資源關(guān)聯(lián)性大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用*

藺旭東，周軍鋒，劉 佳（.中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島 066004；.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 0660）

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·問題研究·

資源關(guān)聯(lián)性大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境
保護(hù)中的應(yīng)用*

藺旭東1，周軍鋒2，劉 佳1
（1.中國環(huán)境管理干部學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066102）

摘 要大數(shù)據(jù)時(shí)代，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)重要領(lǐng)域的預(yù)測。大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與管理領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。我國要求到2020年基本實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、重點(diǎn)污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋，各級(jí)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開展大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析。文章對(duì)資源關(guān)聯(lián)性大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與探討，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境資源關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析。另外，對(duì)我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出當(dāng)前我國有關(guān)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)與模型相對(duì)獨(dú)立，并沒有得到最為有效的整合，對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測的結(jié)果仍缺乏統(tǒng)一的分析、對(duì)比及評(píng)價(jià)。該文對(duì)大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行了展望，指出大數(shù)據(jù)時(shí)代下決策的制定將越來越依托于數(shù)據(jù)與分析的支撐，利用大數(shù)據(jù)對(duì)不同信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，找出數(shù)據(jù)間的因果性與必然性，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技決策提供保障。

關(guān)鍵詞資源關(guān)聯(lián) 大數(shù)據(jù) 農(nóng)業(yè) 生態(tài)保護(hù) 應(yīng)用

0 引言

大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，深刻的改變了人類的生活。通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測的目的是其本質(zhì)與核心。今天，大數(shù)據(jù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與管理領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入。運(yùn)用遙感等先進(jìn)技術(shù)，通過地面站點(diǎn)、地球衛(wèi)星觀測及其應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)影響農(nóng)業(yè)的水、土壤、大氣及生物環(huán)境等影響因子進(jìn)行全面監(jiān)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害與農(nóng)作物生產(chǎn)的提前預(yù)警與預(yù)測，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與建設(shè)具有積極的意義。我國從20世紀(jì)90年代開始圍繞國家主要環(huán)境問題，開展環(huán)境監(jiān)測工作，在構(gòu)建國家環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系上進(jìn)行了開拓與探索。國務(wù)院于2015年7月26日印發(fā)了關(guān)于《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》的通知，要求到2020年基本實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、重點(diǎn)污染源、生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋，各級(jí)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開展大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，進(jìn)而提升生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測評(píng)估與預(yù)警能力［1］。該文正是基于此，對(duì)資源關(guān)聯(lián)性大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與探討，希望對(duì)我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)體系的構(gòu)建提供一些有益的參考。

1 大數(shù)據(jù)與云計(jì)算

大數(shù)據(jù) （big data），是用來描述海量的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的專業(yè)術(shù)語，它具有數(shù)量大、多樣性、快速及真實(shí)性的特征。全球知名咨詢公司麥肯錫最早提出“大數(shù)據(jù)”時(shí)代到來這一理念［2］。麥肯錫稱:“數(shù)據(jù)，已經(jīng)滲透到當(dāng)今每一個(gè)行業(yè)與業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域，成為重要的生產(chǎn)因素。人們對(duì)于海量數(shù)據(jù)的挖掘與運(yùn)用，預(yù)示著新一波生產(chǎn)率增長與消費(fèi)者盈余浪潮的到來。”今天，人們已經(jīng)能夠深刻體會(huì)到大數(shù)據(jù)的來勢兇猛，大數(shù)據(jù)的本質(zhì)與核心，就是通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測的目的，它在一定意義上賦予了互聯(lián)網(wǎng)智商，使其具備了人工智能的能力。運(yùn)用數(shù)學(xué)算法并基于海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上來預(yù)測事情發(fā)生的可能性，使得未來很多單純依靠人的判斷能力的領(lǐng)域?qū)?huì)被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)改變或者取代［3］。

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級(jí)計(jì)算模式與模型，支撐著大數(shù)據(jù)處理，它能夠隨時(shí)、隨地、隨需、高效快捷的從共享的海量數(shù)據(jù)中獲取所需資源。云計(jì)算甚至能夠達(dá)到10萬億次/秒的運(yùn)算能力，可以模擬與預(yù)測包括氣候變遷、環(huán)境演變、市場發(fā)展趨勢甚至是核爆炸在內(nèi)的，眾多過去人類難以實(shí)現(xiàn)的想法與要求。

我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)關(guān)系到百姓的生活、社會(huì)的安定乃至整個(gè)國家的前進(jìn)與發(fā)展。大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)挖掘與人工智能上所展現(xiàn)的優(yōu)勢，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與保護(hù)產(chǎn)生了革命性的影響。當(dāng)前我國各級(jí)環(huán)保部門與研究機(jī)構(gòu)對(duì)生態(tài)環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果，都是從單一數(shù)據(jù)角度進(jìn)行分析與研究的，存在著一定的局限性與片面性，而本質(zhì)與規(guī)律往往隱藏在原始數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)之中［4］。包括土壤、水、氣象及生物等在內(nèi)的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境資源之間是相互影響、相互依存與相互作用的，因此開展基于農(nóng)業(yè)環(huán)境資源關(guān)聯(lián)性的大數(shù)據(jù)分析，能夠從技術(shù)層面將我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提升到一個(gè)更高的水平。

2 農(nóng)業(yè)環(huán)境資源關(guān)聯(lián)性分析

農(nóng)業(yè)環(huán)境污染主要包括土壤污染、水污染及大氣污染等，這些污染直接威脅著農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的安全。土壤是農(nóng)業(yè)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)與本源，具有凈化、降解、消納各類污染物的功能，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡至關(guān)重要。但其自身凈化能力有限，土地資源的過度開發(fā)、化肥農(nóng)藥、工業(yè)廢物等都會(huì)使土壤的物理、化學(xué)以及生物性質(zhì)發(fā)生改變，造成土壤污染［5］；水資源環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)的影響毋庸置疑，近年來我國水環(huán)境惡化問題日趨加劇，嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。水污染主要包括缺水型污染、生活用水污染、工業(yè)排污污染以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥化肥污染［6］；當(dāng)大氣自身稀釋與凈化的能力低于農(nóng)田大氣中的污染物排放量，大氣質(zhì)量出現(xiàn)惡化，將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成直接或間接的不良影響，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量下降，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)燃煤散燒、秸稈焚燒現(xiàn)象十分突出，已經(jīng)成為農(nóng)田大氣污染的重要來源［7］。

土壤、水及大氣這三者存在一定的相關(guān)性，大氣污染中的有害氣體通過降水作用于土壤，造成土壤污染，通過雨水徑流又會(huì)帶來水污染，而土壤中的污染物被微生物分解后產(chǎn)生有害氣體又會(huì)污染大氣。對(duì)三者的研究涉及環(huán)境生態(tài)學(xué)與地球科學(xué)等多門學(xué)科，當(dāng)前它們之間有規(guī)律的影響因素與因果關(guān)系仍有待進(jìn)一步的研究與探討，而大數(shù)據(jù)分析是找出其中有徑、有循、有時(shí)效性規(guī)律的重要方法。目前我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警過程中，一般只對(duì)這些污染源從單一角度加以分析與研究，而對(duì)其關(guān)聯(lián)性關(guān)注甚少。大數(shù)據(jù)與云計(jì)算的出現(xiàn)使基于資源關(guān)聯(lián)性的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的分析與研究的難度大大降低，能夠有效提高農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)警的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。

3 我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀

環(huán)境保護(hù)的終極目的是避免生態(tài)環(huán)境的破壞，我國從20世紀(jì)90年代起開始開展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，環(huán)保部經(jīng)過多年的實(shí)踐與探索，組建起國家生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)由國家、省、地市三級(jí)監(jiān)測站組成，對(duì)水、土壤、湖泊濕地、大氣等環(huán)境資源進(jìn)行全面的監(jiān)測，為我國的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境管理工作提供了準(zhǔn)確、具體、有力的服務(wù)；農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室也一直積極投身空間技術(shù)在減災(zāi)救災(zāi)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)災(zāi)害進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測與評(píng)估［8］。農(nóng)業(yè)部遙感應(yīng)用中心建立的中國農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測系統(tǒng) （CHARMS），應(yīng)用氣象模型、遙感模型及統(tǒng)計(jì)模型，開展農(nóng)情遙感監(jiān)測；科技部則從2012年開始進(jìn)行全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測年度報(bào)告工作，通過組建生態(tài)環(huán)境遙感研究中心，組織國內(nèi)優(yōu)勢科研團(tuán)隊(duì)整合數(shù)據(jù)并撰寫報(bào)告，在2013年第1次公布全球報(bào)告后，在每年的6月5日世界環(huán)境日這天都及時(shí)公布最新一期的全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測年度報(bào)告，為解決全球生態(tài)環(huán)境問題做了大量的實(shí)踐好探索；中科院地理科學(xué)與資源研究所聯(lián)合33家單位與51個(gè)觀測站網(wǎng)，跨部門、行業(yè)及地域組建起國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) （Chinese National Ecosystem Research Network），并與2011年成為首批被科技部與財(cái)政部評(píng)審認(rèn)定的國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)，為不同用戶提供包括生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、碳氮水通量觀測數(shù)據(jù)、氣象柵格數(shù)據(jù)、臺(tái)站空間地圖數(shù)據(jù)在內(nèi)的開放與共享的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)檢索，數(shù)據(jù)實(shí)體查詢、產(chǎn)品加工以及傳送服務(wù)［9］。

當(dāng)前環(huán)保、科技、農(nóng)業(yè)及中科院等部門雖然收集整合了大量數(shù)據(jù)，并運(yùn)用氣象、遙感及統(tǒng)計(jì)模型對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，但這些數(shù)據(jù)與模型相對(duì)獨(dú)立，并沒有得到最為有效的整合，對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測的結(jié)果仍缺乏統(tǒng)一的分析、對(duì)比及評(píng)價(jià)［10］，有待進(jìn)一步完善。

4 大數(shù)據(jù)分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的應(yīng)用展望

大數(shù)據(jù)時(shí)代下決策的制定將越來越依托于數(shù)據(jù)與分析的支撐，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)涵蓋方方面面，包括土地的利用、覆蓋、侵蝕以及地形地貌等數(shù)據(jù)，水、土壤、植被及大氣等環(huán)境資源數(shù)據(jù)。這些展示單一方面表象的數(shù)據(jù)看似無序毫不相干，但大數(shù)據(jù)能夠通過對(duì)不同信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)彼此間存在的關(guān)聯(lián)性，找出數(shù)據(jù)間的因果性與必然性，最終提供準(zhǔn)確的預(yù)測與判斷，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作保駕護(hù)航。例如美國微軟公司同環(huán)保部信息中心開展合作，共同開發(fā)與優(yōu)化基于城市大數(shù)據(jù)計(jì)算城市大氣質(zhì)量的計(jì)算模型 （U-Air），應(yīng)用各種傳感技術(shù)獲取大數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行異構(gòu)管理，將各種不確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，找出存在的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)環(huán)保預(yù)測的確定性與準(zhǔn)確性，大大提升政府環(huán)境管理的能力［11］。

2015年7月中央與國務(wù)院印發(fā)的關(guān)于《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)提出了新的要求，包括環(huán)保部、科技部等在內(nèi)的中央各部委，以及各級(jí)地方政府、環(huán)保部門及相關(guān)職能部門都在不斷創(chuàng)新與實(shí)踐，通過建立跨部門跨地區(qū)的合作平臺(tái)，積累與建立海量數(shù)據(jù)清單與資源，將生態(tài)環(huán)保工作積極融入大數(shù)據(jù)時(shí)代。通過不斷開發(fā)基于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的大數(shù)據(jù)模型，從數(shù)據(jù)資源的了“壟斷者”向“競爭者”轉(zhuǎn)變，擴(kuò)大開放與共享大數(shù)據(jù)的范圍，同時(shí)聯(lián)合有志于開展環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘的高等院校、科研院所、個(gè)人及企業(yè)等，提供更多、更科學(xué)的環(huán)境監(jiān)測解決方案，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì)計(jì)算及關(guān)聯(lián)性分析，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測，從而為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供決策參考［12］。

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APPLICATION RESEARCH ON BIG DATA ANALYSIS OF RESOURCES RELEVANCE IN THE AGRICULTURAL ECOLOGICAL ENVIRONMENT PROTECTION

Lin Xudong1，Zhou Junfeng2，Liu Jia1
（1.Environmental Management College of China，Qinhuangdao 066004，China；2.Information Science and Engineering College of Yanshan Universit，Qinhuangdao 066102，China）

AbstractPeople can predict important things of social economy through the analysis of the big data in big data era.Big data is further applied in the field of agricultural ecological environment monitoring and management.Our country demand to basic implement complete coverage of environment quality and major pollution sources，and to share the monitoring data of various levels system interconnection，to build ecological environment monitoring data platform，and then to develop big data relevance analysis in 2020.The article studied and discussed the application of agricultural ecological environment protection in big data relevance analysis，and analyzed the relevance of agricultural environment and resources.It put forward that soil，water and atmosphere has certain relevance，and big data and cloud computing based on resources of correlation analysis of the agricultural ecological environment have the feasibility.Based on analyzing the current situation of agricultural ecological environment monitoring，the author refer to that although some departments，such as environmental protection，science and technology，integration of agriculture and the Chinese academy of sciences，collected a large amount of data，and using meteorology，remote sensing and statistical model to of monitor the ecological environment，these data and model were relatively independent，and didn＇t get the most effective integration，the results of monitoring data was still lack of unified analysis，comparison and evaluation.The article prospects that the big data analysis in the application of agricultural ecological environment.And it put forward that in the era of big data，decision will more depend on the support of data and analysis，people have to find out the causality between data and inevitability using big data relevance analysis on the different information，and guarantee for the decision of ecological environment protection scientifically.

Keywordsresources relevance；big data analysis；agriculture；ecological environment protection；application

中圖分類號(hào)：X171.4；TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9121［2016］02-0062-04

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160209

收稿日期：2015-06-25

作者簡介：藺旭東 （1974—），男，河北秦皇島人，副教授。研究方向:大數(shù)據(jù)、信息檢索。Email:gzklthw@126.com

*資助項(xiàng)目：河北省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究”（HB14LJ001）；河北省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)在京津冀生態(tài)環(huán)境改善協(xié)作中的輔助決策機(jī)制研究”（15450317D）