大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)應(yīng)用研究

于文健

（廣東省清遠(yuǎn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣東 清遠(yuǎn) 511515）

借助現(xiàn)代信息技術(shù)有效監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境，確保環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)。本文介紹了大數(shù)據(jù)技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的意義和原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和具體應(yīng)用。

1 在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用大數(shù)據(jù)解析技術(shù)的意義

在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，工作人員要收集大量的數(shù)據(jù)。在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和分析時(shí)，可以有效地提高數(shù)據(jù)分析的效率和評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，它是環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要組成部分。

2 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中大數(shù)據(jù)解析技術(shù)運(yùn)用的好處

2.1 提高大氣環(huán)境預(yù)警能力

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量數(shù)據(jù)的快速及準(zhǔn)確分析，并能從這些海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值、有效的信息?？蓪?duì)當(dāng)前區(qū)域大氣環(huán)境作出更準(zhǔn)確地判斷和評(píng)價(jià)，為人們提供可靠的大氣環(huán)境信息，以便人們采取相應(yīng)的措施[1]。

2.2 提高科學(xué)決策水平

通過(guò)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，結(jié)果可以直接呈現(xiàn)給用戶，包括研究人員和政府決策人員。建立大數(shù)據(jù)模型還可以模擬環(huán)境治理方案，評(píng)價(jià)環(huán)境治理的可行性，從不同治理方案中選擇環(huán)境效益好、成本效益高的方案，避免因決策失誤而增加環(huán)境工程成本。

2.3 提升服務(wù)水平

在使用大數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，人們可以建立云分析平臺(tái)，為生態(tài)問(wèn)題及時(shí)提供反饋。也可以把大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，直接在網(wǎng)上發(fā)布聚合結(jié)果，實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)結(jié)果[2-3]。

3 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用大數(shù)據(jù)分析的要點(diǎn)

篩選相關(guān)數(shù)據(jù)，選取數(shù)據(jù)特征量，用數(shù)學(xué)分析方法分析數(shù)據(jù)特征量及其相關(guān)關(guān)系。環(huán)境監(jiān)測(cè)涉及大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行收集和處理。除了獲取基本數(shù)據(jù)和特定數(shù)據(jù)類別外，還完成了特征的選擇[4]。

4 大數(shù)據(jù)解析技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中具體運(yùn)用

4.1 實(shí)現(xiàn)可視化操作

利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以分析出各區(qū)域特定的大氣環(huán)境，分析結(jié)果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)送到有關(guān)的氣象平臺(tái)，直觀地顯示當(dāng)前的大氣環(huán)境，讓人們實(shí)時(shí)了解大氣環(huán)境。圖1：大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)分析結(jié)果。通過(guò)采樣系統(tǒng)收集和分析各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，然后把監(jiān)測(cè)分站的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中心站，再通過(guò)中心站計(jì)算機(jī)將結(jié)果發(fā)送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)上，也可以通過(guò)繪圖儀和打印機(jī)打印出來(lái)，以便直接、隨時(shí)監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境質(zhì)量，然后依據(jù)氣象預(yù)警，制定相應(yīng)的防治措施[5-6]。

圖1 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程分析

4.2 挖掘和整理大氣環(huán)境數(shù)據(jù)

環(huán)境監(jiān)測(cè)不僅收集和記錄大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還可基于大數(shù)據(jù)技術(shù)組織和挖掘大量數(shù)據(jù)。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理、檔案保存，加快工作效率的同時(shí)還可以確保數(shù)據(jù)收集和記錄的準(zhǔn)確性[7]。

4.3 對(duì)大氣環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)

相關(guān)人員需要結(jié)合大氣環(huán)境的變化的特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，并進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步整理和挖掘，并對(duì)獲得的結(jié)果信息進(jìn)行匯總和解析，得出外部環(huán)境因素和最終的與大氣環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的規(guī)律。具體如圖2所示。

圖2 主要運(yùn)行方式

4.4 建立空氣質(zhì)量預(yù)警平臺(tái)

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用，不但可以很大程度上改變傳統(tǒng)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法，而且有助于我們更好地了解大氣環(huán)境。若評(píng)估結(jié)果與相關(guān)要求不符合，則在評(píng)估結(jié)果符合相關(guān)要求的情況下，才可以發(fā)出警報(bào)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查、實(shí)施計(jì)劃，再進(jìn)行抽樣、樣本保存、預(yù)處理、定性測(cè)試、定量分析以及數(shù)據(jù)處理[8]。

4.5 空間分類器

SC中包含的特征量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響是一個(gè)多層多節(jié)點(diǎn)的傳遞過(guò)程，傳遞路徑是線性的，傳遞過(guò)程在節(jié)點(diǎn)處的輸出可以是線性的，也可以是非線性的。因此，SC具有靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法本身是模擬復(fù)雜系統(tǒng)和分析大數(shù)據(jù)的非常有用的工具。因此，選擇由輸入生成（Ig）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）組成的SC進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中PM2.5的濃度。

IG的作用是用各類空間特征量構(gòu)建 ANN 的輸入值。從建有大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的網(wǎng)格中隨機(jī)選取兩個(gè)局地坐標(biāo)為l1和l2的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中包含二個(gè)特征量和污染物濃度值，分別用f、f、f、f和c1、c2表示；x代表某一待預(yù)測(cè)的網(wǎng)格，其局地坐標(biāo)用lx表示，x 網(wǎng)格中二個(gè)特征量和待估污染物濃度用f、f和cx表示。由IG構(gòu)成的對(duì)ANN的輸入數(shù)據(jù)生成流程見圖3。

圖3 空間分類器IG數(shù)據(jù)生成流程

ANN是在接受輸入數(shù)據(jù)后，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和傳遞，最終產(chǎn)生對(duì)目標(biāo)值的影響。為理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳遞過(guò)程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)某節(jié)點(diǎn)的傳遞過(guò)程見圖4。圖4表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入輸出關(guān)系。f1x、f2x表示該節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)輸入；f'x表示該節(jié)點(diǎn)的輸出；w1x、w2x表示兩個(gè)輸入權(quán)重；bx表示該節(jié)點(diǎn)輸入輸出的偏移，即神經(jīng)感知偏移;φ表示輸出為非線性輸出的變換函數(shù)。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)輸入輸出流程

5 結(jié)語(yǔ)

大數(shù)據(jù)分析可以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效率，減少監(jiān)測(cè)人員的工作量。