人工智能在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

摘" 要：隨著全球環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，人們迫切需要尋找創(chuàng)新的解決方案來保護(hù)地球。隨著人工智能（Artificial Intelligence，AI）的高速發(fā)展，作為一種強(qiáng)大的技術(shù)手段，憑借其強(qiáng)大的計(jì)算能力及高強(qiáng)度的工作能力，已經(jīng)開始在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域展示出巨大的潛力。該文綜述人工智能在環(huán)境檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析及可持續(xù)發(fā)展等各個(gè)方面中的應(yīng)用，以及人工智能在環(huán)境保護(hù)各個(gè)方面的應(yīng)用中所存在的問題并提出相對(duì)應(yīng)的解決方案，也闡述未來人工智能在環(huán)境保護(hù)中的潛在影響和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：人工智能；環(huán)境保護(hù)；智能監(jiān)測(cè)；可持續(xù)性發(fā)展；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：TP18" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0165-04

Abstract： With the increasingly serious global environmental problems， there is an urgent need to find innovative solutions to protect the earth. With the rapid development of artificial intelligence （AI）， as a powerful technical means， with its strong computing power and high-intensity working ability， it has begun to show great potential in the field of environmental protection. This paper summarizes the application of artificial intelligence in environmental detection， data analysis and sustainable development， as well as the problems existing in the application of artificial intelligence in all aspects of environmental protection， and puts forward the corresponding solutions. Finally， this paper expounds the potential influence and challenge of artificial intelligence in environmental protection in the future.

Keywords： artificial intelligence; environmental protection; intelligent monitoring; sustainable development; data analysis

環(huán)境問題對(duì)于人類和地球的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的不斷發(fā)展，人們將更多的關(guān)注放到了保護(hù)環(huán)境問題上，而傳統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)方法常常面臨著工作效率低下和資源限制嚴(yán)重等問題。如今隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來越多的人開始關(guān)注人工智能領(lǐng)域，人工智能以工作效率高、工作強(qiáng)度大以及工作精度高而聞名[1]。在大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)支持下，人工智能已逐漸融入到了各行各業(yè)中，而人工智能技術(shù)的快速發(fā)展也為環(huán)境保護(hù)帶來了新的機(jī)遇，在環(huán)保設(shè)備制造、環(huán)境監(jiān)測(cè)與分析和環(huán)境治理技術(shù)中都能見到人工智能的影子[2]。

人工智能的高效率和高強(qiáng)度工作正是過去環(huán)境保護(hù)中所缺乏的。人工智能的高精度也為環(huán)境檢測(cè)和環(huán)境評(píng)價(jià)等工作帶來了極大的改善。人工智能依靠其發(fā)達(dá)的傳感器及龐大的數(shù)據(jù)庫，可以幫助人類更好地進(jìn)行精細(xì)和復(fù)雜的工作，結(jié)合機(jī)器的使用還可以幫助人類遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的污染地區(qū)。不僅如此，人工智能可以依據(jù)其優(yōu)秀的計(jì)算能力來預(yù)測(cè)并分析未來的環(huán)境趨勢(shì)，幫助人類對(duì)即將發(fā)生的環(huán)境問題有更好的決策和應(yīng)對(duì)[3]。值得人們重視的是，即使人工智能運(yùn)用廣泛，應(yīng)用前景廣闊，但是仍需要考慮其技術(shù)、政策和成本等方面的問題。人工智能目前主要依靠機(jī)器學(xué)習(xí)來進(jìn)行一系列運(yùn)作和預(yù)測(cè)，但機(jī)器學(xué)習(xí)仍然逃避不了數(shù)據(jù)偏差[3]，這就導(dǎo)致了人工智能在特定的情況下會(huì)出現(xiàn)誤判且造成二次污染[4]，所以我們更需要在技術(shù)范圍內(nèi)合理地運(yùn)用人工智能。

1" 環(huán)境保護(hù)中人工智能的應(yīng)用

在人類社會(huì)開始不斷關(guān)注環(huán)境保護(hù)的背景下，人工智能隨著科技的不斷發(fā)展也日益壯大成熟。如今計(jì)算機(jī)人工智能在深度學(xué)習(xí)算法的幫助下，在近幾年迎來飛速發(fā)展。其中最為主要的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，在過去的幾年中有質(zhì)的飛躍，在人們不斷努力下計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)正朝著智能化、輕量化和低成本發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量，做到遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，讓設(shè)備更加的便捷[5]。目前計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，主要應(yīng)用在垃圾分類領(lǐng)域中[2]。作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，不僅可以高效且精準(zhǔn)地檢測(cè)對(duì)象并且預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，還能分析對(duì)象的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，達(dá)到將其分類到對(duì)應(yīng)區(qū)域中。不僅如此，結(jié)合了人工智能以及大量精細(xì)傳感器的機(jī)器人，可以代替人類去進(jìn)行危險(xiǎn)的實(shí)地工作，大大減少了人們?cè)诟呶廴镜貐^(qū)工作的危險(xiǎn)系數(shù)。目前人們將其與環(huán)境保護(hù)相互融合，充分發(fā)揮其高效精準(zhǔn)的特性，幫助人類在保護(hù)環(huán)境方面更進(jìn)一步，而人工智能在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用主要分為了以下3點(diǎn)。

1.1" 人工智能在環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析方面的應(yīng)用

人工智能在環(huán)境監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析等方面發(fā)揮了重要作用，運(yùn)用傳感器和無人機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，使得我們能夠收集大規(guī)模、高精度的環(huán)境數(shù)據(jù)，為人類提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中包括監(jiān)測(cè)對(duì)象的一切性質(zhì)，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的追蹤或者溯源[6-7]。人工智能的算法能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，分析包括對(duì)其未來行動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)以及對(duì)未來環(huán)境的影響會(huì)造成何種污染，或分析污染物產(chǎn)生的源頭，這可以極大地減少找到污染源的時(shí)間。不斷提供有效的信息，幫助解決環(huán)境保護(hù)問題和進(jìn)行資源管理。以空氣污染監(jiān)測(cè)和治理為例子，將經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與用遙感影像所獲得的地理信息相結(jié)合，可以達(dá)到監(jiān)測(cè)大氣、水和土壤目的[8-10]。目前，美國環(huán)保署利用人工智能技術(shù)開發(fā)了一個(gè)名為“AirNow”的軟件，該軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中的空氣質(zhì)量指數(shù)、PM2.5指數(shù)、濕度和溫度等，向公眾提供有關(guān)空氣質(zhì)量的相關(guān)信息，可以幫助人們更好地了解自己周遭的空氣質(zhì)量，并安排自己的出行計(jì)劃[11]。

1.2" 人工智能在數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用

人工智能在環(huán)境數(shù)據(jù)采集方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。目前人工智能結(jié)合無人機(jī)和衛(wèi)星遙感技術(shù)可以用于收集環(huán)境參數(shù)[12]，如空氣質(zhì)量、水質(zhì)、土壤質(zhì)量等。通過利用各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)收集環(huán)境數(shù)據(jù)，這些傳感器可以通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線連接將所收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或云平臺(tái)，供人工智能系統(tǒng)進(jìn)行分析。人工智能能夠自行對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅提高了采集效率，還減少了人工因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤，幫助我們更好地理解環(huán)境的現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)。人工智能還能從大量的數(shù)據(jù)中提取出關(guān)鍵信息，識(shí)別異常數(shù)據(jù)和噪聲，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理[13]，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。更重要的是人工智能還具備自適應(yīng)能力[14]，能夠根據(jù)不同環(huán)境和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，自動(dòng)選擇最優(yōu)算法和模型進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，提高了數(shù)據(jù)分析的效果和精度。

1.3" 人工智能在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)中的重要課題之一，如何將有限的資源重復(fù)利用并減少廢棄物的產(chǎn)生，成為可持續(xù)發(fā)展中重要的一環(huán)。水資源的浪費(fèi)、生產(chǎn)過程排放出大量的有害廢氣等，都是傳統(tǒng)環(huán)境保護(hù)中面臨的難題。將人工智能應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)中，可以降低對(duì)資源的浪費(fèi)和減少有害污染物的排放。例如，在減少水資源浪費(fèi)方面，國外利用人工智能結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的理念，發(fā)明了自適應(yīng)智能動(dòng)態(tài)水資源規(guī)劃系統(tǒng)（AIDWRP），該系統(tǒng)旨在管理各個(gè)城市地區(qū)的水資源和環(huán)境。它是可持續(xù)數(shù)據(jù)管理發(fā)展的一個(gè)人工智能子集，利用強(qiáng)大的計(jì)算能力和高強(qiáng)度的人工智能工作來預(yù)測(cè)和管理大量的水資源和環(huán)境數(shù)據(jù)[15]。在日常生活中，通過不斷計(jì)算水資源環(huán)境，合理規(guī)劃和有效管理水資源，提出和優(yōu)化未來水資源可持續(xù)利用的解決方案。與傳統(tǒng)的解決方案相比，AIDWRP能夠更準(zhǔn)確、更有效地管理和利用水資源。其利用馬爾可夫決策過程（MDP）來處理一系列復(fù)雜的水資源問題。其可以更準(zhǔn)確地識(shí)別管理中的薄弱環(huán)節(jié)，從而更好地優(yōu)化管理計(jì)劃。MDP還可以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的環(huán)境變化，如水位、氣候變化和水供需的變化[15]。而在國內(nèi)，也有利用人工智能強(qiáng)大的計(jì)算能力，來減少廢氣的排放案例。用新型的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)系統(tǒng)可計(jì)算燃燒爐中煤與氧氣的最佳燃燒比例，利用人工智能的熱傳感器對(duì)爐內(nèi)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，并在最合理的時(shí)機(jī)進(jìn)行氧氣的輸入，嚴(yán)格控制煙囪排放的污染物的濃度和煙氣溫度，這樣不僅能大大提高煤的燃燒效率，還能減少因不完全燃燒而生成的有害氣體[16]。

2" 環(huán)境保護(hù)中人工智能應(yīng)用存在的問題

縱使人工智能在環(huán)境保護(hù)的運(yùn)用中有很大的優(yōu)勢(shì)，但其自身仍存在一些缺點(diǎn)，不僅僅是技術(shù)層面的不夠完善，更重要的是人工智能自身的缺陷，以下將從環(huán)境監(jiān)測(cè)和分析以及數(shù)據(jù)采集2個(gè)方面對(duì)人工智能在環(huán)境保護(hù)中運(yùn)用的缺點(diǎn)進(jìn)行說明。

2.1" 監(jiān)測(cè)和分析方面

首先，是關(guān)于人工智能的設(shè)備靈敏度的問題。目前一些低成本的機(jī)器會(huì)出現(xiàn)靈敏度低下的狀況，導(dǎo)致面對(duì)出現(xiàn)突發(fā)環(huán)境問題以及一些細(xì)小的環(huán)境變化時(shí)，出現(xiàn)無法及時(shí)反饋或者誤判環(huán)境狀況的情況，這導(dǎo)致了人工智能設(shè)備無法做到大范圍普及。

2.2" 數(shù)據(jù)采集方面

數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低往往影響著我們對(duì)一個(gè)地區(qū)最基本的判斷，但是當(dāng)設(shè)備需要進(jìn)行長時(shí)間工作并且沒有得到及時(shí)的清潔或維修時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備受到一定程度的污染或者損壞，而當(dāng)設(shè)備受到一定程度的污染后，可能會(huì)影響最終采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，從而導(dǎo)致最終的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)確和偏差增加的情況，并且這會(huì)誤導(dǎo)人工智能對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析。

2.3" 數(shù)據(jù)偏差方面

人工智能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差的情況，機(jī)器跟人類不同，機(jī)器主要依據(jù)大數(shù)據(jù)分析來進(jìn)行對(duì)應(yīng)的操作，做到對(duì)應(yīng)情況，對(duì)應(yīng)分析，這導(dǎo)致了機(jī)器人可以迅速地做出相對(duì)應(yīng)的決策以及相關(guān)措施，而跟人類不同，他們雖然擁有龐大的數(shù)據(jù)庫，但仍然無法阻止其“偏科”。在冗雜的數(shù)據(jù)中，總有那么些“調(diào)皮的學(xué)生”令機(jī)器印象深刻，它們的重復(fù)出現(xiàn)以及更大的權(quán)重占比，從而導(dǎo)致機(jī)器結(jié)果出現(xiàn)判斷偏斜和分析錯(cuò)誤[3]。當(dāng)算法本身存在偏見，那么無論數(shù)據(jù)多么準(zhǔn)確，最終的結(jié)果都可能對(duì)某些群體產(chǎn)生不公平的結(jié)果[16]。就像污染企業(yè)普遍集中在某個(gè)地區(qū)，那么該地區(qū)的居民會(huì)相較別的地區(qū)的居民承受更大的環(huán)境污染壓力。

2.4" 人工智能自身和數(shù)據(jù)安全性方面

人工智能目前的算力和系統(tǒng)仍無法代替人類專家，盡管其能夠快速精準(zhǔn)地捕捉數(shù)據(jù)并分析，但缺乏人類專家的經(jīng)驗(yàn)和直覺，無法對(duì)一些復(fù)雜和疊加的環(huán)境狀況進(jìn)行一個(gè)準(zhǔn)確的判斷，而人類專家則更加擅長識(shí)別和理解一些環(huán)境的變化和更替。還有一點(diǎn)不可忽略的是，人工智能的分析必然依賴一個(gè)十分龐大的數(shù)據(jù)庫，那些數(shù)據(jù)的隱私以及安全性的問題必須得到重視，在收集和分析數(shù)據(jù)時(shí)，必須提防黑客的入侵和破壞，如果這些數(shù)據(jù)被不法分子濫用或用來散播不良言論，將會(huì)造成重大的社會(huì)問題[3]。而目前人工智能仍然十分依賴人類的技術(shù)發(fā)展和人為的設(shè)備維護(hù)，某些設(shè)備在一系列環(huán)境影響下可能需要定期維護(hù)和校準(zhǔn)，而在一些高污染地區(qū)則需要額外的技術(shù)支持，設(shè)備才能正常地應(yīng)對(duì)工作任務(wù)，目前人工智能仍然無法做到系統(tǒng)的自我完善、算力的自我升級(jí)和設(shè)備的自我修理，這是目前人工智能所面臨的難題。

3" 對(duì)應(yīng)的解決措施

目前結(jié)合人類已有技術(shù)能解決人工智能算法偏見和數(shù)據(jù)質(zhì)量的部分問題，主要方法有以下幾種。

優(yōu)化算法設(shè)計(jì)：為了減少算法偏見，需要采用更加公正、透明和包容的算法設(shè)計(jì)方法。例如，可以使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或可解釋的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，以避免算法本身存在的偏見。此外，還可以引入公平性約束，確保算法在處理不同群體的數(shù)據(jù)時(shí)具有公平性。

增加多樣性和包容性數(shù)據(jù)集：數(shù)據(jù)集的多樣性和包容性可以有效減少算法偏見。為此，需要收集包含各種類型、來源和維度的數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。例如，可以引入多學(xué)科領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，或者使用眾包和協(xié)作方式來收集數(shù)據(jù)，以增加數(shù)據(jù)集的多樣性和包容性。建立透明和可解釋的模型，為了增加人工智能在環(huán)保中的可信度和透明度，需要建立透明和可解釋的模型。這樣可以幫助利益相關(guān)者和公眾更好地理解模型背后的邏輯和決策依據(jù)，進(jìn)而提高對(duì)人工智能應(yīng)用的信任度和接受度。

校準(zhǔn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)：為了解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證?？梢酝ㄟ^建立嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。例如，可以讓人工智能對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我評(píng)估，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和完善，通過訓(xùn)練模型和優(yōu)化算法，讓人工智能具備自動(dòng)檢測(cè)并修復(fù)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，這樣能大大提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

引入監(jiān)督機(jī)制：為了減少算法偏見和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，可以建立一個(gè)包含專家和非專家的監(jiān)督委員會(huì)，對(duì)人工智能進(jìn)行定期的監(jiān)督和審查。此外，還可以利用自舉聚類、檢測(cè)自身數(shù)據(jù)異常值等技術(shù)，以發(fā)現(xiàn)和修正檢測(cè)數(shù)據(jù)中的異常值和干擾相。

選擇合理的、具有針對(duì)性設(shè)備：對(duì)于不同的環(huán)境狀況使用不同的設(shè)備進(jìn)行工作，例如針對(duì)需要長時(shí)間工作的機(jī)器可以選擇太陽能或者風(fēng)力發(fā)電，針對(duì)地區(qū)污染物濃度的不同，對(duì)設(shè)備靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣不僅能更好地對(duì)目標(biāo)污染物進(jìn)行檢測(cè)和分析，還能減少不必要的計(jì)算及工作量。

加強(qiáng)公眾參與和教育：加強(qiáng)公眾參與和教育可以提高人工智能應(yīng)用的透明度和可解釋性。例如，可以組織公開討論會(huì)、論壇或講座等活動(dòng)，讓公眾更加了解人工智能的應(yīng)用及其潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，還可以開展教育培訓(xùn)活動(dòng)，提高公眾對(duì)人工智能技術(shù)的認(rèn)知和理解，以促進(jìn)更加公正、透明和有效的環(huán)境保護(hù)工作。

加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：算力、算法和數(shù)據(jù)是人工智能的三大基礎(chǔ)要素，將5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)完善，以科技、教科和創(chuàng)新為基礎(chǔ)，加強(qiáng)對(duì)青少年的科技創(chuàng)新教育，加速數(shù)字轉(zhuǎn)型和技術(shù)創(chuàng)新，為人工智能應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，解決人工智能的算法偏見和數(shù)據(jù)質(zhì)量問題需要持之以恒，做好基礎(chǔ)工作。通過不斷優(yōu)化算法設(shè)計(jì)、增加數(shù)據(jù)的多樣性和建設(shè)包容性數(shù)據(jù)集，建立透明和可解釋的模型，不斷校準(zhǔn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確性，引入監(jiān)督機(jī)制，可以有效地減少算法偏見和提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，加強(qiáng)公眾參與和落實(shí)青少年科技創(chuàng)新教育，以達(dá)到進(jìn)一步推動(dòng)人工智能在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用和發(fā)展。

4" 結(jié)束語

本文主要闡述了人工智能在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用和目前所面臨的問題，也提出了相關(guān)的解決方案，并就未來人工智能在環(huán)境領(lǐng)域發(fā)展的可能性做出了分析。重點(diǎn)說明了人工智能在環(huán)境檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析中的作用，并舉例說明了以人工智能為基礎(chǔ)所推出的大氣監(jiān)控軟件，以及人工智能與遙感影像結(jié)合，對(duì)土壤和水資源的檢測(cè)和分析預(yù)測(cè)，還有目前國家相關(guān)政策和方案的支持。后面也提出了目前人工智能仍然存在及需要注意的問題，如數(shù)據(jù)偏差、數(shù)據(jù)污染和數(shù)據(jù)安全性等問題，隨后本文也提出了相對(duì)應(yīng)的解決方案。相信人工智能會(huì)成為幫助人類發(fā)展的一大有利工具，人類的技術(shù)和人工智能相輔相成，共同進(jìn)步，未來環(huán)境也會(huì)隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展而變得越來越好。

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