論信息技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

（長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004）

環(huán)境問題是人類在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中面臨的亟待解決的重大問題，近年來引起了社會的高度關(guān)注，人類也越來越認(rèn)識到了環(huán)境保護(hù)的重要性。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)深入到社會的各行各業(yè)，并起到了積極的作用。大力推進(jìn)信息技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用是環(huán)保事業(yè)的一項(xiàng)任務(wù)，我國環(huán)境信息化工作起步于20世紀(jì)80年代，到目前為此，也取得了一定成績，比如已經(jīng)建立了各級環(huán)境信息機(jī)構(gòu)，信息機(jī)構(gòu)得到了完善；建立了全國各級環(huán)保局的廣域網(wǎng)系統(tǒng)，信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基本上得到了一定的保障；開發(fā)了“污染源監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控”等一系列業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，業(yè)務(wù)應(yīng)用上基本上覆蓋了環(huán)境保護(hù)工作的各個(gè)環(huán)節(jié)；同時(shí)還制定并頒布了一系列規(guī)劃指導(dǎo)文件例如“十五、十一五國家環(huán)境信息化建設(shè)規(guī)劃”，“金環(huán)工程”、“數(shù)字環(huán)?！钡奶岢鍪沟铆h(huán)境信息化發(fā)展在總體規(guī)劃上有了方向。在“大數(shù)據(jù)”時(shí)代到來的今天，充分利用信息化技術(shù)手段，并將其深入應(yīng)用到環(huán)境保護(hù)的研究與應(yīng)用當(dāng)中去，是今后一段時(shí)間環(huán)境信息化發(fā)展的必然趨勢，信息技術(shù)與環(huán)境保護(hù)必然會得到深入融合。

1 環(huán)境保護(hù)相關(guān)信息技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

美國麻省理工學(xué)院于1999年率先提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”并闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義[1]，溫家寶總理于2009年提出建設(shè)“感知中國”中心，并于2009年11月在無錫市成立了中國物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)中心。國際電信聯(lián)盟給物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過二維碼識讀設(shè)備、射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，感知層主要實(shí)現(xiàn)對“物”的識別，網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)對感知層獲取的信息的傳輸，應(yīng)用層主要是與相關(guān)行業(yè)應(yīng)用的融合。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)中可以追溯到1997年的環(huán)境保護(hù)部的環(huán)境監(jiān)理信息系統(tǒng)[2]，通過在重點(diǎn)排污單位安裝自動監(jiān)測傳感設(shè)備例如酸堿度測定儀等環(huán)境傳感器設(shè)備，并且將這些傳感設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS、無線傳感網(wǎng)、衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)自動傳送到監(jiān)控中心，再由各級監(jiān)控中心通過環(huán)保專用廣域網(wǎng)組成國家、省、市三級監(jiān)控中心，目前已經(jīng)對超過12665家企業(yè)實(shí)施了自動監(jiān)控，對環(huán)境監(jiān)測與防范的效果是不言而喻的。2013年無錫市建成“感知環(huán)境智慧環(huán)?！杯h(huán)境監(jiān)控中心，并應(yīng)用了國際最前沿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)聲、水、氣各項(xiàng)指標(biāo)24小時(shí)全方位監(jiān)測，并可通過智能信息發(fā)布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多源信息的實(shí)時(shí)發(fā)布?？傮w來說，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究仍處于起步階段，還面臨著諸多亟待解決的問題，感應(yīng)端和應(yīng)用端研究環(huán)節(jié)較為薄弱，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還須跟上國際步伐。

1.2 3S技術(shù)

3S技術(shù)是地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）、遙感技術(shù)（Remote sensing，RS）和全球定位系統(tǒng)（Global positioning systems，GPS）的總稱。其中，GIS可以對空間信息進(jìn)行分析和處理，能把地圖視覺效果和地理分析功能與一般數(shù)據(jù)庫操作集成在一起，從而能夠很好的管理和分析各種環(huán)境空間地理信息；RS是通過遙感器等儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)物體條件下探測并獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，同時(shí)進(jìn)行提取、處理、分析與應(yīng)用的一門技術(shù)；GPS導(dǎo)航系統(tǒng)則是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。三種技術(shù)在應(yīng)用上擁有各自的優(yōu)勢和特點(diǎn)，將RS、GPS和GIS技術(shù)結(jié)合起來可實(shí)現(xiàn)對各種空間和環(huán)境信息進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、靈活的處理、收集和更新[3]。

環(huán)境保護(hù)是3S技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，通過RS技術(shù)可監(jiān)測大氣中主要污染物及顆粒大小和分布區(qū)域，還可以對水體污染以及城市生態(tài)環(huán)境污染等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并采樣，結(jié)合GPS即可獲取帶有坐標(biāo)的詳細(xì)的定位數(shù)據(jù)信息，從而可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的精確采集，再利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)信息的處理和綜合分析能力，將獲取到的帶有定位信息的環(huán)境實(shí)況信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境保護(hù)中環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)、環(huán)境預(yù)警以及為環(huán)境保護(hù)提供決策性支持[4]。在國外，例如美國、德國等已經(jīng)在上世紀(jì)90年代建立了以3S技術(shù)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。瑞典隆德大學(xué)的Jonas Ard于1997年利用3S技術(shù)對受到嚴(yán)重污染的Krusne Hory山區(qū)進(jìn)行了研究，分析了森林的破壞與海拔、坡向及與點(diǎn)污染源距離的關(guān)系，為環(huán)境監(jiān)測提供了依據(jù)[3]。我國在九五期間已將3S技術(shù)列入了國家重大項(xiàng)目，同時(shí)也取得了一定的成績。在由中科宇圖天下科技公司研發(fā)的放射源監(jiān)控管理系統(tǒng)中，已經(jīng)將“3S”技術(shù)和射頻標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用于放射源監(jiān)控領(lǐng)域，并成功應(yīng)用到了焦作市、張家口市、濟(jì)源市的放射源監(jiān)控中，且取得良好的效果。

1.3 數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程[5]。數(shù)據(jù)倉庫概念由創(chuàng)始人WilliamInmon 博士提出[6]，他認(rèn)為：“一個(gè)數(shù)據(jù)倉庫通常是一個(gè)面向主題的、集成的、隨時(shí)間變化的、但信息本身相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)集合，它用于對管理決策過程的支持。”數(shù)據(jù)挖掘通常由三部分組成，即數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果表達(dá)和解釋。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段就是從相關(guān)的數(shù)據(jù)源中選取所需的數(shù)據(jù)并整合成可用于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)集，即數(shù)據(jù)倉庫；數(shù)據(jù)挖掘階段就是用某種算法將數(shù)據(jù)倉庫中隱含的規(guī)律找出來；結(jié)果表達(dá)階段就是盡可能以用戶可理解的方式（如可視化）將找出的規(guī)律表示出來。

隨著3S技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的不斷應(yīng)用，將會積累大量的豐富的環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息會隨著時(shí)間的變化而變得越來越重要，而不是簡單的歷史數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前的相關(guān)處理形成數(shù)據(jù)倉庫，再利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)比如通過聚類分析建立預(yù)測模型；利用機(jī)器學(xué)習(xí)方式可以對環(huán)境污染指數(shù)進(jìn)行預(yù)測；通過相關(guān)與決策樹分析等可以對污染因子進(jìn)行比較從而可以為確定污染源提供決策。相關(guān)實(shí)際應(yīng)用例如：蔣志方利用資源分配神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和隱結(jié)點(diǎn)相關(guān)性剪枝方法，建立了一個(gè)空氣質(zhì)量預(yù)測模型[7]；同時(shí)在國內(nèi)外的許多空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中也利用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)和關(guān)聯(lián)規(guī)則的時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)對污染指數(shù)和空間污染物分布情況進(jìn)行預(yù)測[8]。

2 對信息化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用的建議

環(huán)境信息化的發(fā)展是一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展過程，只有在政策、體制、人才、技術(shù)等因素的相互配合下，才能推進(jìn)環(huán)境信息化有序、健康的發(fā)展，近些年，我國在探索環(huán)境信息化發(fā)展的道路上，所做的努力和取得的成績是有目共睹的，但也仍將有許多問題需要面對，筆者針對發(fā)現(xiàn)的問題提出了以下幾方面建議：

2.1 探索校企合作，加強(qiáng)環(huán)境信息人才培養(yǎng)，促進(jìn)環(huán)境信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，為自主創(chuàng)新提供源動力

環(huán)境信息化是信息技術(shù)與環(huán)境領(lǐng)域的深入融合，發(fā)展離不開創(chuàng)新，創(chuàng)新需要有人才，環(huán)境信息化的發(fā)展需要有既懂信息技術(shù)又懂環(huán)境專業(yè)的跨學(xué)科人才隊(duì)伍，這樣才能更好的促進(jìn)信息技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。筆者通過網(wǎng)絡(luò)對當(dāng)前高校內(nèi)專業(yè)及研究所情況進(jìn)行的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本科院校暫未設(shè)置環(huán)境信息技術(shù)相關(guān)專業(yè)，專科類院校僅有中國環(huán)境干部學(xué)院、長沙環(huán)境保護(hù)學(xué)院開設(shè)了環(huán)境信息技術(shù)專業(yè)。目前建立了環(huán)境信息技術(shù)相關(guān)研究所的機(jī)構(gòu)有：西北工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境信息化工程研究所、大連海事大學(xué)環(huán)境信息研究所、青島科技大學(xué)生態(tài)與農(nóng)業(yè)信息化研究所、嘉應(yīng)學(xué)院資源環(huán)境信息系統(tǒng)研究所、安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所。人才隊(duì)伍的培養(yǎng)很大程度上是依靠各高等院校開設(shè)相應(yīng)的專業(yè)。因此，可以考慮在相關(guān)專本科學(xué)校開設(shè)環(huán)境信息化技術(shù)相關(guān)專業(yè)或者是在環(huán)境類專業(yè)開設(shè)相關(guān)信息技術(shù)與環(huán)境保護(hù)結(jié)合的相關(guān)課程，以提高同學(xué)們對環(huán)境信息化的研究積極性，同時(shí)還可以在相關(guān)院校或環(huán)保企業(yè)成立環(huán)境信息技術(shù)研究所，使環(huán)境信息人才的培養(yǎng)得到保障，自主創(chuàng)新能力才有突破。同時(shí)，從事環(huán)境信息技術(shù)相關(guān)的環(huán)保企業(yè)具有前沿技術(shù)優(yōu)勢，可以加強(qiáng)高校及研究所與企業(yè)的合作，走產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的道路，形成環(huán)境信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，真正實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息技術(shù)健康可持續(xù)發(fā)展。

2.2 提高 3S技術(shù)一體化、集成化程度，保證數(shù)據(jù)獲取精確、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定，優(yōu)化并挖掘環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)庫

3S技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用具有廣闊空間和發(fā)展前景，特別是在環(huán)境監(jiān)測方面具有其它技術(shù)無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，它可以使人們連續(xù)不斷的獲取地球表層和環(huán)境相關(guān)的空間信息流。

（1）加強(qiáng)對環(huán)境遙感設(shè)備的改進(jìn)和關(guān)鍵技術(shù)如成像雷達(dá)、成像光譜儀等的突破，提高其數(shù)據(jù)采集的精度和穩(wěn)定性，并能適應(yīng)不同環(huán)境條件下對不同環(huán)境監(jiān)測要求的數(shù)據(jù)采集，研發(fā)配套軟件，提高自主創(chuàng)新能力。

（2）研究并充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)高速度、高帶寬的特點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)采集信息有效、快速、穩(wěn)定的傳輸。提高3S技術(shù)一體化程度，實(shí)現(xiàn)多維信息獲取與實(shí)時(shí)處理，并能建成新型的地面三維信息和地理編碼影像，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取與處理，形成快速、高精度的信息處理流程。

（3）加大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，規(guī)范完善數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)倉庫。加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)分類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和專家系統(tǒng)等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在遙感數(shù)據(jù)信息處理中的應(yīng)用。

2.3 努力應(yīng)用新技術(shù)，推進(jìn)“數(shù)字環(huán)?！毕颉爸腔郗h(huán)?！钡霓D(zhuǎn)變

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來勢迅猛，應(yīng)用廣，發(fā)展快，但由于其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，相關(guān)配套措施尚未完善，目前還仍處于初級階段。因此，如何抓住機(jī)遇，積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)“數(shù)字環(huán)?！毕颉爸腔郗h(huán)保”的轉(zhuǎn)變是環(huán)境信息化發(fā)展的必經(jīng)之路?！爸腔郗h(huán)?！盵9]就是在原有數(shù)字環(huán)保的基礎(chǔ)上，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把感應(yīng)器和裝備嵌入到各種環(huán)境監(jiān)控對象中，通過計(jì)算機(jī)將環(huán)保領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會與環(huán)境業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整合，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境管理和決策的“智慧”。在感知層，環(huán)境傳感器技術(shù)是關(guān)鍵，大部分技術(shù)由國外引進(jìn)，亟需加強(qiáng)對傳感器設(shè)備的自主研發(fā)，促進(jìn)設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。在網(wǎng)絡(luò)層，要充分利用現(xiàn)有通信技術(shù)高速度、大容量、高可靠性的特點(diǎn)，促進(jìn)云計(jì)算技術(shù)、新一代網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)在智慧環(huán)保中的應(yīng)用。在應(yīng)用層，需要整合現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)資源，提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享力度，并合理規(guī)劃未來系統(tǒng)的開發(fā)。

3 小結(jié)

信息技術(shù)的出現(xiàn)使人類的生產(chǎn)生活方式得到了根本性的轉(zhuǎn)變，信息技術(shù)已經(jīng)成為了支撐當(dāng)今經(jīng)濟(jì)活動和社會生活的基石。深入推進(jìn)環(huán)境信息化是全球信息化發(fā)展的客觀要求，促進(jìn)數(shù)字環(huán)保向智慧環(huán)保的轉(zhuǎn)變是環(huán)境信息化未來發(fā)展的方向，而數(shù)據(jù)處理和知識發(fā)現(xiàn)能力也將是影響“智慧”的一個(gè)重要因素，3S技術(shù)在今后一段時(shí)間仍將是信息技術(shù)在環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域中的一大熱點(diǎn)。信息領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展日新月異，這也將為環(huán)境信息化的發(fā)展提供了有力的支撐，相信我國環(huán)境信息化的發(fā)展在國家政策的大力支持下，必定會取得新的突破，必定會推動環(huán)境保護(hù)事業(yè)的科學(xué)化發(fā)展。

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