生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)支持下的環(huán)境管理信息系統(tǒng)教學(xué)改革探索

宋俊年 楊巍

摘? ?要：生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展為“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”內(nèi)容的豐富與方法技術(shù)的革新提供了重要支撐。文章基于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行拓展，引入生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的框架及技術(shù)體系，通過(guò)案例分析向?qū)W生介紹生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與構(gòu)建，并通過(guò)實(shí)踐教學(xué)著重培養(yǎng)學(xué)生專題環(huán)境管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容及方法的改革，不僅可以豐富學(xué)生知識(shí)和技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)可以提升學(xué)生分析、設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù);環(huán)境管理信息系統(tǒng);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1002-4107（2020）09-0001-02

“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”作為高等學(xué)校環(huán)境科學(xué)專業(yè)環(huán)境規(guī)劃與管理方向的必修課，在向?qū)W生介紹環(huán)境管理時(shí)空信息的收集、處理、分析、利用和展示，培養(yǎng)學(xué)生專題環(huán)境管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)能力等方面具有重要作用。同時(shí)作為應(yīng)用類專業(yè)課程，需要及時(shí)跟進(jìn)環(huán)境管理業(yè)務(wù)的需求和變化。目前環(huán)境管理信息系統(tǒng)要求具備業(yè)務(wù)集成化、數(shù)據(jù)多元化、數(shù)據(jù)處理技術(shù)系統(tǒng)化、應(yīng)用多樣化等特點(diǎn)[1]。因此，需要集成多學(xué)科的基礎(chǔ)理論和技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展為生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、處理和應(yīng)用的集成提供了可能[2]。大數(shù)據(jù)是一種大規(guī)模數(shù)據(jù)管理與利用模式和技術(shù)平臺(tái)的泛指。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》，提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提升我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管與決策能力[3]。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)近年來(lái)已經(jīng)成功應(yīng)用到部分環(huán)境管理業(yè)務(wù)中，推動(dòng)了環(huán)境管理的快速發(fā)展[4]。因此，急需引入生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)對(duì)“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”進(jìn)行改革，從內(nèi)容、方法和案例等方面進(jìn)行拓展，為我國(guó)環(huán)境管理信息系統(tǒng)實(shí)踐業(yè)務(wù)的人才儲(chǔ)備提供支持。

一、“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”課程內(nèi)容框架的構(gòu)建

基于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)對(duì)原有環(huán)境信息、環(huán)境信息系統(tǒng)的組成、環(huán)境信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和環(huán)境信息系統(tǒng)工程案例等內(nèi)容進(jìn)行升級(jí)和豐富?，F(xiàn)代環(huán)境管理業(yè)務(wù)需要多來(lái)源、多時(shí)空尺度、多類型的環(huán)境信息和相關(guān)的非環(huán)境信息。所以該課程首先要針對(duì)各類環(huán)境問(wèn)題的信息獲取和處理進(jìn)行講解;其次用生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)容和框架體系替換原環(huán)境信息系統(tǒng)的組成;然后講解生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與構(gòu)建;最后介紹已運(yùn)行的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)的架構(gòu)、特點(diǎn)和功能等。“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”是一門(mén)理論與上機(jī)實(shí)踐相結(jié)合的課程，所以要針對(duì)具體生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)框架進(jìn)行上機(jī)實(shí)踐設(shè)計(jì)。

二、環(huán)境信息的拓展

遙感技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和完善，為獲取多尺度、多類型和連續(xù)性數(shù)據(jù)提供了保障。因此，本課程要針對(duì)不同類別環(huán)境管理業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求進(jìn)行拓展。主要介紹地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（如水質(zhì)、大氣污染監(jiān)測(cè)、噪聲監(jiān)測(cè)、土壤監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)）、地理信息數(shù)據(jù)（土地利用、數(shù)字高程、流域邊界、道路等數(shù)據(jù)）、遙感數(shù)據(jù)（植被指數(shù)、葉綠素指數(shù)等）、與環(huán)境相關(guān)的社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如能源消費(fèi)、工業(yè)生產(chǎn)、畜禽養(yǎng)殖等數(shù)據(jù)）以及其他必要的輔助數(shù)據(jù)。詳解各類數(shù)據(jù)的獲取機(jī)構(gòu)和組織、獲取平臺(tái)（設(shè)備）、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求等。

三、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵與框架

雖然該課程原“環(huán)境信息系統(tǒng)的組成”部分講解了數(shù)據(jù)獲取、分析、挖掘和可視化，但是對(duì)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的講解不深入、不全面。因此，將生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)引入，對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行升級(jí)。介紹生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，即利用數(shù)據(jù)庫(kù)、機(jī)理模型、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、圖像處理與可視化技術(shù)等，獲取有價(jià)值的實(shí)時(shí)信息和決策支持信息。該課程將生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)框架體系分解為：數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和數(shù)據(jù)展示技術(shù)。

（一）數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對(duì)不同的環(huán)境管理業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展各類型數(shù)據(jù)需求分析工作，尋找數(shù)據(jù)源，確定數(shù)據(jù)內(nèi)容和要求。如大尺度自然空間（國(guó)家公園）管理需要遙感數(shù)據(jù)，因此要確定合適的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品（傳感器波段設(shè)置和時(shí)空分辨率），從遙感產(chǎn)品中提取土地利用/覆被類型和植被指數(shù)等數(shù)據(jù)。該課程給學(xué)生分配各類型數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，并將數(shù)據(jù)采集的成果進(jìn)行PPT匯報(bào)，加深學(xué)生對(duì)此部分內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和理解。

（二）數(shù)據(jù)處理技術(shù)

該課程數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要指數(shù)據(jù)的預(yù)處理。講解通過(guò)遺漏數(shù)據(jù)處理、噪聲數(shù)據(jù)處理和不一致數(shù)據(jù)處理方式對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行預(yù)處理。然后根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間屬性，分別介紹離線數(shù)據(jù)處理方法、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合方法。

（三）數(shù)據(jù)管理技術(shù)

數(shù)據(jù)管理主要是指數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理要求系統(tǒng)必須具有較高的穩(wěn)定性、較強(qiáng)的兼容性、可拓展性和較高的安全性等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心是數(shù)據(jù)庫(kù)，本門(mén)課程主要講解目前應(yīng)用較廣的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的上機(jī)實(shí)踐奠定理論基礎(chǔ)。

（四）數(shù)據(jù)分析技術(shù)

主要介紹數(shù)據(jù)的多維查詢、多元統(tǒng)計(jì)分析、模型模擬分析、預(yù)測(cè)分析、智能算法和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)。因各部分內(nèi)容較多，受課時(shí)限制，此部分只能介紹各類技術(shù)的機(jī)理和框架。其中，人工智能技術(shù)的發(fā)展便將相關(guān)智能算法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)集成到大數(shù)據(jù)平臺(tái)成為可能，此部分主要以案例向?qū)W生介紹，以便獲取較好的教學(xué)效果。

（五）數(shù)據(jù)展示技術(shù)

隨著環(huán)境管理業(yè)務(wù)的公開(kāi)化，相關(guān)環(huán)境信息不僅要向環(huán)境管理人員展示，同時(shí)也要提供給公眾和媒體。這就要求信息的展示需要兼顧專業(yè)性和通俗性。因此本門(mén)課程不僅要介紹傳統(tǒng)普通圖表的展示技術(shù)，還要補(bǔ)充專題圖展示技術(shù)、多維圖表展示技術(shù)和空間三維展示技術(shù)[5]。現(xiàn)在環(huán)境管理業(yè)務(wù)越來(lái)越注重動(dòng)態(tài)信息展示，因此將時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬與展示技術(shù)（如全國(guó)大氣SO2 濃度時(shí)空分布展示與預(yù)測(cè)）作為重點(diǎn)進(jìn)行講解[6]。以上多樣化的展示技術(shù)更利于數(shù)據(jù)和成果的傳達(dá)和理解。

四、生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與實(shí)例介紹

在這門(mén)課程中除了向?qū)W生介紹構(gòu)建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)所需要的技術(shù)體系外，還需要介紹參與平臺(tái)建設(shè)的部門(mén)和科研機(jī)構(gòu)、任務(wù)分工和合作模式等。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和信息安全體系框架下，講解生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)下設(shè)的三個(gè)分平臺(tái)（生態(tài)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)、管理平臺(tái)和環(huán)保云平臺(tái)）的設(shè)立目的和功能。為了提高學(xué)生對(duì)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，案例教學(xué)是本門(mén)課程的重要教學(xué)手段。重點(diǎn)介紹生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、模擬與預(yù)測(cè)和優(yōu)化決策等方面的應(yīng)用案例，如北京大學(xué)研發(fā)的霾預(yù)報(bào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)、江蘇省生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)、平原水庫(kù)健康系統(tǒng)預(yù)警[7]，環(huán)境監(jiān)測(cè)與氣象監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)和廣州城市生活垃圾治理平臺(tái)[8-9]。

五、上機(jī)實(shí)踐設(shè)計(jì)

上機(jī)實(shí)踐設(shè)計(jì)主要參考本門(mén)課程的教學(xué)目的、課時(shí)和學(xué)生專業(yè)?？紤]到本門(mén)課程是給環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的專業(yè)課，復(fù)雜的編程任務(wù)不適合本門(mén)課程，建立一個(gè)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)也不現(xiàn)實(shí)。本門(mén)課程上機(jī)實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生專題環(huán)境管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。因此，上機(jī)實(shí)驗(yàn)以小組形式開(kāi)展，五位學(xué)生一組，每組學(xué)生自選一個(gè)環(huán)境問(wèn)題（任課教師提前選取好的環(huán)境問(wèn)題）。首先，利用環(huán)境項(xiàng)目周期管理方法對(duì)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)針對(duì)環(huán)境問(wèn)題的環(huán)境管理信息系統(tǒng)。然后，將環(huán)境管理信息系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行拆解和組內(nèi)分配：一人負(fù)責(zé)研究確定數(shù)據(jù)需求，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理，為后續(xù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)提供類型豐富的數(shù)據(jù)支持;一人負(fù)責(zé)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建與測(cè)試;基于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)，兩人負(fù)責(zé)系統(tǒng)查詢、分析、模擬、預(yù)測(cè)等功能模塊的編程（只完成各功能模塊的架構(gòu)編程即可）;一人負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)和分析模擬結(jié)果的多樣化展示。最后，小組成員共同協(xié)作生成一個(gè)可運(yùn)行的環(huán)境管理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序，并進(jìn)行管理系統(tǒng)運(yùn)行展示，向同學(xué)們介紹該系統(tǒng)建立的目的、功能和不足。

六、結(jié)論

基于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)對(duì)“環(huán)境管理信息系統(tǒng)”課程進(jìn)行改革，使學(xué)生們了解大數(shù)據(jù)的發(fā)展提升了環(huán)境管理信息系統(tǒng)的便利性、時(shí)效性、集成性、精確度、動(dòng)態(tài)性和全過(guò)程監(jiān)管能力等。同時(shí)掌握生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵、框架和技術(shù)體系，讓學(xué)生們了解到最新的知識(shí)和技術(shù)。通過(guò)介紹生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建案例，使學(xué)生深入了解生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在環(huán)境管理業(yè)務(wù)方面發(fā)揮的重要作用。最終培養(yǎng)學(xué)生具備如何針對(duì)具體環(huán)境問(wèn)題設(shè)計(jì)和構(gòu)建對(duì)應(yīng)環(huán)境管理信息系統(tǒng)的能力，為今后環(huán)境管理科研和工作奠定重要基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯? 包玉紅]