摘要：對城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，旨在提高城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。通過介紹城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境傳統(tǒng)監(jiān)測方法的現(xiàn)狀與難題，詳細(xì)闡述數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景和應(yīng)用方法，以山東省濟(jì)南市碳監(jiān)測評估體系建設(shè)為案例，詳細(xì)論述該一體化智慧監(jiān)測體系及其優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)生態(tài)；環(huán)境監(jiān)測；數(shù)據(jù)挖掘；碳監(jiān)測

引言

在快速城鎮(zhèn)化的背景下，我國城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境問題越發(fā)突出。建立科學(xué)有效的環(huán)境監(jiān)測體系，對保障人民群眾生態(tài)環(huán)境權(quán)益和促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。2022年2月，國家發(fā)展改革委和生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)城鎮(zhèn)環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》指出，“改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、增進(jìn)民生福祉的基礎(chǔ)保障，是完善現(xiàn)代環(huán)境治理體系的重要支撐”。傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法由于存在數(shù)據(jù)量大、精度低、空間分辨率低等問題，難以滿足實際需要，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠充分發(fā)掘數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律，挖掘出有用的信息，提供更準(zhǔn)確、高效的解決方案，因此在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣泛。本文從城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀與難題、數(shù)據(jù)挖掘方法及應(yīng)用、案例分析等方面進(jìn)行探討，為城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供參考。

1城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀

1.1城鎮(zhèn)化對生態(tài)環(huán)境的影響

城市化進(jìn)程的加速使城鎮(zhèn)面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷變革，大量農(nóng)村土地被轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，?dǎo)致農(nóng)田面積減少和生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)，影響到碳、氧等物質(zhì)的循環(huán)[1]。土地資源的消耗和城市擴(kuò)張對自然生態(tài)系統(tǒng)造成了壓力，生物多樣性受到威脅。城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，包括PM2.5污染、水質(zhì)污染、噪聲污染、地質(zhì)災(zāi)害等，嚴(yán)重影響人們的身體健康和生活質(zhì)量，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)可持續(xù)性也造成了重大威脅。

1.2傳統(tǒng)監(jiān)測的問題和局限性

我國對城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的傳統(tǒng)監(jiān)測主要依靠人工調(diào)查與現(xiàn)場觀測，數(shù)據(jù)量大、精度低、空間分辨率差，并且由于需要人工干預(yù)，通常需要專業(yè)人員和精密設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)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(zhèn)生態(tài)環(huán)境具有復(fù)雜的空間分布和時空變化特征，監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和處理都有較大困難，且不同區(qū)域的環(huán)境狀況也存在差異性，因此監(jiān)測站點的選取和布局需要進(jìn)行科學(xué)合理地規(guī)劃。由于環(huán)境受氣象、交通、工業(yè)排放等因素影響，因而如何從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提取有效信息和規(guī)律也是一個挑戰(zhàn)。

1.3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可從海量的大數(shù)據(jù)中自動發(fā)現(xiàn)模式、分析關(guān)聯(lián)規(guī)律并預(yù)測未來趨勢，為城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供更準(zhǔn)確、高效的解決方案。通過數(shù)據(jù)挖掘，可實現(xiàn)對城市環(huán)境數(shù)據(jù)的聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、時空分析與預(yù)測等。另外，可視化技術(shù)將更加注重用戶體驗和交互性，能進(jìn)一步增強(qiáng)對城市生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識和管理能力，在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2數(shù)據(jù)挖掘在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)進(jìn)入數(shù)據(jù)驅(qū)動的新時代，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中應(yīng)用的廣度和深度都得到了不斷加強(qiáng)。但數(shù)據(jù)挖掘方法在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，還需要全面考慮數(shù)據(jù)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(jié)果，并為城市的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2.1數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

在城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，確定關(guān)鍵的監(jiān)測指標(biāo)、采集相關(guān)數(shù)據(jù)是保證數(shù)據(jù)挖掘工作有效開展的重要步驟[4]。由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集需要大量的人力、物力和財力，易受外部環(huán)境因素干擾，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，且獲取的數(shù)據(jù)量大、格式各異、處理復(fù)雜，因而難以滿足對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)高質(zhì)量、高效率、全面性和實時性的需求。為獲取相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用傳感器技術(shù)、監(jiān)測站和衛(wèi)星遙感等多種渠道進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，既能極大地提高監(jiān)測效率，經(jīng)過質(zhì)量評估和清洗又能保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和可靠性。另外，利用社交媒體平臺和開放數(shù)據(jù)源獲取一些非傳統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，也能為環(huán)境監(jiān)測提供補(bǔ)充信息，如公眾對環(huán)境問題的反饋、環(huán)境事件的實時報道等。

由于數(shù)據(jù)源的多樣性，數(shù)據(jù)缺失、異常點、噪聲等因素會對數(shù)據(jù)分析和建模造成影響，因而需要采用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)歸一化等方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢查和準(zhǔn)確性驗證，確保數(shù)據(jù)沒有缺失關(guān)鍵信息和排除可能存在的異常值和錯誤數(shù)據(jù)。此外，還需評估數(shù)據(jù)來源的可信度和監(jiān)測方法的精確性等，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性。

2.2特征選擇與提取

由于城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中往往需要處理大量數(shù)據(jù)，且其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)對目標(biāo)問題而言并不是有用的信息，因而需要進(jìn)行特征選擇與提取來降低數(shù)據(jù)維度、減少冗余信息和噪聲干擾，從大量數(shù)據(jù)中篩選和提取出與監(jiān)測問題相關(guān)的特征[5]。同時，可根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和監(jiān)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jiān)測問題和數(shù)據(jù)類型，如可使用主成分分析（PCA）[7]、獨(dú)立成分分析（ICA）[8]等方法對空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，幫助發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律、趨勢和異常情況，以及更好地理解和解釋數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理和分析效率，實現(xiàn)對城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境的深入研究和分析。

2.3建立模型和預(yù)測

建模階段是數(shù)據(jù)挖掘過程中的核心階段，其直接決定了最終的結(jié)果。因此，根據(jù)監(jiān)測問題的不同，提出適合的建模方法可更好地理解環(huán)境變化趨勢、預(yù)測未來情景。如，聚類分析可用于發(fā)現(xiàn)地區(qū)或時期間的相似特征，分類與回歸分析可用于預(yù)測和分類問題，時間序列分析可用于研究時間相關(guān)性和預(yù)測趨勢。但在建立模型的過程中，需根據(jù)預(yù)先定義的數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)，選取適當(dāng)?shù)乃惴ê湍Ｐ蛥?shù)、訓(xùn)練模型優(yōu)化，并進(jìn)行模型驗證和調(diào)整以確保準(zhǔn)確性。經(jīng)過驗證和調(diào)整后，建立好的模型可用于預(yù)測城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境變化趨勢和異常情況，為決策者提供科學(xué)參考，支持環(huán)境保護(hù)決策和措施的制定[9]。

2.4結(jié)果可視化和呈現(xiàn)

數(shù)據(jù)激增在帶來數(shù)據(jù)收集便捷化的同時，也對成果展現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)，因此可視化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并逐漸成為不可或缺的一部分。可視化是指使用視覺手段將數(shù)據(jù)或信息以圖形化方式呈現(xiàn)，使得人們能夠更直觀、淺顯易懂地理解和分析數(shù)據(jù)。通過可視化和呈現(xiàn)，不僅可將數(shù)據(jù)挖掘分析結(jié)果以圖表、地圖等形式呈現(xiàn)，也可直觀地呈現(xiàn)環(huán)境指標(biāo)隨時間的變化趨勢、不同地區(qū)之間的比較以及與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)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(shù)將不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)以三維形式展示，幫助決策者全面了解各個指標(biāo)之間的關(guān)系，且圖表中的顏色、形狀和標(biāo)簽等元素也可用來表示不同的類別或程度，進(jìn)而提供更多的信息。

空間可視化是針對城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中涉及空間數(shù)據(jù)的一種方法，將數(shù)據(jù)以地理位置為基礎(chǔ)進(jìn)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(huán)境問題區(qū)域。交互式可視化能主動參與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)范圍、時間段或區(qū)域，并應(yīng)用特定的過濾和聚焦功能，更深入地了解數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)有價值的信息[10]。此外，為處理城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的復(fù)雜數(shù)據(jù)，三維可視化技術(shù)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(huán)境指標(biāo)數(shù)據(jù)，直觀展示城市不同區(qū)域的環(huán)境狀況和變化趨勢，幫助更好地了解城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境問題并促進(jìn)及早地采取相關(guān)措施。

3濟(jì)南市碳監(jiān)測評估體系案例分析

山東省濟(jì)南市是一個典型的城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測案例，也是當(dāng)前山東省唯一開展城市碳監(jiān)測評估的城市。相比PM2.5等大氣污染物，碳監(jiān)測難度更高且對精確性的要求也更高。以往山東省的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)多采用簡單的“同比”“環(huán)比”等數(shù)理統(tǒng)計方法，對多要素之間的關(guān)聯(lián)性研究不夠深入，自動化程度不高，缺乏高附加值的環(huán)境監(jiān)測信息產(chǎn)品，不能很好地滿足環(huán)境管理需求，因此作為一個全新的課題，碳監(jiān)測開始進(jìn)入山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心的工作范疇。

3.1 碳監(jiān)測體系的搭建

從傳統(tǒng)監(jiān)測向智慧監(jiān)測轉(zhuǎn)型升級后，濟(jì)南市碳監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)正式啟動。基于監(jiān)測站點建設(shè)的代表性、前瞻性等原則，濟(jì)南市充分考慮城市現(xiàn)有整體布局，為了符合要求，溫室氣體采樣頭通常設(shè)置在高度約為50m的高塔之上，因此在二氧化碳高、中、低值區(qū)域及背景點分別設(shè)置監(jiān)測點位。目前，濟(jì)南市建立了8個溫室氣體高精度監(jiān)測站、20個二氧化碳中精度監(jiān)測站點和35個甲烷中精度監(jiān)測站點，采用高、中精度監(jiān)測。

碳監(jiān)測設(shè)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(nèi)樣品氣經(jīng)過一級除水設(shè)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(jìn)一步去除水汽；然后經(jīng)過水汽去除處理之后的樣品氣，進(jìn)入高精度分析儀進(jìn)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(jìn)行檢測，并利用數(shù)據(jù)采集軟件實時上傳分析數(shù)據(jù)至我國環(huán)境監(jiān)測總站。因此，可利用衛(wèi)星遙感、地基遙感、無人機(jī)、走航和人工監(jiān)測等多種手段方式，搭載溫室氣體監(jiān)測儀和氣象集成設(shè)備等，在高精度站點和重點工業(yè)園區(qū)范圍內(nèi)及周邊開展協(xié)同監(jiān)測。這些監(jiān)測手段可獲取二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氧化亞氮、揮發(fā)性有機(jī)物的濃度情況和氣象參數(shù)，從而構(gòu)建“天空地”一體化的溫室氣體立體監(jiān)測系統(tǒng)。

除了積極搭建溫室氣體高精度在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，濟(jì)南市還建設(shè)了高標(biāo)準(zhǔn)溫室氣體手工監(jiān)測實驗室，通過氣相色譜儀對城市大氣、污染源、典型生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體進(jìn)行全面監(jiān)測，并利用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)核算城市、行業(yè)、企業(yè)溫室氣體排放量，實現(xiàn)一次進(jìn)樣同時精確分析CO2、CH4、N2O、SF6、CO共5種氣體的組分。高標(biāo)準(zhǔn)溫室氣體手工監(jiān)測實驗室建成后已與中國環(huán)境監(jiān)測總站完成數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，由山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心負(fù)責(zé)日常管理，監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至中國環(huán)境監(jiān)測總站。

3.2 碳監(jiān)測體系的優(yōu)勢

濟(jì)南市在重點行業(yè)企業(yè)開展了溫室氣體自動監(jiān)測的試點，并依托現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控平臺開發(fā)溫室氣體管理模塊，以實現(xiàn)溫室氣體數(shù)據(jù)自動聯(lián)網(wǎng)傳輸。目前，已有4個重點行業(yè)中的25個監(jiān)測點位實現(xiàn)溫室氣體自動監(jiān)測和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)傳輸，其高精度溫室氣體在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備精度達(dá)到0.05%，比常規(guī)空氣監(jiān)測站的設(shè)備對氣態(tài)污染物的監(jiān)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(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(tài)系統(tǒng)碳匯能力，協(xié)同推進(jìn)降碳減污，推動環(huán)境形勢綜合分析從經(jīng)驗判斷向科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。同時，完成國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室開放課題《環(huán)境空氣 二氧化碳、甲烷、一氧化碳的測定氣相色譜法監(jiān)測質(zhì)控技術(shù)研究》，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套適合我國國情的溫室氣體人工監(jiān)測質(zhì)量控制系統(tǒng)，可為科學(xué)評價我國氣候變化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

在低碳城市試點建設(shè)的5年時間里，濟(jì)南市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量取得了重大突破。到2022年，濟(jì)南市空氣質(zhì)量綜合指數(shù)在全國重點城市中實現(xiàn)了大幅提升，達(dá)到有監(jiān)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(xù)2年達(dá)到100%，水質(zhì)指數(shù)在全省位居首位；國家級和省級生態(tài)文明示范區(qū)及“兩山”實踐基地的創(chuàng)建數(shù)量在山東省名列前茅。目前，濟(jì)南市碳監(jiān)測評估的試點工作已取得多方面進(jìn)展，為新時代智慧監(jiān)測創(chuàng)新應(yīng)用提供了可復(fù)制、可推廣、可示范的“樣板”，也為城市環(huán)境監(jiān)測評估體系建設(shè)做出了先行探索。

結(jié)語

上述介紹的基于數(shù)據(jù)挖掘的城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方法，不僅提高了監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性，還能幫助發(fā)現(xiàn)異常情況和預(yù)測環(huán)境變化趨勢，為城市的環(huán)境監(jiān)管和治理提供高效的科學(xué)方法。然而，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時效性、模型的建立和選擇及數(shù)據(jù)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(jìn)行更加深入的研究，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和方法改進(jìn)，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的城鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。

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作者簡介

鞏天驕（1985—），女，漢族，山東濟(jì)南人，工程師，碩士，研究方向為環(huán)境保護(hù)工程。

通信作者

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