王 勇

（安徽省安慶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 安慶 246003）

引言

傳統(tǒng)的大氣環(huán)境監(jiān)測方法存在局限性，無法滿足日益增長的監(jiān)測需求。而大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新為解決這一難題提供了新的可能。因此，深入研究大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用具有重要意義。

1 大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢

大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中具有重要的應(yīng)用優(yōu)勢。首先，在數(shù)據(jù)處理方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠高效處理大氣環(huán)境監(jiān)測所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，包括空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、污染源排放數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)，通過分布式存儲和并行計算等技術(shù)手段，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速存儲、管理和檢索，提高數(shù)據(jù)處理效率和準確性。其次，在預(yù)測分析方面。通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中隱藏的模式和規(guī)律，進而建立高效的預(yù)測模型。這些模型能夠幫助監(jiān)測人員準確預(yù)測大氣污染物擴散路徑和趨勢，為環(huán)境保護部門提供科學(xué)依據(jù)，有針對性地采取防治措施，有效應(yīng)對大氣污染事件。再次，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)還可以為大氣環(huán)境監(jiān)測提供強大的決策支持。通過對多源數(shù)據(jù)進行集成分析，大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為政府部門和企業(yè)提供全面的環(huán)境信息，包括大氣污染源識別、區(qū)域污染特征分析等，幫助決策者全面了解環(huán)境狀況，科學(xué)制定環(huán)境保護政策和規(guī)劃，提升環(huán)境治理的精準性和有效性。最后，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的應(yīng)用還能促進大氣環(huán)境監(jiān)測的智能化和自動化發(fā)展。通過結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析和識別，快速準確地識別大氣污染源，并及時發(fā)出預(yù)警信息。同時，還可以借助大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的遠程監(jiān)控和自動化管理，提高監(jiān)測效率和準確性，降低人力成本和誤差率[1]。

2 大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用策略

2.1 數(shù)據(jù)的收集

通過傳感器、監(jiān)測設(shè)備等多種手段，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)能夠獲取大氣環(huán)境監(jiān)測所需的各類數(shù)據(jù)，如空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、污染源排放數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)來源多樣化，可能來自固定監(jiān)測站、移動監(jiān)測設(shè)備以及其他數(shù)據(jù)源。具體來說，在固定監(jiān)測站方面，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)利用傳感器和監(jiān)測設(shè)備布置在不同地點，實時采集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。例如，傳感器可以測量空氣中的顆粒物濃度、有害氣體濃度等參數(shù)，而氣象設(shè)備則記錄溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象信息。這些數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的采集、整合和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣環(huán)境的全面監(jiān)測和評估。同時，移動監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用也為大數(shù)據(jù)解析技術(shù)提供了更廣闊的數(shù)據(jù)采集范圍。例如，車載監(jiān)測設(shè)備可以覆蓋城市中的不同路段和交叉口，對空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。這些移動監(jiān)測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)可以通過大數(shù)據(jù)解析技術(shù)實現(xiàn)實時處理和分析，進一步豐富了環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)來源和覆蓋范圍。除了固定監(jiān)測站和移動監(jiān)測設(shè)備，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)還可以整合其他數(shù)據(jù)源，如衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、污染源企業(yè)自行監(jiān)測數(shù)據(jù)等。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供更大范圍的大氣環(huán)境信息，包括空氣質(zhì)量、氣象參數(shù)以及污染源的位置和分布情況。而污染源企業(yè)自行監(jiān)測數(shù)據(jù)則提供了來自具體污染源的排放數(shù)據(jù)，幫助監(jiān)測和評估工業(yè)污染的影響[2]。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和清洗

借助大數(shù)據(jù)解析技術(shù)，可以對采集到的原始數(shù)據(jù)進行有效的預(yù)處理和清洗，以消除噪聲、填補缺失值，并去除異常數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。在實際應(yīng)用中，首先，進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。原始數(shù)據(jù)可能以不同的格式存在，如文本、圖像、視頻等。大數(shù)據(jù)解析技術(shù)可以通過自動化的方法將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，方便后續(xù)處理和分析。例如，將傳感器采集的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表格形式，以利于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。其次，開展噪聲處理工作。在數(shù)據(jù)采集過程中，由于傳感器誤差、信號干擾等原因，數(shù)據(jù)中常常包含一些隨機噪聲。大數(shù)據(jù)解析技術(shù)可以應(yīng)用各種濾波算法來減少噪聲的影響，提高數(shù)據(jù)的準確性。例如，可以使用滑動平均、中值濾波等方法來平滑數(shù)據(jù)，去除不必要的噪聲。針對數(shù)據(jù)中可能存在缺失值的情況，即某些數(shù)據(jù)項沒有采集到或者采集錯誤。大數(shù)據(jù)解析技術(shù)可以通過插值、回歸等方法來填補缺失值，以確保數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。例如，可以利用已有的數(shù)據(jù)樣本和相關(guān)性分析來預(yù)測缺失值，并進行適當(dāng)?shù)牟逯堤幚?。另外，大?shù)據(jù)解析技術(shù)可以應(yīng)用統(tǒng)計方法和機器學(xué)習(xí)算法來檢測和識別異常數(shù)據(jù)，然后根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的處理措施，如刪除、修復(fù)或標記異常數(shù)據(jù)。最后，進行數(shù)據(jù)去重。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，由于數(shù)據(jù)來源的多樣性和重復(fù)采集，可能存在大量重復(fù)數(shù)據(jù)，這會浪費存儲空間并影響數(shù)據(jù)分析的效果。大數(shù)據(jù)解析技術(shù)可以利用哈希算法、相似度匹配等方法來識別和去除重復(fù)數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)的利用效率[3]。

2.3 數(shù)據(jù)的存儲與管理

大氣環(huán)境監(jiān)測中的數(shù)據(jù)存儲與管理涉及海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效存儲、組織和管理，以支持后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策。依靠大數(shù)據(jù)解析技術(shù)，可以通過分布式存儲系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來實現(xiàn)對大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效管理和利用。就實際而言，首先，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)可以借助分布式存儲系統(tǒng)，如Hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）等（如圖1所示），實現(xiàn)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效存儲。通過數(shù)據(jù)分片和分布式存儲，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以被分散存儲在多個節(jié)點上，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。同時，分布式存儲系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動備份和容錯處理，確保數(shù)據(jù)不會因單點故障而丟失。其次，利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）來對存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行組織和管理。通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)模型和索引結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的快速檢索和查詢。同時，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)還支持對數(shù)據(jù)的事務(wù)處理和并發(fā)控制，保證了數(shù)據(jù)操作的一致性和完整性。針對大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，采用合適的數(shù)據(jù)壓縮和編碼技術(shù)，以減少數(shù)據(jù)存儲空間的占用。通過數(shù)據(jù)壓縮，可以有效地降低存儲成本，并提高數(shù)據(jù)的讀寫效率。此外，為了支持對監(jiān)測數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析和挖掘，結(jié)合數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)湖等技術(shù)，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的多角度分析和查詢。同時，利用數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果，還可以對存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行標注和分類，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用[4]。

圖1 Hadoop分布式文件系統(tǒng)

2.4 數(shù)據(jù)分析與挖掘

利用數(shù)據(jù)挖掘算法來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)律。常用的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)包括聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘和分類算法等。通過聚類分析，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分為不同的群組，找到相似的數(shù)據(jù)點和特征；通過關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，可以發(fā)現(xiàn)不同變量之間的關(guān)系和相關(guān)性；通過分類算法，可以根據(jù)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)對新的數(shù)據(jù)進行分類和預(yù)測。另外，可以利用機器學(xué)習(xí)模型對大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行建模和預(yù)測。機器學(xué)習(xí)模型可以通過對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，來預(yù)測未來的數(shù)據(jù)趨勢和變化。例如，使用回歸模型對大氣污染指標進行預(yù)測，或者使用時間序列模型來分析數(shù)據(jù)的周期性和趨勢。通過發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律和趨勢，可以提供科學(xué)依據(jù)和參考，幫助制定更有效的大氣環(huán)境保護策略和措施。例如，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以優(yōu)化監(jiān)測站點的布局，調(diào)整排放管控政策，預(yù)警和應(yīng)對突發(fā)環(huán)境事件等。

2.5 建立預(yù)測分析模型

利用統(tǒng)計分析方法進行預(yù)測分析，例如，可以計算大氣污染物的平均值、方差、相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計指標，從而了解污染物的平均水平和變化程度。此外，還可以利用統(tǒng)計方法進行假設(shè)檢驗，驗證某些假設(shè)是否成立，進一步增強對環(huán)境變量的理解。同時，進行時間序列分析，通過對時間相關(guān)的數(shù)據(jù)進行建模和分析，揭示出數(shù)據(jù)中的周期性、趨勢性和季節(jié)性等規(guī)律。例如，可以利用自回歸移動平均模型（ARMA）、自回歸積分滑動平均模型（ARIMA）等方法，對時間序列數(shù)據(jù)進行擬合和預(yù)測。通過時間序列分析，我們可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)大氣污染物的濃度變化趨勢。此外，機器學(xué)習(xí)方法也可以應(yīng)用于大氣環(huán)境的預(yù)測分析與模型建立。機器學(xué)習(xí)方法通過對歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以建立預(yù)測模型，從而實現(xiàn)對未知數(shù)據(jù)的預(yù)測。例如，可以利用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，如支持向量機（SVM）、隨機森林（Random Forest）等，根據(jù)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)對未來的污染物濃度進行預(yù)測。同時，無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，如聚類分析、主成分分析等，也可以用于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式和規(guī)律。

3 問題與建議

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性方面

在大氣環(huán)境監(jiān)測中，數(shù)據(jù)采集和傳輸環(huán)節(jié)存在誤差和漏洞。例如，監(jiān)測設(shè)備的故障、數(shù)據(jù)采集過程中的人為干擾等，都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降或者數(shù)據(jù)缺失。同時，數(shù)據(jù)存儲和處理環(huán)節(jié)也容易受到不同因素的影響。例如，存儲設(shè)備的故障、數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)丟失等問題，都可能對數(shù)據(jù)的可靠性帶來一定的影響。針對這些問題，需要建立健全的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理機制。具體而言，可以在數(shù)據(jù)采集和傳輸環(huán)節(jié)加強監(jiān)測設(shè)備的維護和管理，確保監(jiān)測設(shè)備正常運行和數(shù)據(jù)的準確采集。同時，應(yīng)加強數(shù)據(jù)的傳輸安全性和穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)能夠高效、穩(wěn)定地傳輸至目標地點。在數(shù)據(jù)存儲和處理環(huán)節(jié)，應(yīng)注意數(shù)據(jù)的可靠性和完整性。為此，可以建立有效的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機制，定期進行數(shù)據(jù)校驗和驗證，以確保數(shù)據(jù)不受損、不丟失，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性[5]。

3.2 跨源數(shù)據(jù)整合方面

不同監(jiān)測點采集到的數(shù)據(jù)往往存在標準、格式，甚至語義上的差異，使得數(shù)據(jù)整合變得復(fù)雜困難。具體來說，各監(jiān)測點通常采用不同的數(shù)據(jù)標準和格式進行數(shù)據(jù)記錄和存儲，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間的互操作性較差。例如，有些監(jiān)測點可能采用不同的編碼方式或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)難以直接整合和比對。并且，由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換機制，監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享和交換受到一定的限制。即使監(jiān)測點愿意共享數(shù)據(jù)，但由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和平臺，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換的成本較高，整合工作難以開展。為解決這一問題，應(yīng)推動建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和格式。通過制定行業(yè)標準或規(guī)范，規(guī)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄方式、數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)編碼，實現(xiàn)不同監(jiān)測點數(shù)據(jù)的標準化，從而促進數(shù)據(jù)的互操作性和整合性。此外，可以建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺或數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)，提供標準化的數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，使得不同監(jiān)測點之間可以更便捷地進行數(shù)據(jù)交換和共享，從而促進不同來源數(shù)據(jù)的有效整合和利用。

3.3 數(shù)據(jù)隱私和安全性方面

大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的隱私保護和安全管理是當(dāng)前面臨的重要問題。隨著大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷增加和應(yīng)用范圍的擴大，數(shù)據(jù)隱私泄露和安全風(fēng)險也日益凸顯。大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及個人隱私信息和敏感環(huán)境數(shù)據(jù)，一旦泄露或被惡意利用，可能對個人和環(huán)境造成嚴重影響。此外，數(shù)據(jù)的安全性也受到網(wǎng)絡(luò)攻擊、惡意篡改等威脅，存在被篡改或破壞的風(fēng)險，從而影響數(shù)據(jù)的可靠性和使用價值。為此，建議加強大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的隱私保護和安全管理。具體來說，需要建立健全的數(shù)據(jù)權(quán)限管理和訪問控制機制，嚴格控制數(shù)據(jù)的獲取和使用權(quán)限，確保數(shù)據(jù)僅在授權(quán)范圍內(nèi)使用，防止未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)訪問和濫用。同時，可以采用數(shù)據(jù)加密和脫敏等技術(shù)手段，對敏感數(shù)據(jù)進行加密存儲和傳輸，并對數(shù)據(jù)進行脫敏處理，以減少敏感信息的泄漏風(fēng)險。數(shù)據(jù)加密可以有效保護數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性，而數(shù)據(jù)脫敏則可以降低數(shù)據(jù)在非授權(quán)使用場景下的風(fēng)險。還應(yīng)加強對數(shù)據(jù)采集、處理和存儲環(huán)節(jié)的安全監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對潛在的安全威脅。建立安全審計和監(jiān)控系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)操作行為進行監(jiān)控和記錄，及時發(fā)現(xiàn)異常行為并采取相應(yīng)的安全措施，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

4 結(jié)語

本文深入探討了大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢、策略以及面臨的問題，并提出了相應(yīng)的建議。通過對數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、存儲管理、分析挖掘以及建立預(yù)測分析模型等環(huán)節(jié)的細致分析，揭示了大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的關(guān)鍵作用。文中認識到大數(shù)據(jù)解析技術(shù)能夠為大氣環(huán)境監(jiān)測帶來更高效、精準的數(shù)據(jù)處理和分析，從而使監(jiān)測結(jié)果更加可靠和實用。然而，也意識到在實際應(yīng)用中，仍然存在著數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性、跨源數(shù)據(jù)整合以及數(shù)據(jù)隱私和安全性等方面的挑戰(zhàn)。因此，要進行對應(yīng)的優(yōu)化，以確保相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用效果得到增強。