基于數據挖掘的城鎮生態環境監測方法研究

摘要：對城鎮生態環境監測中數據挖掘技術的應用進行研究，旨在提高城鎮生態環境監測的效率和準確性。通過介紹城鎮生態環境傳統監測方法的現狀與難題，詳細闡述數據挖掘技術在城鎮生態環境監測中的應用前景和應用方法，以山東省濟南市碳監測評估體系建設為案例，詳細論述該一體化智慧監測體系及其優勢。

關鍵詞：城鎮生態；環境監測；數據挖掘；碳監測

引言

在快速城鎮化的背景下，我國城鎮生態環境問題越發突出。建立科學有效的環境監測體系，對保障人民群眾生態環境權益和促進城市可持續發展具有十分重要的意義。2022年2月，國家發展改革委和生態環境部等聯合印發的《關于加快推進城鎮環境基礎設施建設的指導意見》指出，“改善生態環境質量、增進民生福祉的基礎保障，是完善現代環境治理體系的重要支撐”。傳統的城鎮生態環境監測方法由于存在數據量大、精度低、空間分辨率低等問題，難以滿足實際需要，而數據挖掘技術能夠充分發掘數據內部規律，挖掘出有用的信息，提供更準確、高效的解決方案，因此在城鎮生態環境監測領域的應用前景廣泛。本文從城鎮生態環境監測現狀與難題、數據挖掘方法及應用、案例分析等方面進行探討，為城鎮生態環境監測提供參考。

1城鎮生態環境監測的現狀

1.1城鎮化對生態環境的影響

城市化進程的加速使城鎮面積不斷擴大，產業結構不斷變革，大量農村土地被轉變為城市用地，導致農田面積減少和生態系統失調，影響到碳、氧等物質的循環[1]。土地資源的消耗和城市擴張對自然生態系統造成了壓力，生物多樣性受到威脅。城鎮生態環境問題日益凸顯，包括PM2.5污染、水質污染、噪聲污染、地質災害等，嚴重影響人們的身體健康和生活質量，對經濟發展和生態可持續性也造成了重大威脅。

1.2傳統監測的問題和局限性

我國對城鎮生態環境的傳統監測主要依靠人工調查與現場觀測，數據量大、精度低、空間分辨率差，并且由于需要人工干預，通常需要專業人員和精密設備進行現場采樣及分析，人力物力不僅成本高而且效率較低[2]。另外，城鎮生態環境具有復雜的空間分布和時空變化特征，監測數據的獲取和處理都有較大困難，且不同區域的環境狀況也存在差異性，因此監測站點的選取和布局需要進行科學合理地規劃。由于環境受氣象、交通、工業排放等因素影響，因而如何從復雜的數據中提取有效信息和規律也是一個挑戰。

1.3 數據挖掘技術的優勢

數據挖掘技術可從海量的大數據中自動發現模式、分析關聯規律并預測未來趨勢，為城鎮生態環境監測提供更準確、高效的解決方案。通過數據挖掘，可實現對城市環境數據的聚類分析、關聯規則挖掘、時空分析與預測等。另外，可視化技術將更加注重用戶體驗和交互性，能進一步增強對城市生態環境的認識和管理能力，在城鎮生態環境監測中具有廣泛的應用前景。

2數據挖掘在城鎮生態環境監測中的應用

隨著生態文明建設和生態環境保護進入數據驅動的新時代，數據挖掘技術在生態環境保護領域中應用的廣度和深度都得到了不斷加強。但數據挖掘方法在城鎮生態環境監測中的應用，還需要全面考慮數據采集、特征選擇、模型建立和可視化等方面的因素[3]。只有采用合適的方法和策略，才能獲得可靠的結果，并為城市的可持續發展提供科學依據。

2.1數據采集和預處理

在城鎮生態環境監測中，確定關鍵的監測指標、采集相關數據是保證數據挖掘工作有效開展的重要步驟[4]。由于傳統數據采集需要大量的人力、物力和財力，易受外部環境因素干擾，影響數據準確性和穩定性，且獲取的數據量大、格式各異、處理復雜，因而難以滿足對環境監測數據高質量、高效率、全面性和實時性的需求。為獲取相應的監測數據，利用傳感器技術、監測站和衛星遙感等多種渠道進行實時數據采集，既能極大地提高監測效率，經過質量評估和清洗又能保證數據的完整性、準確性和可靠性。另外，利用社交媒體平臺和開放數據源獲取一些非傳統的環境數據，也能為環境監測提供補充信息，如公眾對環境問題的反饋、環境事件的實時報道等。

由于數據源的多樣性，數據缺失、異常點、噪聲等因素會對數據分析和建模造成影響，因而需要采用數據清洗、數據轉換和數據歸一化等方法，對數據進行預處理，以及對數據進行完整性檢查和準確性驗證，確保數據沒有缺失關鍵信息和排除可能存在的異常值和錯誤數據。此外，還需評估數據來源的可信度和監測方法的精確性等，以確保數據質量和可靠性。

2.2特征選擇與提取

由于城鎮生態環境監測中往往需要處理大量數據，且其中大部分數據對目標問題而言并不是有用的信息，因而需要進行特征選擇與提取來降低數據維度、減少冗余信息和噪聲干擾，從大量數據中篩選和提取出與監測問題相關的特征[5]。同時，可根據數據的類型和監測問題的特點，選擇使用過濾式、嵌入式、包裹式等方法[6]，將原始數據轉化為具有更高代表性和可解釋性的特征。但特定的特征選擇和提取方法取決于具體的監測問題和數據類型，如可使用主成分分析（PCA）[7]、獨立成分分析（ICA）[8]等方法對空氣質量監測數據進行特征提取，幫助發現數據中的規律、趨勢和異常情況，以及更好地理解和解釋數據，提高數據處理和分析效率，實現對城鎮生態環境的深入研究和分析。

2.3建立模型和預測

建模階段是數據挖掘過程中的核心階段，其直接決定了最終的結果。因此，根據監測問題的不同，提出適合的建模方法可更好地理解環境變化趨勢、預測未來情景。如，聚類分析可用于發現地區或時期間的相似特征，分類與回歸分析可用于預測和分類問題，時間序列分析可用于研究時間相關性和預測趨勢。但在建立模型的過程中，需根據預先定義的數據挖掘任務，選取適當的算法和模型參數、訓練模型優化，并進行模型驗證和調整以確保準確性。經過驗證和調整后，建立好的模型可用于預測城鎮生態環境變化趨勢和異常情況，為決策者提供科學參考，支持環境保護決策和措施的制定[9]。

2.4結果可視化和呈現

數據激增在帶來數據收集便捷化的同時，也對成果展現提出了挑戰，因此可視化技術應運而生并逐漸成為不可或缺的一部分?？梢暬侵甘褂靡曈X手段將數據或信息以圖形化方式呈現，使得人們能夠更直觀、淺顯易懂地理解和分析數據。通過可視化和呈現，不僅可將數據挖掘分析結果以圖表、地圖等形式呈現，也可直觀地呈現環境指標隨時間的變化趨勢、不同地區之間的比較以及與環境標準的對比等，使其具有更好的可讀性和可交互性。如，可利用多維可視化技術將不同指標的數據以三維形式展示，幫助決策者全面了解各個指標之間的關系，且圖表中的顏色、形狀和標簽等元素也可用來表示不同的類別或程度，進而提供更多的信息。

空間可視化是針對城鎮生態環境監測中涉及空間數據的一種方法，將數據以地理位置為基礎進行展示，同時熱力圖、等值線圖、氣泡圖等方法也可直觀地展示空間分布的差異和趨勢，幫助識別潛在的環境問題區域。交互式可視化能主動參與數據探索和分析過程，通過使用交互式圖表和地圖，自由選擇感興趣的數據范圍、時間段或區域，并應用特定的過濾和聚焦功能，更深入地了解數據并發現有價值的信息[10]。此外，為處理城鎮生態環境監測中的復雜數據，三維可視化技術還可提供更全面的視角和更豐富的信息，如通過建立城市模型并在其中插入環境指標數據，直觀展示城市不同區域的環境狀況和變化趨勢，幫助更好地了解城鎮生態環境問題并促進及早地采取相關措施。

3濟南市碳監測評估體系案例分析

山東省濟南市是一個典型的城鎮生態環境監測案例，也是當前山東省唯一開展城市碳監測評估的城市。相比PM2.5等大氣污染物，碳監測難度更高且對精確性的要求也更高。以往山東省的生態環境監測數據多采用簡單的“同比”“環比”等數理統計方法，對多要素之間的關聯性研究不夠深入，自動化程度不高，缺乏高附加值的環境監測信息產品，不能很好地滿足環境管理需求，因此作為一個全新的課題，碳監測開始進入山東省濟南生態環境監測中心的工作范疇。

3.1 碳監測體系的搭建

從傳統監測向智慧監測轉型升級后，濟南市碳監測網絡體系建設正式啟動?；诒O測站點建設的代表性、前瞻性等原則，濟南市充分考慮城市現有整體布局，為了符合要求，溫室氣體采樣頭通常設置在高度約為50m的高塔之上，因此在二氧化碳高、中、低值區域及背景點分別設置監測點位。目前，濟南市建立了8個溫室氣體高精度監測站、20個二氧化碳中精度監測站點和35個甲烷中精度監測站點，采用高、中精度監測。

碳監測設備先利用采樣泵將空氣樣品抽入地面站房的采樣管路中，在站房內樣品氣經過一級除水設備以4℃的條件去除明水；接著通過冷阱將氣體制冷至零下50℃左右，進一步去除水汽；然后經過水汽去除處理之后的樣品氣，進入高精度分析儀進行分析；最后通過分析儀對樣品氣中的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、一氧化碳、水汽等成分進行檢測，并利用數據采集軟件實時上傳分析數據至我國環境監測總站。因此，可利用衛星遙感、地基遙感、無人機、走航和人工監測等多種手段方式，搭載溫室氣體監測儀和氣象集成設備等，在高精度站點和重點工業園區范圍內及周邊開展協同監測。這些監測手段可獲取二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氧化亞氮、揮發性有機物的濃度情況和氣象參數，從而構建“天空地”一體化的溫室氣體立體監測系統。

除了積極搭建溫室氣體高精度在線監測網絡，濟南市還建設了高標準溫室氣體手工監測實驗室，通過氣相色譜儀對城市大氣、污染源、典型生態系統的溫室氣體進行全面監測，并利用先進的監測設備和技術以監測結果為依據核算城市、行業、企業溫室氣體排放量，實現一次進樣同時精確分析CO2、CH4、N2O、SF6、CO共5種氣體的組分。高標準溫室氣體手工監測實驗室建成后已與中國環境監測總站完成數據聯網，由山東省濟南生態環境監測中心負責日常管理，監測數據上傳至中國環境監測總站。

3.2 碳監測體系的優勢

濟南市在重點行業企業開展了溫室氣體自動監測的試點，并依托現有環境監測監控平臺開發溫室氣體管理模塊，以實現溫室氣體數據自動聯網傳輸。目前，已有4個重點行業中的25個監測點位實現溫室氣體自動監測和數據聯網傳輸，其高精度溫室氣體在線監測網絡的設備精度達到0.05%，比常規空氣監測站的設備對氣態污染物的監測精度提升大概100倍。通過對碳減排政策的實施情況和相關數據進行評估分析，評估其對碳排放的影響和減排效果及典型生態系統碳匯能力，協同推進降碳減污，推動環境形勢綜合分析從經驗判斷向科學決策轉變。同時，完成國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室開放課題《環境空氣 二氧化碳、甲烷、一氧化碳的測定氣相色譜法監測質控技術研究》，并在此基礎上構建了一套適合我國國情的溫室氣體人工監測質量控制系統，可為科學評價我國氣候變化提供可靠的數據支持。

在低碳城市試點建設的5年時間里，濟南市的生態環境質量取得了重大突破。到2022年，濟南市空氣質量綜合指數在全國重點城市中實現了大幅提升，達到有監測記錄以來的歷史最佳水平；國家控制的水體好三類水比例連續2年達到100%，水質指數在全省位居首位；國家級和省級生態文明示范區及“兩山”實踐基地的創建數量在山東省名列前茅。目前，濟南市碳監測評估的試點工作已取得多方面進展，為新時代智慧監測創新應用提供了可復制、可推廣、可示范的“樣板”，也為城市環境監測評估體系建設做出了先行探索。

結語

上述介紹的基于數據挖掘的城鎮生態環境監測方法，不僅提高了監測效率和準確性，還能幫助發現異常情況和預測環境變化趨勢，為城市的環境監管和治理提供高效的科學方法。然而，數據的質量和時效性、模型的建立和選擇及數據隱私和安全性等也是需要重視的問題。因此，今后還需對該方法進行更加深入的研究，通過不斷的技術創新和方法改進，實現更精準、高效的城鎮生態環境監測。

參考文獻

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作者簡介

鞏天驕（1985—），女，漢族，山東濟南人，工程師，碩士，研究方向為環境保護工程。

通信作者

鞏憲偉（1987—），女，漢族，山東濟南人，助理研究員，碩士，研究方向為模式識別與智能系統。