大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)應(yīng)用

陳 琰

（南通市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，江蘇 南通 226000）

0 引言

大氣環(huán)境對人類生存及生物多樣性保護(hù)的重要性不言而喻，但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍是各個(gè)國家的首要目標(biāo)，如何使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展成為當(dāng)今社會(huì)各界關(guān)注的熱門話題，十九大報(bào)告明確指出，我們要建設(shè)的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，既要?jiǎng)?chuàng)造更多的物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富以滿足人民日益增長的生活需要，又要提供更多優(yōu)質(zhì)的生態(tài)產(chǎn)品以滿足人民日益增長的優(yōu)美生態(tài)環(huán)境需要。十九大報(bào)告為未來中國的生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展指明了方向、規(guī)劃了路線。從十九大報(bào)告可以看出，我國越來越重視環(huán)境治理工作。由于大氣環(huán)境異常復(fù)雜，又不斷地受到人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣象因素的影響，對大氣環(huán)境的監(jiān)測難度也越來越大，隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目前已結(jié)合大數(shù)據(jù)解析技術(shù)應(yīng)用到大氣環(huán)境的監(jiān)測之中，通過綜合分析收集到的多種數(shù)據(jù)信息，完成對大氣環(huán)境的有效監(jiān)測。

1 大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的意義

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種信息層出不窮，說全面進(jìn)入信息時(shí)代也并不為過，極大地方便了社會(huì)人群的日常生活，改變了人們的工作習(xí)慣。與此同時(shí)，各種軟件程序在應(yīng)用的過程中產(chǎn)生數(shù)量巨大的信息數(shù)據(jù)，也進(jìn)一步改變了信息存儲(chǔ)方式，使其能夠更好地服務(wù)軟件應(yīng)用人群。因此，環(huán)境有關(guān)部門通過在大氣監(jiān)測中應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠有效提高數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)分析效率，提高大氣環(huán)境監(jiān)測的可靠性。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的工作原理

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大氣監(jiān)測過程中多種信息數(shù)據(jù)收集、模擬、分析，通過對收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)模擬分析來獲取目標(biāo)函數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而促使有關(guān)人員順利完成對大氣環(huán)境的監(jiān)測工作，其是1項(xiàng)綜合性的技術(shù)。圖1為大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的工作原理示意圖[1]，從圖中可以看出，研究對象與目標(biāo)為某地的空氣污染狀況，通過綜合應(yīng)用多源衛(wèi)星、無人機(jī)等先進(jìn)設(shè)備來對該城市的相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與信息采集，再經(jīng)過數(shù)據(jù)中心后分析該地的大氣污染程度，為了進(jìn)一步制定針對性的環(huán)境污染治理策略奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的城市規(guī)劃。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的工作原理

3 大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)優(yōu)勢及具體應(yīng)用

3.1 大數(shù)據(jù)解析技術(shù)優(yōu)勢

大數(shù)據(jù)解析技術(shù)與傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測手段相比具有十分明顯的技術(shù)優(yōu)勢，主要包括強(qiáng)化環(huán)境監(jiān)控、輔助環(huán)境治理以及共享監(jiān)測成果3個(gè)方面。具體來說，大數(shù)據(jù)的獲取需要多種監(jiān)測采集設(shè)備協(xié)同應(yīng)用，監(jiān)測手段更加多樣化，通過大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的應(yīng)用迅速分析出重要的數(shù)據(jù)參數(shù)以精準(zhǔn)監(jiān)測大氣環(huán)境，有關(guān)部門結(jié)合這些信息加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)控，提高大氣預(yù)警能力，評估近段時(shí)間以來的某地區(qū)大氣環(huán)境狀況，為政府有關(guān)部門下一步制定行之有效的環(huán)境治理策略奠定基礎(chǔ)，達(dá)到防止污染繼續(xù)蔓延、改善大氣環(huán)境的目的。與此同時(shí)，科研人員也可以通過這些信息數(shù)據(jù)資料及評估出的結(jié)果來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型優(yōu)化，以進(jìn)一步提高大數(shù)據(jù)技術(shù)分析的科學(xué)性、合理性及可靠性。另外，通過建立云分析平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)城市間的信息共享，任何移動(dòng)端用戶都可以實(shí)時(shí)查看各區(qū)域的大氣環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，為不同人群提供更全面的氣象服務(wù)。

3.2 大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 實(shí)現(xiàn)可視化操作

在對大氣環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測的過程中，凡是影響大氣環(huán)境的因素都要納入監(jiān)測范圍，涉及的監(jiān)測指標(biāo)多而雜，包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物以及臭氧等，因此，大氣環(huán)境監(jiān)測是一項(xiàng)極其龐大的工作，為了更順利地對其開展監(jiān)測工作，僅僅通過數(shù)據(jù)信息收集記錄還不夠，還需要對其進(jìn)行可視化操作，這也是當(dāng)前大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，以便于相關(guān)人員分析某監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境質(zhì)量狀況與演變規(guī)律。圖2為大氣環(huán)境監(jiān)測情況的分析流程[2]，從圖中可以看出，通過采樣系統(tǒng)對各種監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行采集分析，進(jìn)而將監(jiān)測子站的數(shù)據(jù)信息反饋到中心站，通過連接的中心站計(jì)算機(jī)將結(jié)果反饋到相關(guān)監(jiān)測平臺(tái)上，也可以通過繪圖儀及打印機(jī)將其結(jié)果打印出來，以更直觀地檢查實(shí)時(shí)大氣環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)而根據(jù)氣象預(yù)警制定相關(guān)防治手段。

圖2 大氣環(huán)境監(jiān)測分析流程

3.2.2 實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境立體化監(jiān)測

大數(shù)據(jù)解析技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對大氣環(huán)境的立體化監(jiān)測，通過多源衛(wèi)星、無人機(jī)等多種手段能夠獲取特定區(qū)域內(nèi)的立體化大氣污染信息數(shù)據(jù)，通過一體化信息平臺(tái)可對污染源類型及污染發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、原因和程度等對大氣環(huán)境進(jìn)行定量、定性數(shù)據(jù)分析，通過結(jié)合該區(qū)域歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)測及氣象預(yù)警可提高大氣監(jiān)測的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域空、天、地內(nèi)大氣環(huán)境的立體化監(jiān)測。圖3為一體化平臺(tái)應(yīng)用模型示意圖。

3.2.3 收集和記錄大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

在對大氣環(huán)境監(jiān)測的過程中，實(shí)時(shí)產(chǎn)生的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)信息數(shù)量巨大，此時(shí)就需要做好日常監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的收集與記錄工作，建立形成監(jiān)測檔案，以備后期調(diào)閱查詢，而運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)⒋髿猸h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)建檔保存工作變得簡單，即便是在龐大數(shù)據(jù)量下，也能夠快速將前后一段時(shí)間的大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，進(jìn)而獲取某特定區(qū)域內(nèi)各個(gè)階段大氣環(huán)境的變化規(guī)律，在減少工作人員工作量的同時(shí)，也提高了數(shù)據(jù)收集建檔的工作效率，確保了大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄的可靠性。

3.2.4 整理和挖掘大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

眾所周知，大氣環(huán)境的變化規(guī)律與所在的地理區(qū)域息息相關(guān)，除了對大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與記錄外，還應(yīng)該利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對巨量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理和挖掘，以分析評估出某特定區(qū)域內(nèi)不同階段的大氣環(huán)境變化規(guī)律。過去，考慮到地理分布對大氣環(huán)境的影響，為了保證大氣環(huán)境預(yù)測準(zhǔn)確，在對大氣環(huán)境進(jìn)行檢測時(shí)，通常要投入大量的監(jiān)測人員，耗費(fèi)了大量精力，將大數(shù)據(jù)解析技術(shù)與大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合后，大大提高了數(shù)據(jù)整理和挖掘的效率，能夠迅速在海量數(shù)據(jù)中預(yù)測出不同地理區(qū)域、不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的大氣環(huán)境變化規(guī)律，并且保證了大氣環(huán)境評估的準(zhǔn)確性。

3.2.5 對大氣環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測

利用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)還能夠?qū)ξ磥淼拇髿猸h(huán)境各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。在大氣環(huán)境監(jiān)測中應(yīng)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)，針對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和挖掘后，系統(tǒng)還會(huì)對得到的結(jié)果信息進(jìn)一步總結(jié)分析，得到外部環(huán)境因素與最終大氣環(huán)境質(zhì)量的關(guān)聯(lián)規(guī)律，然后再根據(jù)現(xiàn)階段的外部環(huán)境因素來預(yù)判未來大氣環(huán)境的走勢。解析系統(tǒng)中集成了大量的氣象公式，這些公式越科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，得到的解析分析結(jié)果越準(zhǔn)確。在建立大數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)時(shí)，如果考慮到的因素越復(fù)雜、越全面，所得結(jié)果自然就越精確。為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，應(yīng)該不斷優(yōu)化對已建立的數(shù)學(xué)模型，修改并完善應(yīng)用程序編碼。在這個(gè)過程中，還需要結(jié)合以往各種生態(tài)、氣象數(shù)據(jù)來反復(fù)檢驗(yàn)搭建的大數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)，確保預(yù)測結(jié)果精確可靠。其主要運(yùn)行模式如圖4所示。

圖3 一體化平臺(tái)應(yīng)用模型

圖4 主要運(yùn)行模式

3.2.6 建立空氣質(zhì)量預(yù)警平臺(tái)

建立空氣質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)時(shí)還需要用到信息發(fā)布平臺(tái)，大數(shù)據(jù)解析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的收集、整理和挖掘并得出有指導(dǎo)性的結(jié)果信息，再通過信息發(fā)布平臺(tái)將結(jié)果發(fā)布出去。在對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的過程中，基于大數(shù)據(jù)解析技術(shù)能夠?qū)δ程囟ㄔ搮^(qū)域的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析，可以將大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與其有效結(jié)合起來，建立大氣環(huán)境預(yù)警發(fā)布平臺(tái)，以加強(qiáng)對異常環(huán)境的控制。為了確保預(yù)警平臺(tái)所發(fā)布的信息具有一定的可靠性，在對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣及處理的過程中，要對其進(jìn)行檢驗(yàn)分析，如果評價(jià)的結(jié)果不符合相關(guān)要求，需要重新進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查、制定實(shí)施方案，重新進(jìn)行采樣、樣品保存及預(yù)處理、定性檢測和定量分析、數(shù)據(jù)處理，直至評價(jià)結(jié)果符合相關(guān)要求才可以進(jìn)行預(yù)警發(fā)布。在各種移動(dòng)終端設(shè)備的網(wǎng)頁或軟件中都可以收到氣象預(yù)警平臺(tái)發(fā)布的大氣環(huán)境預(yù)警信息，極大地方便了人們的活動(dòng)和出行安排。

4 在大氣環(huán)境監(jiān)測中運(yùn)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的要點(diǎn)

由于大數(shù)據(jù)解析技術(shù)能夠有效解決復(fù)雜的非線性、多元問題，因此其在大氣環(huán)境監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。而在大氣環(huán)境監(jiān)測中運(yùn)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)時(shí)，需要注意以下3個(gè)方面要點(diǎn)：1） 由于大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)信息較多，需要運(yùn)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集和整理。2） 在對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的工作中，科學(xué)合理地在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中選取特征量至關(guān)重要，其直接關(guān)系到最后研究結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。3） 對特征量的分析需要借助多種數(shù)據(jù)工具，在對不同的特征量進(jìn)行分析的過程中，恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)工具能夠保證研究結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)語

該文通過對大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)對大氣環(huán)境監(jiān)測的重要性。當(dāng)前大氣環(huán)境污染治理越來越迫切，為了有效監(jiān)測分析大氣環(huán)境，在具體工作中應(yīng)積極主動(dòng)結(jié)合應(yīng)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)，進(jìn)一步借助現(xiàn)代高新科技提升大氣監(jiān)測的質(zhì)量，針對實(shí)時(shí)監(jiān)測過程中存在的大氣監(jiān)測質(zhì)量問題，應(yīng)及時(shí)制定行之有效的防治策略，及時(shí)發(fā)布精確氣象預(yù)警信息，為人們提供優(yōu)質(zhì)氣象服務(wù)。與此同時(shí)，還應(yīng)拓寬大氣環(huán)境監(jiān)測治理的工作思路，以更好地保護(hù)大氣環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。