

2.3 提高數(shù)據(jù)處理效率，簡化環(huán)境監(jiān)測流程

在傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測技術體系中，需要監(jiān)測人員手動開展大量的基礎性工作，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)預處理、分類整理、圖表繪制等，盡管后期推廣自動監(jiān)測技術，替代人工完成現(xiàn)場水樣采集等工作，但環(huán)境監(jiān)測流程仍舊較為繁瑣，實際工作量較大。同時，受人為因素影響，時常出現(xiàn)錯誤操作問題，導致環(huán)境監(jiān)測精度、評價質量有所下滑，如現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)重復錄入、錯誤錄入。為解決此類問題，進一步簡化環(huán)境監(jiān)測流程，需要組合應用大數(shù)據(jù)、自動監(jiān)測、遙感監(jiān)測等技術手段，由大數(shù)據(jù)平臺替代人工完成多數(shù)基礎性和一部分復雜任務，徹底取代傳統(tǒng)的手工數(shù)據(jù)收集、錄入、分析方式。例如，在大氣環(huán)境質量監(jiān)測信息發(fā)布環(huán)節(jié)，對大數(shù)據(jù)技術的應用，在短時間內完成實時信息的分析處理任務，通過縮短數(shù)據(jù)處理時間等方式，從而提高PM10、CO2等大氣指標與空氣質量指數(shù)的更新頻率[5]。

2.4 加強環(huán)境治理效果反饋

要依托大數(shù)據(jù)技術來建立現(xiàn)代化的環(huán)境治理效果反饋機制，在轄區(qū)內各處環(huán)境監(jiān)測點布置傳感器、LED網(wǎng)格化環(huán)境監(jiān)測儀等終端感知設備，持續(xù)采集水質成分、二氧化碳濃度、土壤水溶性鹽總量、土壤pH值等監(jiān)測數(shù)據(jù)，定期生成全新的生態(tài)環(huán)境評價報告，以此來反映各監(jiān)測站輻射范圍內的生態(tài)環(huán)境狀況，幫助監(jiān)測人員判斷生態(tài)環(huán)境治理效果，逐漸取代傳統(tǒng)的專項巡查方式。與此同時，對大數(shù)據(jù)技術的應用，完全依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價，減小人為主觀對環(huán)境治理效果評價造成的影響。

3 大數(shù)據(jù)時代環(huán)境監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢

3.1 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集分類

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)由多源異構數(shù)據(jù)組成，包括反映生態(tài)環(huán)境狀況的結構化數(shù)據(jù)、人群生產(chǎn)中形成的非結構化數(shù)據(jù)，如果對各類型數(shù)據(jù)信息進行混雜處理，會降低數(shù)據(jù)處理效率、延長環(huán)境監(jiān)測周期、不利于監(jiān)測人員查閱數(shù)據(jù)，偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突問題。因此，需要推動環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集分類發(fā)展，將數(shù)據(jù)劃分為若干類型，將各類數(shù)據(jù)導入對應的處理模塊與數(shù)據(jù)庫中。例如，以內容作為分類依據(jù)，將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分為環(huán)境綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源排放數(shù)據(jù)以及人群活動非結構化數(shù)據(jù)三類，環(huán)境綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)包含大氣、土壤、電磁輻射與水質等方面的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，用于反映生態(tài)環(huán)境狀態(tài)和污染程度，污染源排放數(shù)據(jù)包括固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)污染物的排放數(shù)據(jù)及在線監(jiān)管數(shù)據(jù)，用于反映生態(tài)環(huán)境污染源頭現(xiàn)狀及監(jiān)管情況，人群活動非結構化數(shù)據(jù)包括城市生活垃圾與污廢水產(chǎn)量、氣象資料、人口數(shù)量等信息。同時，也可按照生命周期進行數(shù)據(jù)分類，劃分為熱數(shù)據(jù)、冷數(shù)據(jù)以及溫數(shù)據(jù)三類，熱數(shù)據(jù)為當期采集的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括環(huán)境監(jiān)測機構在線發(fā)布的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及配套模型，冷數(shù)據(jù)為早期存儲、訪問頻率較低的歷史環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，溫數(shù)據(jù)為過去一段時間采集、訪問頻率較高或是被定期使用的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如監(jiān)測機構發(fā)布的環(huán)境質量年鑒報表[6]。

3.2 數(shù)據(jù)集成共享

相比于常規(guī)技術，大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術的核心價值在于，從龐大數(shù)據(jù)流中提取高質量信息，準確描述不同屬性信息間的內在聯(lián)系，輔助開展環(huán)境質量評價、環(huán)境發(fā)展預測、環(huán)境治理方案編制等工作。然而，當前部分地區(qū)仍舊采取分散部署方式，各區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)保持獨立運行狀態(tài)，無法從有限的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取到足夠的高質量信息，限制了監(jiān)測精度、決策科學性的進一步提升。因此，需要重點推動大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術的集成化、共享化發(fā)展。首先，分別建設市縣級、省域級與全國性的大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測平臺，在上級平臺中接入下級平臺，持續(xù)向上級平臺導入所采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，用戶可以直接在上級平臺中查閱各區(qū)域數(shù)據(jù)信息，也可以經(jīng)下級平臺訪問上級平臺，查閱其他區(qū)域環(huán)境監(jiān)測信息作為參考，以此來解決數(shù)據(jù)資源低效利用、行程“信息孤島”的問題。其次，將大數(shù)據(jù)環(huán)境檢測平臺架構拆分為應用層、共享層、處理層、采集存儲層與數(shù)據(jù)源五個層級，數(shù)據(jù)源負責獲取各類型環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采集存儲層負責對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類整理、篩除無用數(shù)據(jù)、重復數(shù)據(jù)與失真數(shù)據(jù)，處理層采取數(shù)據(jù)挖掘與建立數(shù)學分析模型手段來執(zhí)行數(shù)據(jù)預測、關聯(lián)分析、概念描述等操作，共享層通過標準化接口將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)學模型發(fā)送至上級平臺，應用層在界面上顯示生態(tài)環(huán)境綜合評價、健康風險評估等功能模塊，用戶通過界面來查閱環(huán)境監(jiān)測信息、下達各項控制指令。最后，在環(huán)境監(jiān)測平臺中設置數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)采補、數(shù)據(jù)清洗等功能模塊。其中，數(shù)據(jù)轉換模塊負責對各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)轉換為特定格式編碼，數(shù)據(jù)采補模塊負責按照相應采補規(guī)則對傳輸、處理期間損毀丟失的數(shù)據(jù)文件進行補充完善，數(shù)據(jù)清洗模塊負責從龐大數(shù)據(jù)流中篩選出高價值信息、篩除重復無用信息與不實信息，通過縮減數(shù)據(jù)規(guī)模的方式來提高數(shù)據(jù)處理效率。

3.3 云技術

近年來，隨著信息化技術的日趨完善與推廣普及，在推動環(huán)境監(jiān)測事業(yè)高速發(fā)展、持續(xù)提升環(huán)境監(jiān)測效率的同時，也在環(huán)境監(jiān)測期間持續(xù)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。在這一背景下，如果仍舊將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫，以及將復雜計算任務交由環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)處理，會對系統(tǒng)運行狀態(tài)造成干擾，導致數(shù)據(jù)庫崩潰、數(shù)據(jù)丟失損毀問題，同時，這也對提高對環(huán)境監(jiān)測項目軟硬件設施的配置要求，間接加大環(huán)境監(jiān)測成本。針對于此，為擺脫軟硬件設施對大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術應用造成的限制，需要應用到云技術。例如，在數(shù)據(jù)存儲方面，環(huán)境監(jiān)測機構向云服務商租賃云存儲型平臺，直接將環(huán)境監(jiān)測期間收集到的各類信息上傳至云平臺加以存儲，將其中的重要信息提交至本地數(shù)據(jù)庫作為備份，在工作期間，監(jiān)測人員直接訪問云平臺來查閱相關資料數(shù)據(jù)，執(zhí)行文件編輯、傳輸、下載等操作，同時，還可以在云平臺中建立若干類型數(shù)據(jù)庫，解決異構數(shù)據(jù)相沖突的問題。而在數(shù)據(jù)計算方面，環(huán)境監(jiān)測機構租賃計算型云平臺，將計算任務提交至平臺，采取分布式方式進行運算處理，將任務分配至服務器集群，由多臺服務器計算分支任務，再將計算結果匯總整理，根據(jù)實際需求來提供相應的計算能力，這有利于保障環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行流暢、提高計算效率、強化數(shù)據(jù)處理能力。

3.4 無人值守

在早期開展的環(huán)境監(jiān)測工作中，雖然逐漸樹立起大數(shù)據(jù)思維，大數(shù)據(jù)技術得到應用推廣，但技術應用場景較少，主要負責完成數(shù)據(jù)采集、生成圖表、統(tǒng)計分析、環(huán)境預報等工作，仍舊需要監(jiān)測人員開展野外采集樣本、實驗室檢驗等工作，環(huán)境監(jiān)測效率有待提升，無法做到對生態(tài)環(huán)境質量的全天候監(jiān)測，并在出現(xiàn)暴雨、強風等惡劣氣候時面臨無法前往監(jiān)測點采樣的難題。

因此，現(xiàn)階段環(huán)境監(jiān)測工作重點在于，持續(xù)拓展大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術的應用范圍，搭配使用大數(shù)據(jù)、信息傳感、遠程控制等信息技術，建設一批具備高度自動化水準的無人監(jiān)測站，在站內配置采樣單元、樣品預處理單元、主控單元、氨氮分析儀、COD分析儀等設施設備。在后續(xù)環(huán)境監(jiān)測期間，大數(shù)據(jù)平臺按照預先導入控制方案來下達控制指令，操縱儀器設備完成采樣、樣品預處理、樣品檢測等操作，再將檢測結果上傳至環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，或是由監(jiān)測人員遠程控制設備完成監(jiān)測任務，實現(xiàn)無人值守目標。如此，監(jiān)測人員僅需定期對各處自動監(jiān)測站的儀器設備進行調試檢查和維護保養(yǎng)，校準設備參數(shù)，更換腐蝕受損與老化嚴重的儀器設備即可，極大減輕了環(huán)境監(jiān)測工作負擔。

近年來，濰坊市在濱海區(qū)、高新區(qū)等多個城區(qū)陸續(xù)建設大量的自動監(jiān)測站，持續(xù)監(jiān)測大氣質量、土壤質量與水質量，在站內配置SO2分析儀、03分析儀、顆粒物分析儀等設備，持續(xù)對土壤pH值、二氧化硫濃度、可吸入顆粒物濃度等環(huán)境指標加以監(jiān)測，這對城區(qū)環(huán)境質量日報的發(fā)布提供強有力的技術支撐。例如，在峽山水庫的3條上游支流入庫口與水廠取水口分別建立一座自動在線監(jiān)測站，對入庫水質與取水水質進行24 h全天候監(jiān)測，在水質參數(shù)變化時快速報警，并把問題反饋至水廠，采取調整生產(chǎn)工藝、停止取水線等措施，最大程度保障市民用水安全。

4 結語

綜上所述，在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測工程中，大數(shù)據(jù)技術在信息采集處理、環(huán)境質量評價、決策制定等場景中均得到落地應用，與常規(guī)環(huán)境監(jiān)測技術相互交織融合，形成一套全新的大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術體系，被業(yè)界一致視為環(huán)境監(jiān)測事業(yè)的必然發(fā)展趨勢。各環(huán)境監(jiān)測機構都應對大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測技術予以高度重視，認識到技術應用價值，進一步推動技術體系的采集分類、集成共享、云技術發(fā)展。