基于大數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：地下水環(huán)境監(jiān)測是及時發(fā)現(xiàn)和解決地下水污染問題的關(guān)鍵。本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用監(jiān)測點層級、區(qū)域?qū)蛹壓驮破脚_層級的三層級架構(gòu)。同時，為了實現(xiàn)對地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識庫和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動兩種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測的具體應(yīng)用場景進行分析。研究結(jié)果對于構(gòu)建高效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的參考價值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地下水環(huán)境監(jiān)測；大數(shù)據(jù)；知識庫；數(shù)據(jù)驅(qū)動

引言

隨著中國工業(yè)化和城市化的加速發(fā)展，土地開發(fā)、工廠建設(shè)、化工企業(yè)排放等因素都導(dǎo)致了地下水質(zhì)量的惡化，地下水環(huán)境污染問題越來越嚴重[1]，而地下水環(huán)境監(jiān)測是及時發(fā)現(xiàn)和解決地下水污染問題的關(guān)鍵[2]。現(xiàn)階段，中國的地下水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋全國，但覆蓋面積存在著不均衡的情況。如，在一些地區(qū)，監(jiān)測點密度較大，可以較全面地反映當?shù)氐叵滤h(huán)境狀況；而在另外一些地區(qū)，監(jiān)測點分布較為稀疏，監(jiān)測信息的準確性和時效性都存在一定程度的不足[3]。與此同時，我國在地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)方面相對落后，一些關(guān)鍵技術(shù)，如污染物的運移和遷移模擬、超聲波和激光測距等高新技術(shù)，在國內(nèi)尚未普及或應(yīng)用不廣泛；一些地方的監(jiān)測設(shè)備較為老舊，監(jiān)測精度不高，數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提升。另外，地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的公開度也存在較大問題，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)沒有及時公開或公開精度低，數(shù)據(jù)保密性強，不便于研究和應(yīng)用。除此之外，監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標準需要進一步完善，以便進行數(shù)據(jù)比較和分析。

隨著科技的飛速發(fā)展，信息化和大數(shù)據(jù)技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注[4]。尤其是在地下水環(huán)境監(jiān)測方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以極大地提高監(jiān)測精度和效果，該技術(shù)可以對海量數(shù)據(jù)進行分析，識別污染源、判斷污染物的運移路徑和擴散范圍，有助于更快速、更準確地識別出污染源和發(fā)現(xiàn)地下水環(huán)境的異常情況，并及時采取相應(yīng)的措施進行治理和修復(fù)。同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)處理和利用效率。在大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中，往往存在著重復(fù)、冗余的信息無法很好地處理和利用，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠快速高效地搜索、清洗、篩選數(shù)據(jù)，去除數(shù)據(jù)噪點，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準確性，還可以快速分析過去的數(shù)據(jù)，預(yù)測未來趨勢，提高數(shù)據(jù)處理和利用效率[5]。此外，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互通。在當前的地下水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，不同部門采集了不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，嚴重制約了綜合分析、研究和監(jiān)管等工作的開展，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互通，使分散的數(shù)據(jù)資源能夠被有效整合，進而實現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析和研究，加強地下水環(huán)境的聯(lián)合防治和管理。

1基于大數(shù)據(jù)的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款高度集成的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過配置在監(jiān)測點上的各種監(jiān)測設(shè)備完成地下水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸。監(jiān)測點內(nèi)通過局域網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總，再傳輸?shù)皆摰貐^(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，然后上傳至大數(shù)據(jù)云平臺進行分析和數(shù)據(jù)挖掘操作。基于大數(shù)據(jù)的智能化地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用三層級架構(gòu)，包括監(jiān)測點層級、區(qū)域?qū)蛹壓驮破脚_層級，具體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 監(jiān)測點層級

監(jiān)測點層級是地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要完成地下水環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性和準確性，該層級主要設(shè)有2部分，即①監(jiān)測設(shè)備，該層級配備各種監(jiān)測設(shè)備，如地下水位計、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、溫度計等，這些設(shè)備需要被安裝在地下水監(jiān)測點，用于采集和傳輸數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測設(shè)備通過局域網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降叵滤h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)及時更新和記錄數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)域?qū)蛹?/p>

區(qū)域?qū)蛹壥堑叵滤h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的中心層級，主要聚合和分析從不同監(jiān)測點采集的數(shù)據(jù)。區(qū)域?qū)蛹売蓞R總數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)2部分組成，在該層級中，融合了多種數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)分析等，并為監(jiān)測人員提供了數(shù)據(jù)分析、報表制作等工具。區(qū)域?qū)蛹壖軜?gòu)的功能及作用有2個，即①匯總數(shù)據(jù)，該層級主要完成來自各個監(jiān)測點采集的地下水環(huán)境數(shù)據(jù)的匯總操作，根據(jù)監(jiān)測目標、監(jiān)測設(shè)備等多個因素，對數(shù)據(jù)進行分類匯總，形成一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)；②分析數(shù)據(jù)，也就是將經(jīng)過匯總處理后的地下水環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析處理，該層級主要通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速處理和挖掘，這些分析結(jié)果可以用來告知監(jiān)測人員關(guān)于地下水環(huán)境監(jiān)測的信息，如提醒人類活動對地下水的影響。

1.3 云平臺層級

云平臺層級是地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的最高層級，可以實現(xiàn)通過改進數(shù)據(jù)處理算法、模型等方式，挖掘海量數(shù)據(jù)的價值，同時通過連接不同資源池，處理大量數(shù)據(jù)并展示對應(yīng)信息，該層級可用于支持環(huán)境管理活動。云平臺層級架構(gòu)的功能及作用也有2個，即①處理數(shù)據(jù)，云平臺層級通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對來自不同區(qū)域?qū)蛹壷芯酆系暮Ａ繑?shù)據(jù)進行處理、分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后更為深刻的信息和趨勢；②提供服務(wù)，云平臺層級可以提供豐富的服務(wù)，如地下水環(huán)境監(jiān)測分析、環(huán)境影響預(yù)測、數(shù)據(jù)查詢等，支持不同監(jiān)管單位和環(huán)境管理活動的業(yè)務(wù)需求。

2 地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的兩種路徑對比

在基于大數(shù)據(jù)的地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的即時采集、傳輸、處理及分析，從而幫助環(huán)保部門準確了解當?shù)氐叵滤h(huán)境狀況，預(yù)警和監(jiān)測地下水環(huán)境污染，進而進行有效的治理和控制。為了實現(xiàn)對地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識庫和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動2種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測的具體應(yīng)用場景，分析這2種路徑各自的原理和優(yōu)勢。

2.1 知識庫路徑

知識庫路徑針對的是專家經(jīng)驗性和專業(yè)性較強的領(lǐng)域。在地下水環(huán)境監(jiān)測中，該路徑需要建立一個完整的知識庫，存儲和整合各級地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)地形數(shù)據(jù)、水處理技術(shù)等相關(guān)信息，并針對地下水環(huán)境監(jiān)測工作中的不同難點建立規(guī)則庫、專家?guī)欤缃Y(jié)合現(xiàn)場評估、分析、數(shù)據(jù)挖掘等方法，共同構(gòu)建一致的、完整的知識體系。

知識庫路徑的優(yōu)勢有2個，即①科學(xué)性強，該路徑基于領(lǐng)域?qū)＜覍?shù)據(jù)的理解和分析，更加科學(xué)、準確地分辨無關(guān)數(shù)據(jù)和重要數(shù)據(jù)；②決策速度快，將地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與規(guī)則庫、專家?guī)斓认嚓P(guān)信息結(jié)合起來，對數(shù)據(jù)進行多方面的分析和比對，能夠快速地確定監(jiān)管部門需要采取的措施，以保障環(huán)境安全、健康。

地下水環(huán)境監(jiān)測的知識庫路徑實現(xiàn)方式可以分為5個步驟，即①了解地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的基本特征和重要指標，包括水位、溫度、 pH、電導(dǎo)率、COD、BOD、NH3-N、NO3-N等；②收集并整合相關(guān)的地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、實驗室分析數(shù)據(jù)等，建立一個完整而嚴謹?shù)牡叵滤h(huán)境監(jiān)測知識庫；③進行數(shù)據(jù)清洗、去噪、組合、分析等處理，得到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，此時應(yīng)使用數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)清洗工具來進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和優(yōu)化；④對于數(shù)據(jù)中的異常值和問題數(shù)據(jù)，應(yīng)使用合適的處理方法進行清理和修復(fù)，限制其不良影響；⑤利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，對整合出來的知識庫進行分析，建立規(guī)則庫和專家?guī)欤瑢崿F(xiàn)知識庫的自適應(yīng)更新和擴展。

地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的知識庫路徑實現(xiàn)流程如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑

數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑主要基于大數(shù)據(jù)算法技術(shù)，對地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和分析。該路徑主要使用一些基于機器學(xué)習(xí)的技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、支持向量機、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等，尋找數(shù)據(jù)的隱含規(guī)律，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用。

數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑的優(yōu)勢有2個，即①高效精準，該路徑能夠通過大數(shù)據(jù)算法技術(shù)，快速識別出地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)中的重要變量，從而實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)的預(yù)測和回歸分析，更加精準地分析數(shù)據(jù)；②綜合性強，該路徑能夠融合各種數(shù)據(jù)源，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)潛在的關(guān)聯(lián)和關(guān)系，同時充分挖掘出數(shù)據(jù)背后的潛在成因和趨勢，使監(jiān)管部門能夠更加深入地了解當?shù)丨h(huán)境情況，并制定科學(xué)的政策和決策，充分保障當?shù)氐沫h(huán)境安全和健康。

地下水環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑實現(xiàn)方式可以分為4個步驟，即①收集并整合相關(guān)的地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、實驗室分析數(shù)據(jù)等，建立一個完整而嚴謹?shù)牡叵滤h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺；②對數(shù)據(jù)平臺中的數(shù)據(jù)進行清洗、去噪、組合、分析等處理，得到結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息，此時應(yīng)使用數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)清洗工具來進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和優(yōu)化；③利用機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實現(xiàn)對地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動化的預(yù)測和分類分析，從而挖掘潛在的數(shù)據(jù)規(guī)律和模式，并將相關(guān)數(shù)據(jù)集合起來，訓(xùn)練生成算法模型；④使用生成的算法模型，對新數(shù)據(jù)進行實時的預(yù)測和分析，將分析結(jié)果可視化，并提供交互式應(yīng)用界面，方便相關(guān)使用者進行交互式的數(shù)據(jù)分析。

地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑實現(xiàn)流程如圖3所示。

3討論與分析

地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)可以結(jié)合不同的監(jiān)控場景進行調(diào)整，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高數(shù)據(jù)的準確性、更新周期和分析效率，通過構(gòu)建完整的地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)地下水環(huán)境污染的盡早發(fā)現(xiàn)、控制和治理，對于更好地保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和社區(qū)安全具有重要意義。

地下水環(huán)境監(jiān)測知識庫路徑和數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑的實現(xiàn)方式相似，唯一的區(qū)別在于建立的系統(tǒng)框架不同。知識庫路徑主要依賴地下水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，而數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑則依賴機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來判斷地下水環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征。2種方法的區(qū)別在于數(shù)據(jù)分析的主要思路，但在實際操作中2種方法常常相互結(jié)合，構(gòu)建高效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)。

結(jié)論

當前，我國地下水環(huán)境監(jiān)測面臨覆蓋面積不均衡、監(jiān)測技術(shù)相對落后、監(jiān)測精度不高等問題。針對這些問題，本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建了一款地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過配置在監(jiān)測點上的各種監(jiān)測設(shè)備完成地下水環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸，監(jiān)測點內(nèi)通過局域網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總，再傳輸?shù)皆摰貐^(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，然后上傳至大數(shù)據(jù)云平臺進行分析和數(shù)據(jù)挖掘操作。另外，為了實現(xiàn)對地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，本文提供了基于知識庫和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動2種路徑，并結(jié)合地下水環(huán)境監(jiān)測的具體應(yīng)用場景，分析這2種路徑各自的原理和優(yōu)勢。結(jié)果表明，知識庫路徑主要依賴地下水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，而數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑則依賴機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來判斷地下水環(huán)境數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和特征，二者相互結(jié)合，取長補短，可以構(gòu)建出更加高效可靠的監(jiān)測系統(tǒng)。

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作者簡介

張平（1991—），男，漢族，河北保定人，本科，水文工程地質(zhì)工程師，研究方向為水文地質(zhì)工程地質(zhì)、地下水環(huán)境監(jiān)測、地熱地質(zhì)。