生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路分析

朱佳 李一川 寇曉嬌

摘要：在城市建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺體系總體架構(gòu)下，通過完善監(jiān)測指標及增加監(jiān)測站點的手段，加強生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等網(wǎng)格化環(huán)境質(zhì)量信息進行全面、連續(xù)、有效記錄，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，有效應(yīng)對生態(tài)風險預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導。

關(guān)鍵詞：生態(tài)大數(shù)據(jù) ?環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò) ?軟硬件平臺 ?數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

中圖分類號：X83 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）09（c）-0000-00

Analysis on the Construction of Ecological Big Data Environmental Monitoring Network

ZHU Jia1 ?LI ?Yichuan2 ?KOU Xiaojiao3*

（1.Shenzhen Polytechnic，Shenzhen，Guangdong Province，518055 China; 2.Guilin Teachers College，Guilin，Guangxi ZhuangAutonomousRegion， 541001 China; 3.Shenzhen Chengxinhe Technology Co.， Ltd.，Shenzhen，Guangdong Province，518034 China）

Abstract： Under the overall framework of urban construction ecological big data sharing service platform system， strengthen the construction of ecological infrastructure by improving monitoring indicators and increasing monitoring stations， comprehensively， continuously and effectively record grid environmental quality information such as atmospheric environment， water environment and acoustic environment， and build a stable ecological big data environmental monitoring network， Effectively respond to ecological risk early warning， prevention and emergency， provide data support for ecological environment improvement， and provide theoretical guidance for ecological civilization construction.

Key Words： Ecological big data; Environmental monitoring network; Software and hardware platform; Data service platform

1建設(shè)背景

十二五期間生態(tài)環(huán)境趨勢明顯好轉(zhuǎn)，生態(tài)文明城市建設(shè)取得重大進展。如何向公眾宣傳城市優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境，具體、科學的反映出生態(tài)質(zhì)量水平，打造“長壽”“宜居”的城市標簽，尚需通過大數(shù)據(jù)手段對城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平做出定量評價和分析，加強生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建穩(wěn)定的區(qū)域生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建城市生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，對城市環(huán)境進行網(wǎng)格化監(jiān)管，有效應(yīng)對生態(tài)風險預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導[1]。

2總體建設(shè)目標

2.1建設(shè)目標

在城市現(xiàn)有建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺總體架構(gòu)下，通過完善監(jiān)測指標，增加監(jiān)測站點的手段，對大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等網(wǎng)格化環(huán)境質(zhì)量信息進行全面、連續(xù)、有效記錄，構(gòu)建生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，作為生態(tài)環(huán)境改善的數(shù)據(jù)支撐[2]。

2.2建設(shè)原則

城市生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須遵守以下原則：

（1）不影響現(xiàn)有或其他相關(guān)信息系統(tǒng)的使用和信息安全;

（2）技術(shù)成熟、可靠，在節(jié)約成本投入的前提下確保平臺建設(shè)質(zhì)量;

（3）建立一個堅實的系統(tǒng)應(yīng)用平臺，便于系統(tǒng)的管理和維護，技術(shù)易于更新，網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)規(guī)?？芍鸩綌U展;

（4） 統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施。

3建設(shè)思路

3.1總體框架

城市生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)包括多源信息感知層、信息傳輸層、應(yīng)用支撐平臺以及應(yīng)用服務(wù)共享平臺等層次[3]，具體參見圖1。

在遵循生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺總體框架的基礎(chǔ)上，重點建設(shè) “三大監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、一大平臺”的生態(tài)監(jiān)管大數(shù)據(jù)共享服務(wù)信息化平臺。

3.1.1 ?三大監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

即大氣環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、水環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和聲環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為管理者和決策者提供可靠、及時、全面的生態(tài)信息，從而為生態(tài)管理科學決策奠定堅實基礎(chǔ)。

3.1.2 ?一大平臺

針對空氣、水、噪聲等要素，基于環(huán)境空間信息和底層數(shù)據(jù)支撐，最終為客戶提供環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)共享、綜合分析和可視化展示。將涵蓋所有環(huán)境監(jiān)測信息進行環(huán)境“一張圖”專題展示。

3.2監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

3.2.1大氣環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

采用“網(wǎng)格化布點+多元數(shù)據(jù)融合+時空數(shù)據(jù)分析”的模式，以各社區(qū)或村莊為網(wǎng)格單元，每個網(wǎng)格各布設(shè)一個現(xiàn)場監(jiān)測點，采用分布式的大氣污染物傳感器監(jiān)測設(shè)備，用以獲取實時、全面、高密度的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的篩查、校準、統(tǒng)計分析和動態(tài)圖繪制，實現(xiàn)大氣污染物濃度的時空動態(tài)變化趨勢分析，追溯污染物擴散趨勢，為環(huán)境執(zhí)法和決策提供直接依據(jù)[4]。

（1）布點基本原則。①布點高度要求：設(shè)備一般部署在距2離地面高度2～25m之間;②布點地區(qū)應(yīng)選擇要盡量空曠，不要在不宜采樣的角落里或者污染物排污口布點;③補點地區(qū)要有穩(wěn)定的電源供應(yīng)，供電要接地，安裝時需要提供帶有接地的三線制220V電源，防止雷雨天遭雷擊。

（2）前端監(jiān)測設(shè)備。分布式空氣質(zhì)量監(jiān)測儀具有無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回局大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)進行處理分析，數(shù)據(jù)誤差控制在10%以內(nèi)。設(shè)備成本低，體積小，安裝方便，耗電量小，無需大型機箱，無需復雜的基礎(chǔ)設(shè)施配套。后期運維無需昂貴的耗材，不用投入大量人員精力。

監(jiān)測指標及監(jiān)測方法詳見表1。

（3）云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。針對分布式監(jiān)測站點數(shù)據(jù)特點和分析需求，開發(fā)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回局系統(tǒng)平臺的云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理分析。該系統(tǒng)每1小時形成一張污染物動態(tài)分布圖，環(huán)保局通過登錄系統(tǒng)，能查看全部監(jiān)測點位在地圖的顯示、每個點位的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運轉(zhuǎn)是否正常;能查看實時數(shù)據(jù)分析圖表，包括1小時變化曲線，1天的變化曲線等;根據(jù)全區(qū)大氣污染物的分布，生成動態(tài)熱成像圖，體現(xiàn)全區(qū)大氣污染物濃度的空間分布狀況及實時動態(tài)變化，有效支持環(huán)境管理決策，也為環(huán)境應(yīng)急提供快速可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2水環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

建設(shè)浮標式水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，配備水質(zhì)五參數(shù)等多種類型傳感器并預(yù)留多種參數(shù)監(jiān)測通道、無線傳輸裝置和供電系統(tǒng);可用于湖泊、河流、水庫的生態(tài)環(huán)境的長期監(jiān)測。該系統(tǒng)由浮標體及錨泊系統(tǒng)、水質(zhì)傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)四大部分組成，能夠?qū)崟r準確地提供各種信息，滿足實時監(jiān)控的要求。

系統(tǒng)特點：（1）設(shè)備集成度高，實現(xiàn)多個環(huán)境因子原位實時監(jiān)測，涉及水文、水質(zhì)、氣象、生物等重要參數(shù)。并且浮標建站成本低，管理成本低，組站靈活、快速。（2）野外工作能力強，采用太陽能電池板為數(shù)據(jù)記錄儀、GSM調(diào)制解調(diào)器和水質(zhì)傳感器供電。系統(tǒng)通過無線的GSM通路，可以數(shù)據(jù)下載和參數(shù)設(shè)置。（3）適用于近海、湖泊、水庫等區(qū)域水質(zhì)長期監(jiān)測、有害藻華監(jiān)測、污染源監(jiān)測、水源地監(jiān)測等。

3.2.3聲環(huán)境綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

（1）布點原則：設(shè)置聲環(huán)境自動監(jiān)測點位用于考核其聲環(huán)境質(zhì)量達標率，按照聲環(huán)境功能區(qū)劃確定監(jiān)測點位數(shù)量，建議每個村莊的每類功能區(qū)均設(shè)監(jiān)測點，站點建設(shè)可分步進行，首先實現(xiàn)一類區(qū)監(jiān)測，逐步實現(xiàn)全部監(jiān)測。

（2）聲環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)包括：噪聲監(jiān)測終端及數(shù)據(jù)傳輸（無線）、監(jiān)控中心平臺應(yīng)用軟件等部分組成，負責噪聲采集、保存，并將噪聲實時上傳到共享服務(wù)平臺?？梢猿瑯虽浺簦⒆詣由蟼麂浺粑募?，可以接受專用服務(wù)器的控制指令。

（3）噪聲監(jiān)測終端：負責噪聲采集、保存，并將噪聲實時上傳到共享服務(wù)平臺。可以超標錄音，并自動上傳錄音文件?？梢越邮軐Ｓ梅?wù)器的控制指令。監(jiān)測終端建議采用獲得計量器具型式批準證書的產(chǎn)品，從而具有測量執(zhí)法的條件。

（4）噪聲監(jiān)測終端主要特點：采用數(shù)字信號處理技術(shù);系統(tǒng)自動或遠程校準;存儲容量大;具有后備電源，停電時仍然可以保證系統(tǒng)的正常運行。

（5）外傳聲器單元：戶外傳聲器單元的主要作用是將監(jiān)測點的噪聲信號變成電信號，以便聲級計進行處理。戶外傳聲器單元應(yīng)具有防風、防雨、防鳥停功能，工作溫度范圍寬。加熱驅(qū)潮功能使它可以工作在較潮濕的環(huán)境下。使用靜電激發(fā)器進行自動校準，可以從容物柜上取下，直接裝在聲級計上以方便送檢、方便修理。用戶還可以用聲級校準器進行校準，以確定系統(tǒng)及靜電激發(fā)器的準確性。

（6）集控制單元部分：主要是完成數(shù)據(jù)采集，傳輸通訊，同時將傳聲器送來的電信號進行靈敏度歸一化。放置在戶外防水箱里面。

3.3公共服務(wù)平臺建設(shè)

3.3.1基礎(chǔ)軟硬件平臺

基礎(chǔ)軟硬件平臺是為公共數(shù)據(jù)服務(wù)平臺提供基礎(chǔ)支撐服務(wù)，為上層平臺的應(yīng)用提供分布式的、高度可移植的數(shù)據(jù)交換及應(yīng)用支撐，為應(yīng)用系統(tǒng)提供安全、事務(wù)、并發(fā)、通訊等基礎(chǔ)服務(wù)能力，并提供標準的接口與調(diào)用機制，供構(gòu)建在其上的應(yīng)用程序調(diào)用，通過組件化方法實現(xiàn)軟件重用，并為整個系統(tǒng)提供用戶、權(quán)限管理的環(huán)保業(yè)務(wù)協(xié)同管理平臺;為整個系統(tǒng)提供地理信息服務(wù)的應(yīng)急地理信息系統(tǒng);為環(huán)境應(yīng)急提供模型分析的環(huán)境模型分析系統(tǒng)等。

應(yīng)用平臺架構(gòu)見下圖2。

3.3.2數(shù)據(jù)服務(wù)平臺

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用各種先進的感知手段，對空氣、水、噪音等進行全面、透徹的感知，將感知到的信息高速傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層進行處理，分析得出的結(jié)論和規(guī)律提供給各監(jiān)管系統(tǒng)，以便于科學決策[5]。

（1）網(wǎng)格化+趨勢分析。通過采用監(jiān)測設(shè)備，大量布設(shè)網(wǎng)格化監(jiān)測點位（比如每平方公里、每個小區(qū)、設(shè)置一個或幾個監(jiān)測點），進行大范圍高頻率的大氣環(huán)境、水環(huán)境和聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測點部署密度越高，數(shù)據(jù)分析的準確度也將越高?；谶@些點位的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過篩查、校準、統(tǒng)計分析，從不同時空維度和尺度對全區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量進行全方位時空動態(tài)監(jiān)測和分析對比。運用基于GIS的后臺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，生成動態(tài)趨勢圖，從而分析全區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量時空變化狀況。

（2）污染溯源，指導環(huán)保監(jiān)管和環(huán)境執(zhí)法工作。通過部署網(wǎng)格化的監(jiān)測系統(tǒng)[6]，獲取區(qū)域高密度（每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)/街道/小區(qū)一個或多個站點）高頻度（每分鐘采集一次）的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合基于GIS的后臺數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和動態(tài)圖繪制，根據(jù)數(shù)據(jù)可得性，還可疊加上鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊級行政區(qū)劃、土地利用圖及道路、企業(yè)分布等空間圖，結(jié)合環(huán)境質(zhì)量變化的時空動態(tài)趨勢，可判斷污染來源，時空上追溯和展示污染物擴散趨勢，對企業(yè)排污起到最大程度的監(jiān)管作用，從而為環(huán)境執(zhí)法和決策提供直接可靠的依據(jù)。

（3）環(huán)境預(yù)警和應(yīng)急?；诒O(jiān)測數(shù)據(jù)的突然變化，可識別一些大氣環(huán)境事故、火災(zāi)等突發(fā)事件，并第一時間作出預(yù)警，提醒相關(guān)部門第一時間響應(yīng)，從而降低災(zāi)害影響。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測并實時監(jiān)控污染擴散的范圍和方向，為環(huán)境應(yīng)急工作的開展提供技術(shù)支撐。

（4）數(shù)據(jù)挖掘和決策支撐?；诟哳l度高密度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同區(qū)域、不同用地類型、不同時間段的環(huán)境質(zhì)量狀況的統(tǒng)計分析和對比分析，找出變化規(guī)律，找到污染最嚴重的區(qū)域和時間段，從而為環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。結(jié)合氣象、國土等部門的相關(guān)數(shù)據(jù)，可進行更深入的數(shù)據(jù)挖掘，為環(huán)保監(jiān)管和治理、乃至區(qū)域發(fā)展規(guī)劃等提供決策依據(jù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺功能應(yīng)涵蓋環(huán)保監(jiān)測的常用工作業(yè)務(wù)流程，能夠?qū)⒆詣訑?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)有效性分析、監(jiān)測控制、有效數(shù)據(jù)入庫、日常維護、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)報表、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)上報、統(tǒng)計分析、短信報警等功能有機的溶合到一個軟件中。實現(xiàn)實時監(jiān)測、報警、數(shù)據(jù)查詢分析及定制報表等功能。

4 結(jié)語

在城市建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺體系總體架構(gòu)下，通過大監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、一大平臺的建設(shè)，對大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等環(huán)境質(zhì)量信息進行全面、連續(xù)、有效的記錄，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，將有效應(yīng)對生態(tài)風險預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導。

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