劉英 鄒渝

摘 要：在環(huán)境治理中，我國(guó)各地政府逐漸開(kāi)始嘗試采用大數(shù)據(jù)手段對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，然后建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)制，通過(guò)大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型和數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行環(huán)境評(píng)估與預(yù)警。本文對(duì)大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為政府制定環(huán)境監(jiān)測(cè)政策和建立環(huán)境監(jiān)測(cè)體系提供參考。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);環(huán)境監(jiān)測(cè);環(huán)境評(píng)估;預(yù)警

中圖分類號(hào)：TP311.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0144-03

Abstract： In environmental governance， governments in various parts of China have gradually tried to use big data to collect environmental data， and then established a real-time monitoring mechanism to conduct environmental assessment and early warning through big data prediction models and data processing technologies. This paper studied the application of big data in environmental monitoring， and provided references for the government to formulate environmental monitoring policies and establish environmental monitoring systems.

Keywords： big data;environmental monitoring;environmental assessment;early warning

2015年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，對(duì)我國(guó)大數(shù)據(jù)的發(fā)展進(jìn)行了規(guī)劃。該綱要認(rèn)為，在未來(lái)十年內(nèi)，政府需要引導(dǎo)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提高治理能力，提升民生服務(wù)水平。大數(shù)據(jù)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，推動(dòng)了各個(gè)行業(yè)和公共機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)共享的發(fā)展，有利于整合全國(guó)的數(shù)據(jù)資源，提升政府治理能力和應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的能力[1-2]。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用有利于政府根據(jù)不同的治理方向，采集各類數(shù)據(jù)，并充分挖掘數(shù)據(jù)信息，提高自身決策能力。

環(huán)境保護(hù)是我國(guó)政府治理的重要內(nèi)容，而環(huán)境監(jiān)測(cè)是確保環(huán)境保護(hù)工作開(kāi)展的重要基礎(chǔ)。為了提高環(huán)境監(jiān)測(cè)效果，人們要充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2016年，原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》，要求充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理。當(dāng)前，各地要基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，形成有效的決策體系，科學(xué)決策。同時(shí)，要利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供公共服務(wù)，減少環(huán)境監(jiān)測(cè)的信息不對(duì)稱，并充分落實(shí)《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》的相關(guān)要求，促進(jìn)公眾參與環(huán)境保護(hù)。

1 研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸被推廣并應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟為大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)的變化較快，人們通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘能夠分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)前研究較為關(guān)注如何利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)和技術(shù)，創(chuàng)造新的應(yīng)用價(jià)值，為政府治理環(huán)境提供新型技術(shù)手段。

綜合目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)研究來(lái)看，大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)理論還不成熟。大部分研究主要側(cè)重于對(duì)大數(shù)據(jù)概念和技術(shù)的分析，較為膚淺。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用和技術(shù)研究較少。大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究主要側(cè)重于將大數(shù)據(jù)應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域，從而創(chuàng)造更多的收益。大數(shù)據(jù)技術(shù)研究側(cè)重于技術(shù)架構(gòu)、電子商務(wù)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域具有豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)在政府環(huán)境治理領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對(duì)較少，但是大數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究已經(jīng)逐漸受到很多學(xué)者的重視。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用

環(huán)境監(jiān)測(cè)是指通過(guò)對(duì)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷環(huán)境污染情況。因此，環(huán)境數(shù)據(jù)的收集與處理是實(shí)施環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，而這正是大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域。人們可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，采集海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)儲(chǔ)存環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建環(huán)境的指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘來(lái)分析環(huán)境狀態(tài)變化，為環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

2.1 提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量

大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用有利于提升環(huán)境數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。目前，在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，各類分析儀器、GPS和GIS等技術(shù)應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如水質(zhì)、土壤、大氣等，這些數(shù)據(jù)很難保存在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。而大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠方便地將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)支持實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，形成環(huán)境歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠有效處理海量數(shù)據(jù)，充分獲取數(shù)據(jù)中的有效信息。

2.2 提升數(shù)據(jù)分析效率

大數(shù)據(jù)技術(shù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，不僅對(duì)離線數(shù)據(jù)提供支持，也對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供支持，從而有效提升環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析效率。環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域需要對(duì)突發(fā)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行應(yīng)急處理，通過(guò)傳感器動(dòng)態(tài)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺(tái)，借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)的計(jì)算能力，迅速分析數(shù)據(jù)，定位環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與分析主要基于人工方式，效率低下。而大數(shù)據(jù)平臺(tái)利用集群計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，為環(huán)境分析提供強(qiáng)大的算力支持，能夠高效、準(zhǔn)確地完成計(jì)算。例如，人們可以構(gòu)建森林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)突發(fā)火災(zāi)時(shí)，其能夠迅速預(yù)警，定位火源;對(duì)于大氣監(jiān)測(cè)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的PM2.5、PM10等污染物指標(biāo)，計(jì)算空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空氣污染的預(yù)警。

2.3 提高環(huán)境綜合預(yù)警能力

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠處理環(huán)境監(jiān)測(cè)中收集的海量數(shù)據(jù)，然后利用自身的建模與預(yù)測(cè)能力，對(duì)環(huán)境狀態(tài)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。例如，人們可以通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建立大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算大氣中的污染物含量，然后基于污染物數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)大氣污染超過(guò)閾值，就可以進(jìn)行預(yù)警，提醒相關(guān)部門(mén)和人員及時(shí)采取措施，防止污染擴(kuò)散。

將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，具有四大優(yōu)勢(shì)。一是大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用有效地提高了環(huán)境治理中的預(yù)警能力。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用并非簡(jiǎn)單的采集與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，更為重要的是，大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力和建模能力。其通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等方式能夠有效對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警。二是有效提升環(huán)境保護(hù)的決策水平。過(guò)去，環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域并沒(méi)有太多數(shù)據(jù)來(lái)輔助決策，因此環(huán)境保護(hù)決策較為主觀。大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?yàn)橄嚓P(guān)決策提供充分的數(shù)據(jù)支持，為環(huán)境監(jiān)管和環(huán)境保護(hù)決策提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三是提高對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的判斷能力。環(huán)境面臨污染等風(fēng)險(xiǎn)，而環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需要一定的數(shù)據(jù)與模型。大數(shù)據(jù)能夠通過(guò)搜集環(huán)境指標(biāo)和建立分析模型，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的測(cè)評(píng)。四是提高環(huán)境的公共服務(wù)能力。一般而言，生態(tài)環(huán)境部門(mén)獲得的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以通過(guò)多種渠道提供給公眾。但是，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠提供公共數(shù)據(jù)的共享與服務(wù)機(jī)制，提高對(duì)公眾的服務(wù)能力。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)主要用于數(shù)據(jù)采集和集成。

3.1 數(shù)據(jù)采集

大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的基礎(chǔ)應(yīng)用是數(shù)據(jù)采集，其中，環(huán)境數(shù)據(jù)不僅包括結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，還包含非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于環(huán)境中的各項(xiàng)指標(biāo)和監(jiān)管活動(dòng)產(chǎn)生的各類指標(biāo)。而非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)包括監(jiān)控圖片、錄像以及錄音等。大數(shù)據(jù)平臺(tái)既能夠采集結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也能夠采集非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，形成有效的統(tǒng)一。

3.2 數(shù)據(jù)集成

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一般來(lái)源于不同的傳感器，為了有效利用環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，人們需要對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。大數(shù)據(jù)的集成處理步驟如下：首先，對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取;然后，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清洗與轉(zhuǎn)換，最后按照一定的標(biāo)準(zhǔn)將其存儲(chǔ)于大數(shù)據(jù)平臺(tái)中。在抽取時(shí)，首先整合不同的采集平臺(tái)，然后按照標(biāo)準(zhǔn)格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如統(tǒng)一數(shù)據(jù)的編碼格式等。接著，要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)其中可能存在的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪或者剔除。同時(shí)，還要利用大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的功能，實(shí)時(shí)跟蹤環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)入庫(kù)，提升監(jiān)控與預(yù)警能力。

4 大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)架構(gòu)

大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)能夠有效地集成各類數(shù)據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化整合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其可以劃分為不同的層次，形成對(duì)環(huán)境評(píng)價(jià)的多維度數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)不僅要具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化、分析和挖掘功能，還要具有對(duì)外服務(wù)接口等功能。因此，大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)形成了從環(huán)境數(shù)據(jù)采集到加工最后到應(yīng)用的完整閉環(huán)，同時(shí)通過(guò)服務(wù)接口將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供給公眾?；谶@些數(shù)據(jù)，人們可以開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和加工能力比傳統(tǒng)的Oracle等數(shù)據(jù)庫(kù)強(qiáng)大，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)規(guī)模以TB和PB為單位，同時(shí)其支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠動(dòng)態(tài)處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其平臺(tái)架構(gòu)組成如下。

4.1 數(shù)據(jù)源管理

數(shù)據(jù)源管理主要是對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理，如大氣污染物排放、地表水污染物信息等指標(biāo)。

4.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)層

大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、加工和標(biāo)準(zhǔn)化等功能。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，人們可以構(gòu)建豐富的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理層

大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、統(tǒng)計(jì)分析和模型分析等功能，其通過(guò)時(shí)間序列、機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.4 數(shù)據(jù)共享層

大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)外共享接口，大眾通過(guò)對(duì)外共享接口能夠訪問(wèn)大數(shù)據(jù)平臺(tái)中存儲(chǔ)的各類環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

訪問(wèn)海量的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，可以為上層應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。上層可以建立環(huán)境預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等應(yīng)用程序，并提供可視化的統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能模塊。

5 大數(shù)據(jù)視角下的環(huán)境治理框架

環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的是為人們提供改善環(huán)境的工具與手段。比如，對(duì)于環(huán)境污染問(wèn)題，人們可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)建立環(huán)境治理平臺(tái)，為人們分析環(huán)境信息、定位并最終解決環(huán)境問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新的手段?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)，人們可以建立完善的治理框架（見(jiàn)圖1），通過(guò)搜集環(huán)境信息，建立模型進(jìn)行環(huán)境預(yù)警，為環(huán)境治理提供支撐。

如圖1所示，大數(shù)據(jù)視角下的環(huán)境監(jiān)測(cè)首先需要對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行搜集，然后通過(guò)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)響應(yīng)環(huán)境狀態(tài)的變化。大數(shù)據(jù)平臺(tái)存儲(chǔ)海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，并提供快速的查詢功能。大數(shù)據(jù)平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)流的方式處理環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)入大數(shù)據(jù)平臺(tái)，則觸發(fā)分析模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。例如，在工業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，其可以實(shí)時(shí)跟蹤不同的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，一旦探測(cè)到工業(yè)環(huán)境發(fā)生污染，就立即觸發(fā)預(yù)警，同時(shí)基于工業(yè)污染數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，通過(guò)綜合的預(yù)測(cè)分析，跟蹤工業(yè)污染的走勢(shì)。大數(shù)據(jù)視角下，人們對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求更高，能夠采集的數(shù)據(jù)也更為全面。大數(shù)據(jù)為環(huán)境治理提供了強(qiáng)有力的支撐手段，保障環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的順利開(kāi)展。

6 結(jié)語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們要將大數(shù)據(jù)技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測(cè)充分結(jié)合，不斷提升環(huán)境監(jiān)測(cè)水平，為環(huán)境保護(hù)提供有效的支撐。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，人們可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)管理和分析能力。同時(shí)，要構(gòu)建大數(shù)據(jù)模型，對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)警，提升生態(tài)環(huán)境部門(mén)的決策和處理能力。

參考文獻(xiàn)：

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