推動生態環境規劃數字化轉型的研究與思考

蔣洪強，王廷玉，盧亞靈,3，王明旭

（1.生態環境部環境規劃院國家環境保護環境規劃與政策模擬重點實驗室，北京 100144；2.天津大學環境學院，天津 300354；3.生態環境部環境規劃院企業綠色治理研究中心，北京 100144；4.廣東省環境科學研究院碳中和與應對氣候變化實驗室，廣東廣州 510045）

引言

規劃是從理念到行動、從理論到實踐的政策載體與橋梁，是針對未來發展整體性、長期性、基本性問題而設計的整套行動方案，國家的規劃體系在推進國家治理體系和治理能力現代化進程中發揮了越來越大的作用[1,2]。生態環境規劃指國家或者地方政府為解決突出生態環境問題，圍繞生態環境保護目標而制定的生態環境領域的規劃，通過實施相關重要任務和重大環保工程、完善政策措施，為生態環境保護和生態文明建設提供綱領性指南。作為生態環境保護的重要工作，中國生態環境規劃經過近50 年的發展，體系不斷優化，技術方法不斷創新。

隨著我國經濟社會與生態環境變化，生態環境保護工作面臨新的形勢和難題，由此對生態環境規劃編制與實施的系統性、科學性、可操作性和空間化、精細化、精準性等提出了越來越高的要求，必須加快推進生態環境規劃的數字化轉型。第一，這是數字化信息化時代發展的要求。早在1998 年，戈爾便提出了“數字地球”的概念，數字化由此進入城市和全球治理領域[3]。隨著數字模型、空間分析、大數據、云計算、人工智能、區塊鏈、虛擬現實等技術的不斷涌現，數字化技術在生態環境保護中的應用越來越廣泛。第二，這是生態環境治理體系與治理能力現代化的要求。隨著生態環境保護工作進入深水區，要求生態環境治理更加注重精準、科學，傳統的生態環境規劃方法已經不適用新的形勢要求，與生態環境新型治理體系相適應的生態環境規劃需要數字化技術的支撐。三是科學編制與實施生態環境規劃的要求。數字化技術的應用可以提高生態環境規劃數據收集和形勢分析的效率和準確性；數值模擬、大數據分析、數字空間分析，可以提高生態環境規劃目標的制定與分配的科學性，優化規劃文案，提高規劃實施的效率。

1 生態環境規劃數字化技術發展歷程

中國生態環境規劃伴隨著生態環境保護的發展而發展，經歷了從無到有、從“計劃”到“規劃”、從簡單到完善的過程。1973 年第一次全國環境保護會議提出的32 字環境保護工作方針，揭開了我國環境保護規劃工作的序幕[4,5]。1975 年以來，我國已經編制了10 個國家五年綜合生態環境保護規劃[6]。“五五”“六五”環境保護計劃的編制，屬于逐步探索的起步階段[7]，數字化技術在我國應用很少，對規劃編制工作支持較少。“七五”環境保護計劃的科學性有了顯著的提高，第一次形成了內容比較豐富、指標比較齊全、方法比較科學的環境保護五年計劃。此后規劃編制方法的科學化、模型化得到應用并有了較大的進展，尤其是主要污染物環境容量計算和總量減排核算技術得到發展。“十二五”“十三五”時期的規劃以環境質量改善為核心，首次提出統籌生態與環境，突出環境質量改善與總量減排、生態保護、環境風險防控等系統聯動。規劃編制過程中，通過經濟社會與空氣質量、水環境質量和土壤質量等預測模型的聯動應用，結合空間分析和大數據等信息技術，實現經濟社會與污染物排放和環境質量的關系解析，保障規劃的順利實施和目標實現，極大地提高了環境管理系統化、科學化、法治化、精細化、信息化水平。

1.1 數值模擬模型

數值模擬模型是生態環境規劃的重要工具。運用模型模擬現狀或預測未來，為開展生態環境規劃工作提供科學依據。自20 世紀20 年代中期，國外研究人員開始借助模型研究環境問題，最典型的模型為Streeter-Phelps（S-P）水質模型，至今為止已有90 余年的歷史。其間，不同領域的環境模型逐漸出現，模型技術水平得到了長足的進步和不斷的深化，呈現出發展速度越來越快、計算精度越來越高、模型種類和應用越來越廣泛的特征。總體看來，環境模型的發展歷程大致劃分為以下三個階段。

第一階段（20 世紀20 年代—70 年代）：該階段是各領域環境模型形成和運用的開始時期。第一階段的水質模型大多為簡單的氧平衡模型，屬于一維穩態模型，代表模型是BOD-DO 模型，之后美國國家環保局（USEPA）發布了QUAL II 系列模型。第一代空氣質量模型誕生于70 年代早期，主要是基于質量守恒定律的箱式模型、基于湍流擴散統計理論的高斯模型和拉格朗日軌跡模型。跨多學科的氣候變化綜合評估模型（IAMs）形成于60 年代。國外對土壤環境模型的研究起步較早，而我國土壤環境模型定量觀測自40年代才開始興起，通用土壤流失方程（USLE）模型開始得到應用。這一時期的地下水模擬采用的是電類比模型，并逐漸由類比法過渡到數值法。該階段的環境模型操作相對簡單，算力要求較小，但無法模擬過程復雜的環境問題。例如，水質模型的類比法除了能在一定程度上給出對流計算的流速場之外，并不能夠描述復雜的地下水溶質遷移的問題；第一代大氣模型運算速度快，但其結構簡單，對于大氣環境中大氣化學、大氣物理過程的模擬效果較差，無法滿足短期、高精度大氣污染物濃度模擬的需求。

第二階段（20 世紀70 年代—90 年代）：這個時期是環境模型的快速發展時期，隨著計算技術的不斷提升以及計算機的逐步推廣，該時期中出現了多維、多介質等多樣化特征的環境模型，結合實際的運用更為充分。代表模型有湖泊水庫一維模型LAKECO、WRMMS、DYRESM 等，河流水質模型WASP 等，第二代空氣質量模型CIT、UAM、RADM、ROM 和ADMO 等，各種帶有物理機制的土壤環境模型EPIC、WEPP、EUROSEM、GUEST、 回歸分析（APCSMLR）、正定矩陣因子分解（PMF）模型等。受到計算機領域高速發展的影響，這一時期地下水溶質遷移模擬也得到了較快發展，具有較高仿真度的數值法很快成為地下水模擬的主流方法并延續至今。相比第一階段，這一階段的環境模型實現了更精細化的模擬與預測，但仍然具有一定局限性。例如，第二代大氣模型考慮了復雜的大氣化學、大氣物理過程，模擬結果更準確，但其結構更復雜，并且沒有考慮不同大氣污染物之間的產生、反應和消除機制。

第三階段（20 世紀90 年代至今）：這是相關環境模型深化、融合以及改進的時期，模型在不同國家和地區項目中實現了大量的運用。這一時期，RS、GIS 等大數據技術活躍發展，對環境模型的發展演進起到了積極的推動作用，模型的穩定性和精確性實現了大幅度進步。這一時期的水環境代表模型為BASINS 模型、WARMF 模型等；第三代空氣質量模型有Model-3/CMAQ、CAMx、WRF-Chem 和NAQPMS 等；氣候變化綜合評估模型IAMs 已經發展成為一個成熟的跨學科研究領域，涉及數百個模型，蓬勃發展的在線資源，以及數以千計的學術出版物和政策報告；RS/GIS 技術、UNMIX 模型、隨機森林模型、人工神經網絡模型在土壤環境模型中得到廣泛應用。其中RS/GIS 技術的應用不僅解決了許多土壤環境模型機理設計上的難題，同時也解決了土壤環境模型研究中難以獲取許多面上數據的難題。形成了包括地下水污染模型、海水入侵模型、地下水溶質運移模型、大區域地面沉降模型、地下水資源管理模型、地下水—地表水聯合評價調度模型在內的地下水環境模型體系。其中，地下水溶質遷移模擬領域發展很快，三維水流模型與有限元算法程序的引入推動了遷移技術的發展，特別是高速發展的計算機技術使得研究人員可以對野外項目進行模擬。在這一階段，模型精細化程度進一步提高，例如，第三代大氣模型針對每個三維網格單元考慮其復雜的大氣化學、大氣物理過程，可以實現特定時間、特定區域實時大氣污染物濃度模擬。然而，這些數值模擬模型仍然面臨結構復雜、算力要求高、操作難度大等問題。

1.2 生態環境規劃其他數字化技術

為了追求模擬效果的準確性和精確性，環境模型的發展將更加復雜，這對算法、算力等方面都提出了更高的要求。當前許多環境模型的環境基礎信息獲取詳細程度不夠，制約了數值模型結果的精度。通過深入增強環境模型與“3S”技術結合，充分利用RS 動態監測信息和GIS 空間數據管理功能，增強數據獲取能力、數據交互處理能力，以及實現結果的可視化輸出。跨越環境、物理、化學、數學及計算機等多個學科的環境模型對生態環境資料、排放清單等基礎輸入數據的內容及格式要求非常苛刻，模型輸出的海量數據同樣需花費較大人力進行維護、管理、分析及可視化處理。通過機器學習、云計算、人工智能等大數據技術，對數值模擬結果進行評估和檢驗，能夠有效縮短數值計算時間，降低計算成本。甚至在不考慮復雜反應機理的情況下，機器學習和深度學習從統計理論和數據科學的角度出發，通過算法尋找輸入數據的分布規律，使計算速度大幅提升，計算成本大幅下降，成為科學、精準治污的重要手段。

除了傳統的環境數值模擬技術，其他數字化技術如空間技術、大數據技術、智能決策技術等也越來越多地應用于生態環境規劃中，幫助環境模型突破發展與應用的限制，逐漸成為生態環境規劃中必不可少的關鍵技術。

1.2.1 數字空間技術

以衛星遙感為主的空間監測技術已在生態環境規劃管理中被廣泛應用。建立“天地空一體化”的數據感知系統，是生態環境大數據建設的前提。以現有的生態環境監測網絡為基礎，物聯網、衛星遙感、低空航測等技術逐步被引入，覆蓋空間維、時間維、光譜維、要素維的生態環境立體遙感監測網業已形成，“天地一體化”遙感監測、視頻監控等智能監測體系已經在構建中[8]，為生態環境規劃提供了多維度的基礎數據。依托數字空間技術和地理信息系統軟件，重點區域、重點流域和全國的高精度規劃空間分析和定量化評估拓展成為現實[9]。當前，以數字空間、GIS 等為主的生態環境空間規劃技術已支撐全國開展多項重要工作，構建了環境功能綜合評價和劃分技術方法體系，完成了全國環境功能評估，建立了以區域生態環境結構、功能、承載特征維護為主線的管控模式。此外，《“生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和環境準入負面清單”編制技術指南（試行）》等重要文件已明確依托數字空間技術，建立完善生態環境分區管控體系作為各級生態環境規劃和空間管控的基礎。

1.2.2 大數據技術

大數據技術包括移動互聯網、數據挖掘、云計算、物聯網、衛星遙感、人工智能等技術體系。相比于傳統數據庫，大數據技術能夠高效獲取、存儲、管理、分析來源復雜的海量數據[10]。基于“天地空一體化”的生態環境智能感知系統獲得的海量生態環境數據，可為生態環境規劃的編制與實施提供大數據決策支持。例如，有關機構建立的生態環境規劃與政策模擬大數據平臺為國家五年生態環境規劃提供了重要技術支撐。同時，其開發的面向流域精細化管理的全國流域水環境大數據庫涵蓋了污染源、水質、水文、氣象、經濟社會及其他空間數據等多要素綜合數據，形成了“大數據+源解析+智能對策”水環境精細化管理技術，全面支撐流域規劃管理決策[11]。

1.2.3 智能決策技術

科學治污、精準治污和依法治污，對生態環境規劃編制的科學性和精細化的要求越來越高，智能決策技術也得到越來越廣泛的應用。以PM2.5與O3協同控制[12,13]、減污降碳協同增效[14]為重點，空氣質量精細化調控、污染源全過程管理、大氣環境與碳排放協同增效等關鍵數字化技術越來越成熟。集成大氣環境容量三維迭代算法、多尺度空氣質量模擬系統、減污降碳綜合分析系統的集“精細溯源—靶向調控—協同增效”于一體的空氣質量綜合管理技術，有效提升了打贏藍天保衛戰科學決策水平。有關單位和學者開發形成的碳排放—能源集成模型（ICEM，Integrated Carbon and Energy Model）[15]，包含行業發展、技術措施、減煤降碳分析和社會經濟影響等模塊，根據碳達峰碳中和和能源總量強度的約束，使社會經濟、能源消耗、氣候變化、大氣環境和成本效益這五類變量滿足技術與經濟可行，通過行業關聯反復迭代尋求最優的措施方案，還建立了“減排成本—環境效益—健康收益—經濟影響”的環境政策費用分析技術體系，創新重大環境規劃措施的費用效益分析以及宏觀經濟影響量化模擬技術，有效支撐了國家“大氣十條”“藍天保衛戰”“污染防治攻堅戰”“散煤治理政策”等重大政策的費效評估和經濟社會影響測算，為國家重大環境規劃政策出臺提供了科學支撐[16]。

2 數字化對傳統生態環境規劃提出的挑戰

2.1 數據基礎不全

當今時代，數字化技術在促進各類行業和領域的轉型中扮演著關鍵的角色，生態環境領域也不例外。隨著數字化技術的發展，數據的生成和收集數量持續增加，迫切需要生態環境規劃使用數字化技術來有效地管理和使用這些數據，科學分析研判生態環境形勢。原有的生態環境規劃編制過程中，所使用的數據可能不夠全面、準確可靠和及時，影響規劃編制的效果。數據不全面是因為規劃需要社會經濟、資源能源、生態環境以及相關領域的多源數據，對這些數據的采集不夠系統和完整；數據不準確可靠是因為數據分析方法和技術不夠先進，或者所需數據分散于各業務系統中，存在“散、亂、弱”和多源數據傳輸難、整合難、共享難等問題，難以支撐日益提高的生態環境管理與規劃決策要求[17]；數據不及時主要是由于數據周期的局限性，或者隨著時間的推移，數據可能不再適用。這些問題都將影響到生態環境規劃的科學性、合理性和可行性。因此，需要適應時代需要，依靠數字化手段、采用更先進的數據采集和分析技術，加強數據的準確性、可靠性和及時性，從而提升生態環境規劃編制的效果。

2.2 技術支撐不強

隨著生態環境管理對精細化和落地性的要求提升，區域大氣環境規劃、流域水環境規劃、土壤環境規劃等所需要的空氣質量、水環境質量和土壤—地下水環境質量數值模擬的精度和準確度需求也越來越高，傳統生態環境規劃編制中的一些技術方法已經不適用。傳統生態環境規劃中數據統計分析和挖掘方法缺失，導致生態環境形勢研判不深入。空間分析技術應用不實導致空間管控分區不落地，影響了規劃的科學性和可操作性。隨著生態環境從分散化治理向系統化治理、從末端治理向全過程治理、從經驗治理向數據治理轉型[18]，需要數字化技術賦能生態環境規劃。數字化技術的應用可以提高生態環境規劃數據收集和形勢分析的效率和準確性，為科學編制生態環境規劃提供科學基礎。數字化技術的應用還可幫助解決復雜生態環境問題所帶來的挑戰，例如規劃數據的有限性、生態環境系統的不確定性以及對新興環境問題快速做出反應。

2.3 實施體系不實

隨著生態環境問題日益復雜和生態環境保護進入深水區，要求生態環境治理更加注重精準、科學、依法，在技術上要求加快推進生態環境治理體系與治理能力現代化。總體上，生態環境新型治理體系建設，要求以數據融合代替部門融合、地域融合，構建數據共享、部門協同的生態環境治理體系[19]，進而要求生態環境規劃實施必須實現技術、模式和能力等多維度重構[20]。顯然，傳統的生態環境規劃實施系統已經不適用新的形勢要求。原有的生態環境規劃實施主要依靠人為調度、收集數據資料進行評估，局限性日益明顯。隨著數字化技術的發展，生態環境規劃的實施，特別是重要任務的調度落實、重點工程項目的實施進度評估等，需要數字化信息系統支持。數字化信息系統可以將規劃目標和工程任務分解到各地區，展示規劃實施進展和目標完成情況，提供更形象、更直觀、更高效的調度和展示方式，使得生態環境規劃的決策更加明確；通過數字化信息系統可以對規劃實施情況進行實時評估和監督，更好地管理和跟蹤生態環境規劃項目，提高規劃實施效率；還可以及時發現問題，并對問題進行快速響應。

3 未來推動環境規劃數字化轉型的若干建議

大數據、人工智能、復雜模型、數字空間、虛擬現實等技術的發展助推了生態環境治理體系與治理能力現代化[21]，為生態環境保護工作帶來了前所未有的機遇。在新時代浪潮中，充分利用數值模擬、大數據、數字空間分析、虛擬現實等數字化技術是生態環境規劃發展的必然趨勢。

為了解決傳統生態環境規劃面臨的數據基礎不夠、技術支撐不足和實施系統不完善等問題與挑戰，可以通過大數據相關技術的加持和迭代，增強大數據技術的數據挖掘應用、數值模擬技術升級應用、數字空間分析技術應用和虛擬現實技術應用，有效提升生態環境規劃技術水平，保障規劃決策的科學性、準確性、可實施性和可表達性（圖1）。

圖1 生態環境規劃數字化轉型的體系框架

3.1 加強數值模擬技術在生態環境規劃模擬預測中的應用，確保規劃的科學性

生態環境規劃編制是一項復雜的系統工程，涉及的學科種類多、基礎數據多、目標指標多、任務層次多，是一項在時間、空間、目標、任務、進度等方面多位一體化的綜合系統集成工作。為提高規劃的科學性、前瞻性、指導性和可操作性，在規劃編制和實施的各個環節中，都需要大量的基礎數據、情景分析模型方法、計算機模擬關鍵技術的支撐。例如，結合了大數據技術的污染擴散、預測等模型可以預測環境系統受到污染的演變軌跡與發展趨勢，進而提升處理環境污染問題的及時性和準確性；運用大數據技術設計的仿真系統能夠模擬建設項目在施工期和營運期對環境產生的影響，由此來調整建設項目的選址要求、建設條件、環保要求等。因此，應根據生態環境規劃工作的需要，應用更加精準的生態環境經濟的綜合預測、環境目標的科學制訂分配、大氣環境模擬、水環境模擬、碳達峰推演、環境規劃評估費用效益模型等，保證生態環境規劃的科學性。

3.2 提高大數據技術在生態環境規劃數據挖掘和分析中的應用，確保形勢研判的準確性

生態環境規劃涉及經濟社會、資源能源、生態環境以及工業、農業、交通運輸等多源數據。隨著云計算、物聯網、移動互聯網、數據挖掘等新技術的不斷涌現以及衛星遙感、無人機、無人車、無人船、視頻監控等智慧感知技術的應用，生態環境規劃逐漸實現了涵蓋多領域的動態環境監測和實時數據獲取，極大地克服了傳統環境規劃編制中面對的數據不全面、不準確、不可靠和不及時的弊端。大數據時代下的生態環境規劃工作要面對更海量、更復雜、更多維的數據，大數據分析技術為處理龐大的數據集合和復雜的信息類型提供了重要的工具。 特別是高分辨率的排放清單編制、高時間分辨率的環境經濟形勢分析與研判、快速的環境質量模擬與環境承載力分析，需要借助大數據技術進行分析，提高規劃形勢研判的準確性。此外，國民經濟發展規劃、國土空間規劃等也越來越借助數字化技術；作為規劃體系的有機組成部分，在數字化技術的多維度宏觀統籌下，生態環境規劃可以實現與其他規劃的有效銜接，從而更全面和系統地揭示經濟社會與生態環境之間的關系，支持制定更有效的政策和措施，最終促進經濟社會高質量發展與生態環境高水平保護。

3.3 強化數字空間分析技術在生態環境規劃空間落地中的應用，確保規劃可落地實施

生態環境規劃越來越注重與精準化時空的結合，數字空間技術已經成為生態環境規劃核心分析工具。數字化技術可以幫助決策部門科學分解規劃目標和任務，有效調度規劃實施情況，評估分析生態環境規劃和重大環保工程實施的效果，加強對規劃實施進展的監督，提高生態環境規劃的執行效率。衛星遙感技術和空間關聯分析有助于加強生態環境空間管控和分區分類、規劃目標的時序和空間分解、規劃任務方案和目標指標匹配落地，幫助生態環境規劃從軟性規劃向約束型規劃轉變[22]。目前我國的大氣、水、生態、土壤等生態環境規劃工作中已經廣泛應用了遙感和地理信息空間技術[23]。隨著我國“雙碳”目標的提出，相關遙感技術也在“雙碳”規劃中發揮著重要作用[24]，有助于開展精準碳預算計算，為碳減排決策提供可靠依據。此外各類污染物和碳減排、環境質量目標的分解、任務措施和工程項目的制定、規劃實施情況評估等都需要落實到空間上，甚至是規劃單元格上，需要結合GIS、遙感等數字化空間分析技術，以更好分解責任，落實責任。作為生態環境空間管控基礎的“三線一單”編制和“三線一單”信息管理平臺的搭建也主要借助空間分析技術[25]，作為各類生態環境規劃編制的基礎。

3.4 強化虛擬現實技術在生態環境規劃實施中的應用，提高規劃可表達性

虛擬現實技術利用并綜合三維圖形技術、多媒體技術、仿真技術、顯示技術、伺服技術等多種高科技的最新發展成果，借助計算機等設備產生一個逼真的三維視覺、觸覺、嗅覺等多種感官體驗的虛擬世界，從而使處于虛擬世界中的人產生一種身臨其境的感覺，應用虛擬現實技術，可以有效地降低知識的抽象性水平。數字孿生等虛擬現實技術，通過感知設備實時采集污染源數據、氣象數據、水文數據等真實世界的生態環境數據，對生態環境規劃的各個實體要素進行動態監測、動態描述、動態預測等，可實時掌握生態環境的現狀、異常和趨勢，發現環境變化過程中的規律。以交通環境規劃為例，通過實現攝像頭等傳感器的數據處理，數字孿生技術可評估交通擁擠情況和大氣污染物、碳排放情況，并在云端模擬不同交通規劃控制方案，提高交通運行效率，減少能源損耗，實現綠色低碳發展的同時給用戶帶來更好的出行服務體驗。