人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

羅 珺

（江西省萍鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

引言

近年來，生態(tài)破壞、環(huán)境污染等負(fù)面問題愈演愈烈，做好環(huán)境治理工作具有高度的必要性與緊迫性。在環(huán)境治理體系中，環(huán)境監(jiān)測(cè)是重要的基礎(chǔ)性、前端性環(huán)節(jié)，若環(huán)境監(jiān)測(cè)不到位，后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)防控、污染處理等舉措均會(huì)受到消極影響。所以，有必要對(duì)人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開分析探討，積極探索有助于提升環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合質(zhì)量的技術(shù)融合路徑。

1 人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的積極作用

1.1 確保環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的優(yōu)質(zhì)性

保證監(jiān)測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠、全面細(xì)致、準(zhǔn)確無誤，既是開展高質(zhì)量環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的必然要求，也是實(shí)施各項(xiàng)環(huán)境治理舉措的依據(jù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)工作模式相比，在應(yīng)用人工智能技術(shù)后，環(huán)境監(jiān)測(cè)所獲數(shù)據(jù)信息的綜合質(zhì)量可得到明顯提升。一方面，在智能化環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，絕大部分監(jiān)測(cè)活動(dòng)都是在程序驅(qū)動(dòng)下由傳感器、監(jiān)控器、探測(cè)器等設(shè)備裝置執(zhí)行的。相較于人工監(jiān)測(cè)而言，相關(guān)設(shè)備裝置的靈敏度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)、感知范圍更大，所采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息也更完整、更精確。另一方面，環(huán)境監(jiān)測(cè)往往會(huì)涉及多種干擾因素，如振動(dòng)干擾、電磁干擾等。對(duì)此，智能化系統(tǒng)在處理監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)，能夠通過濾波運(yùn)算、迭代運(yùn)算等算法程序，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息實(shí)施凈化、優(yōu)化處理。這樣一來，相關(guān)干擾元素、信息雜質(zhì)得以去除，環(huán)境監(jiān)測(cè)效果也隨之得到進(jìn)一步提升。

1.2 實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)行為的動(dòng)態(tài)化

在應(yīng)用人工智能技術(shù)后，環(huán)境監(jiān)測(cè)行為可具備高度的全程化、動(dòng)態(tài)化特點(diǎn)。一方面，在網(wǎng)絡(luò)、電力等供給條件穩(wěn)定充足的前提下，智能環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)及配套設(shè)備均能保持全天候、不間斷的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)的數(shù)據(jù)信息采集。如此一來，既能最大化地消除監(jiān)測(cè)疏漏，也能及時(shí)、準(zhǔn)確地響應(yīng)環(huán)境變化、捕捉異常信息。另一方面，相關(guān)系統(tǒng)、設(shè)備還能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)反饋的動(dòng)態(tài)化。在常規(guī)工況下，傳感器、監(jiān)控器等裝置在獲取環(huán)境信息后，會(huì)基于在線同步、周期性傳輸?shù)葯C(jī)制，與遠(yuǎn)端環(huán)境監(jiān)測(cè)中心或移動(dòng)端工作設(shè)備建立交互反饋。在此背景下，相關(guān)人員無需親臨現(xiàn)場(chǎng)，便可對(duì)被測(cè)區(qū)域、被測(cè)對(duì)象的環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。此外，當(dāng)感知到被測(cè)對(duì)象出現(xiàn)異常（如環(huán)境中某項(xiàng)污染物含量超標(biāo)、環(huán)境中出現(xiàn)人、動(dòng)物等不安全物等）時(shí)，相關(guān)設(shè)備裝置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也能動(dòng)態(tài)化地執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)記錄、風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警、自動(dòng)控制等反饋動(dòng)作，從而達(dá)到控制風(fēng)險(xiǎn)影響程度、提高風(fēng)險(xiǎn)處理效率、明確環(huán)境污染類型等目的。

1.3 促成環(huán)境監(jiān)測(cè)功能的拓展化

人工智能技術(shù)體系相當(dāng)龐大，并衍生有多種技術(shù)系統(tǒng)、技術(shù)工具。因此，科學(xué)合理地將人工智能技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，不僅能推動(dòng)各類基礎(chǔ)性監(jiān)測(cè)功能的優(yōu)化升級(jí)，還能達(dá)到“技術(shù)賦能”的效果，促成新功能、新效益的拓展延伸。例如，在全天候、持續(xù)性的監(jiān)控工作背景下，智能化系統(tǒng)能對(duì)海量環(huán)境信息進(jìn)行歷史趨勢(shì)分析，從而提取出環(huán)境質(zhì)量、污染程度等方面的變化規(guī)律。如此一來，結(jié)合歷史信息、即時(shí)信息與趨勢(shì)規(guī)律，系統(tǒng)便能對(duì)環(huán)境在未來一定時(shí)間內(nèi)的變化情況進(jìn)行估算或模擬，進(jìn)而形成前瞻化的環(huán)境預(yù)測(cè)功能。

2 人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的主要領(lǐng)域

目前，技術(shù)融合已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)改革發(fā)展的主攻方向，各個(gè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域、各類監(jiān)測(cè)工作均形成了旺盛的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用需求。在此背景下，人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用形成了明顯的多領(lǐng)域、多用途特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際情況來看，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括以下幾方面：（1）水環(huán)境監(jiān)測(cè)，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水生態(tài)監(jiān)測(cè)、水污染監(jiān)測(cè)等；（2）土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)，如土壤鹽堿化監(jiān)測(cè)、土壤濕度監(jiān)測(cè)、土壤污染監(jiān)測(cè)、土體沉降監(jiān)測(cè)等；（3）森林環(huán)境監(jiān)測(cè)，如物種多樣性監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、森林污染監(jiān)測(cè)等；（4）城市環(huán)境監(jiān)測(cè)，如國(guó)土資源分布監(jiān)測(cè)、城市空間污染監(jiān)測(cè)等；（5）大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，如空氣溫度監(jiān)測(cè)、空氣濕度監(jiān)測(cè)、一氧化碳監(jiān)測(cè)、甲醛監(jiān)測(cè)等[1]。

3 人工智能技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的具體表現(xiàn)

3.1 智能無線傳感器的應(yīng)用

我國(guó)部分地區(qū)的地理環(huán)境十分復(fù)雜，既存在著滑坡、泥石流、地震等突發(fā)性風(fēng)險(xiǎn)，也難以滿足有線網(wǎng)絡(luò)的全面化部署需求。在此背景下開展環(huán)境監(jiān)測(cè)工作時(shí)，若僅靠人員野外工作來獲取環(huán)境信息、執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)，不僅無法達(dá)到高質(zhì)量、高效率、長(zhǎng)期性的監(jiān)測(cè)要求，還會(huì)形成極大的實(shí)踐難度與安全風(fēng)險(xiǎn)。而在引入人工智能技術(shù)、應(yīng)用智能無線傳感器后，這種問題可以得到充分解決。具體來講，其在不同環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)如下：

第一，智能無線傳感器在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。實(shí)踐時(shí)，相關(guān)人員可將CO濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等多種類型的傳感器布置到待測(cè)環(huán)境中。基于不同傳感機(jī)制與功能特性，各類傳感器能在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)采集空氣中溫濕度、有害物濃度、煙霧量等監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化信息，并依據(jù)預(yù)設(shè)的智能處理程序，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息實(shí)施分類、記錄、存儲(chǔ)、上傳等處理。在此基礎(chǔ)上，傳感器還可內(nèi)置智能化的風(fēng)險(xiǎn)處理模塊與傳輸共享模塊。一方面，在常態(tài)化監(jiān)測(cè)期間，傳感器可通過無線信號(hào)收發(fā)器將采集到的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)信息同步傳輸給氣象、環(huán)保等部門機(jī)構(gòu)。如此一來，相關(guān)機(jī)構(gòu)便能有效掌握大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并據(jù)此開展圍繞空氣質(zhì)量的播報(bào)、評(píng)估等工作。另一方面，傳感器系統(tǒng)中通常設(shè)置有針對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的安全評(píng)估程序。若傳感器采集到的溫度、濕度、有害物濃度等數(shù)據(jù)信息超出相關(guān)安全值或允許限，則表明大氣環(huán)境質(zhì)量已形成劣化現(xiàn)象。此時(shí)，傳感器便能自動(dòng)生成告警信息，并傳輸給環(huán)保機(jī)構(gòu)的監(jiān)測(cè)中心或移動(dòng)終端，以支持相關(guān)大氣環(huán)保措施的規(guī)劃、部署與實(shí)施[2]。

第二，智能無線傳感器在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用?，F(xiàn)階段，常用的土壤監(jiān)測(cè)傳感器包括重金屬檢測(cè)傳感器、沉降監(jiān)測(cè)傳感器、土壤濕度傳感器等。其中，重金屬檢測(cè)傳感器可實(shí)現(xiàn)土壤中重金屬污染物種類、濃度、含量等信息的采集測(cè)定，沉降監(jiān)測(cè)傳感器可對(duì)土體的下沉、傾斜或不均勻沉降情況進(jìn)行精確感知，土壤濕度傳感器則可真實(shí)反饋出土壤的濕度分布結(jié)構(gòu)與含水量變化。將上述傳感器功能運(yùn)用到土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，既能為土壤污染治理、土壤高效利用提供可靠依據(jù)，也能在水土流失、泥石流等災(zāi)害防控時(shí)起到有效的指導(dǎo)作用。

3.2 智能環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

近年來，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛融合，人們不再滿足于單個(gè)智能體的應(yīng)用，而是傾向于將多個(gè)或多種智能體納入同一操作網(wǎng)絡(luò)、工作系統(tǒng)中，進(jìn)而形成聯(lián)動(dòng)化的高質(zhì)量應(yīng)用效果，智能物聯(lián)網(wǎng)由此應(yīng)運(yùn)而生。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，智能物聯(lián)網(wǎng)能夠?yàn)橄嚓P(guān)機(jī)構(gòu)、人員提供多功能、綜合化的技術(shù)支持，有效滿足環(huán)境信息的檢測(cè)采集、分析處理、傳輸顯示等作業(yè)需求。具體實(shí)踐時(shí)，智能環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)包含三個(gè)層次，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。其中，感知層即環(huán)境信息的采集端，該層次的智能體配置需要以實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)需求為導(dǎo)向。例如，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)感知層的智能體應(yīng)涉及溫度監(jiān)測(cè)、濕度監(jiān)測(cè)、煙塵監(jiān)測(cè)、有害氣體監(jiān)測(cè)、大氣壓監(jiān)測(cè)等多種類型。同理，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)感知層的智能體應(yīng)涉及水壓監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)、水動(dòng)力監(jiān)測(cè)、水污染監(jiān)測(cè)等類型；網(wǎng)絡(luò)層以無線通信模塊為基礎(chǔ)，主要用于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部各類智能體的信息交互以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)外的信息共享。為了達(dá)到高速率、高穩(wěn)定性的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息傳輸效果，網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)通常設(shè)置有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以此形成多條網(wǎng)絡(luò)路徑；應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)運(yùn)行信息的最終處理，常見處理機(jī)制主要包括報(bào)告處理、圖像處理、存儲(chǔ)處理、告警處理、指令處理、顯示處理等。在該層次的功能支持下，各類感知層智能體的數(shù)據(jù)信息采集成果可被充分應(yīng)用到報(bào)告編制、圖像繪制、風(fēng)險(xiǎn)告警、交互顯示等實(shí)踐環(huán)節(jié)，從而滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的技術(shù)應(yīng)用需求[3]。

3.3 智能化建模技術(shù)的應(yīng)用

在環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，數(shù)據(jù)處理、圖像繪制是不可或缺的重要工作環(huán)節(jié)。在融合人工智能技術(shù)后，可應(yīng)用智能化建模工具，對(duì)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量、圖像繪制效果進(jìn)行充分優(yōu)化。例如，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，相關(guān)人員可將已采集到的基礎(chǔ)環(huán)境信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入建模平臺(tái)。在智能化建模程序與圖像算法的支持下，便可在計(jì)算機(jī)界面中自動(dòng)生成水環(huán)境仿真模型。由此，相關(guān)人員一方面可通過縮放、位移、切剖等操作，對(duì)三維模型實(shí)施多角度、多形式的觀察分析，從而具象了解水環(huán)境監(jiān)測(cè)信息所反映出的各項(xiàng)內(nèi)容。另一方面，相關(guān)人員也可通過時(shí)序分析的方式，對(duì)特定周期內(nèi)水環(huán)境模型的變化情況進(jìn)行探究，以找出水環(huán)境生態(tài)變化、水質(zhì)變化、污染變化的發(fā)生機(jī)理、形成原因與突出表現(xiàn)。如此一來，便能顯著提升水環(huán)境監(jiān)測(cè)成果的可看性、可用性與價(jià)值性，達(dá)到可觀的技術(shù)賦能效果。除此之外，在掌握現(xiàn)有監(jiān)測(cè)成果的基礎(chǔ)上，相關(guān)人員還可在智能化建模平臺(tái)中使用方案模擬、天氣模擬、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等模塊。通過這樣的方式，能夠?qū)λh(huán)境在不同干預(yù)條件、氣象條件、時(shí)空條件的變化情況下實(shí)現(xiàn)合理預(yù)估，從而為水環(huán)境治理、水生態(tài)保護(hù)等工作提供可靠的依據(jù)。

3.4 智能載具的應(yīng)用

在傳統(tǒng)時(shí)期，環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中使用的載具設(shè)備大多為人工駕駛操控。如此一來，一方面會(huì)增大環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)人力資源的需求，并伴隨有一定的人員安全風(fēng)險(xiǎn)與技術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，為了滿足駕控人員的空間需求，相關(guān)載具設(shè)備在設(shè)計(jì)上也很難實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，進(jìn)而對(duì)其適用場(chǎng)景造成了很大限制。在深度融合人工智能技術(shù)后，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的載具設(shè)備可實(shí)現(xiàn)作業(yè)獨(dú)立化、運(yùn)行自動(dòng)化，其體積、重量也明顯減小。從應(yīng)用效果來看，智能載具既能有效降低人工依賴性與人為風(fēng)險(xiǎn)，也能適應(yīng)更復(fù)雜、更惡劣的監(jiān)測(cè)環(huán)境。具體來講，現(xiàn)階段環(huán)境監(jiān)測(cè)中常用的智能載具設(shè)備包括以下兩種：

第一，智能無人機(jī)。從目前來看，智能無人機(jī)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于水體、森林、巖土、城市等多種環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，并可表現(xiàn)出多元化的技術(shù)用途與功能效果。例如，可將高速攝影機(jī)、航拍照相機(jī)、光學(xué)傳感器等設(shè)備裝置搭載到無人機(jī)上，并在其運(yùn)行系統(tǒng)中預(yù)設(shè)出指定的飛行速度、飛行航線、飛行高度、傾斜角度、信息采集頻率等。在此基礎(chǔ)上，便能將其應(yīng)用到國(guó)土資源測(cè)繪、森林火災(zāi)巡視監(jiān)控、水體物理環(huán)境監(jiān)測(cè)等工作中，實(shí)現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu)信息、森林火災(zāi)隱患信息、水域面積信息、水體形態(tài)信息等數(shù)據(jù)信息的空中監(jiān)測(cè)采集。再如，可將高程傳感器、衛(wèi)星定位器、激光測(cè)距儀等設(shè)備裝置搭載到無人機(jī)上，并預(yù)先規(guī)劃出無人機(jī)智能航行的范圍、路徑及工作節(jié)點(diǎn)。這樣一來，無人機(jī)便可自動(dòng)按照預(yù)設(shè)航行方案執(zhí)行飛行、調(diào)速、停留等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)環(huán)境中各節(jié)點(diǎn)高程、方位等空間信息的精確采集[4]。

第二，智能無人艇。從目前來看，智能無人艇已經(jīng)成為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要載具設(shè)備。將其應(yīng)用到海洋監(jiān)測(cè)中，不僅能代替人工執(zhí)行海上測(cè)繪、污染調(diào)查、深海探測(cè)等高風(fēng)險(xiǎn)工作任務(wù)，還能有效應(yīng)對(duì)風(fēng)、浪、霧、流、礁等多種惡劣的環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。具體實(shí)踐時(shí)，智能無人艇主要有如下應(yīng)用表現(xiàn)：（1）可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、靈活化的航行操控。在無人艇運(yùn)行期間，相關(guān)人員一方面可為其預(yù)設(shè)出智能航行程序，使其基于特定的航向、航線、航速進(jìn)行自動(dòng)航行。另一方面，也可通過遠(yuǎn)程駕駛的方式，在海上控制中心對(duì)無人艇實(shí)施航行操控。無論采用哪種航行形式，無人艇均能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地達(dá)到探測(cè)位置，并執(zhí)行停留、避障、照明、傳感等動(dòng)作，從而滿足海洋監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際需求；（2）可實(shí)現(xiàn)多元化的功能拓展[5]。作為一種載具設(shè)備，無人艇的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能主要源于其搭載的裝置或系統(tǒng)。結(jié)合相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人艇可搭載的功能配置已具有高度多樣性。例如，無人艇可搭載水深探測(cè)器、水壓檢測(cè)器、動(dòng)力傳感器等裝置及系統(tǒng)，從而在水下航行過程中實(shí)現(xiàn)海洋中水體深度、水體壓力、水流動(dòng)力等數(shù)據(jù)信息的有效采集。再如，無人艇可搭載水下攝影機(jī)、水下監(jiān)控器，從而對(duì)海洋內(nèi)部影像畫面進(jìn)行拍攝記錄或同步轉(zhuǎn)播，繼而使相關(guān)人員直觀、真實(shí)地掌握海洋生態(tài)質(zhì)量與海洋污染現(xiàn)狀；（3）可實(shí)現(xiàn)協(xié)同化的集體作業(yè)。在智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的支持下，多臺(tái)無人艇設(shè)備還可開展協(xié)同化、自主化、大范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，如協(xié)同追蹤海洋生物目標(biāo)、協(xié)同探測(cè)海洋內(nèi)部環(huán)境等。一般來講，在多智能體聯(lián)動(dòng)的狀態(tài)下，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)信息、圖像資料的可靠性與可用性均會(huì)處于更高水平[6]。

4 結(jié)論

綜上所述，環(huán)境監(jiān)測(cè)工作是環(huán)境治理體系的核心組成部分，其對(duì)自然生態(tài)、人類社會(huì)具有關(guān)鍵性的保障意義。將人工智能技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中，圍繞傳感檢測(cè)、建模分析、載具升級(jí)等多個(gè)角度實(shí)現(xiàn)技術(shù)賦能，能夠切實(shí)提升環(huán)境監(jiān)測(cè)作業(yè)的質(zhì)量與效率，同時(shí)也能大幅降低環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)踐難度與風(fēng)險(xiǎn)性。