论信息技术在环境保护中的应用

（长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004）

环境问题是人类在经济发展中面临的亟待解决的重大问题，近年来引起了社会的高度关注，人类也越来越认识到了环境保护的重要性。当前，随着科学技术的高速发展，信息技术已经深入到社会的各行各业，并起到了积极的作用。大力推进信息技术在环境保护中的应用是环保事业的一项任务，我国环境信息化工作起步于20世纪80年代，到目前为此，也取得了一定成绩，比如已经建立了各级环境信息机构，信息机构得到了完善；建立了全国各级环保局的广域网系统，信息网络基础设施基本上得到了一定的保障；开发了“污染源监控、环境质量监控”等一系列业务应用系统，业务应用上基本上覆盖了环境保护工作的各个环节；同时还制定并颁布了一系列规划指导文件例如“十五、十一五国家环境信息化建设规划”，“金环工程”、“数字环保”的提出使得环境信息化发展在总体规划上有了方向。在“大数据”时代到来的今天，充分利用信息化技术手段，并将其深入应用到环境保护的研究与应用当中去，是今后一段时间环境信息化发展的必然趋势，信息技术与环境保护必然会得到深入融合。

1 环境保护相关信息技术

1.1 物联网技术

美国麻省理工学院于1999年率先提出“万物皆可通过网络互联”并阐明了物联网的基本含义[1]，温家宝总理于2009年提出建设“感知中国”中心，并于2009年11月在无锡市成立了中国物联网研发中心。国际电信联盟给物联网的定义是通过二维码识读设备、射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的架构可以分为三层，即感知层、网络层、应用层，感知层主要实现对“物”的识别，网络层主要实现对感知层获取的信息的传输，应用层主要是与相关行业应用的融合。

物联网技术应用在环境保护中可以追溯到1997年的环境保护部的环境监理信息系统[2]，通过在重点排污单位安装自动监测传感设备例如酸碱度测定仪等环境传感器设备，并且将这些传感设备采集到的数据通过GPRS、无线传感网、卫星等网络自动传送到监控中心，再由各级监控中心通过环保专用广域网组成国家、省、市三级监控中心，目前已经对超过12665家企业实施了自动监控，对环境监测与防范的效果是不言而喻的。2013年无锡市建成“感知环境智慧环保”环境监控中心，并应用了国际最前沿物联网技术，能实现声、水、气各项指标24小时全方位监测，并可通过智能信息发布系统实现多源信息的实时发布。总体来说，物联网技术在环境保护中的应用研究仍处于起步阶段，还面临着诸多亟待解决的问题，感应端和应用端研究环节较为薄弱，技术标准还须跟上国际步伐。

1.2 3S技术

3S技术是地理信息系统（Geography information systems，GIS）、遥感技术（Remote sensing，RS）和全球定位系统（Global positioning systems，GPS）的总称。其中，GIS可以对空间信息进行分析和处理，能把地图视觉效果和地理分析功能与一般数据库操作集成在一起，从而能够很好的管理和分析各种环境空间地理信息；RS是通过遥感器等仪器，在远离目标物体条件下探测并获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，同时进行提取、处理、分析与应用的一门技术；GPS导航系统则是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。三种技术在应用上拥有各自的优势和特点，将RS、GPS和GIS技术结合起来可实现对各种空间和环境信息进行准确、快速、灵活的处理、收集和更新[3]。

环境保护是3S技术应用的重要领域，通过RS技术可监测大气中主要污染物及颗粒大小和分布区域，还可以对水体污染以及城市生态环境污染等进行数据收集并采样，结合GPS即可获取带有坐标的详细的定位数据信息，从而可实现对环境信息的精确采集，再利用GIS强大的空间数据信息的处理和综合分析能力，将获取到的带有定位信息的环境实况信息进行分析，实现对环境保护中环境数据的实时监测、区域环境质量的评价、环境预警以及为环境保护提供决策性支持[4]。在国外，例如美国、德国等已经在上世纪90年代建立了以3S技术为基础的环境监测系统。瑞典隆德大学的Jonas Ard于1997年利用3S技术对受到严重污染的Krusne Hory山区进行了研究，分析了森林的破坏与海拔、坡向及与点污染源距离的关系，为环境监测提供了依据[3]。我国在九五期间已将3S技术列入了国家重大项目，同时也取得了一定的成绩。在由中科宇图天下科技公司研发的放射源监控管理系统中，已经将“3S”技术和射频标签技术应用于放射源监控领域，并成功应用到了焦作市、张家口市、济源市的放射源监控中，且取得良好的效果。

1.3 数据挖掘与数据仓库技术

数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程[5]。数据仓库概念由创始人WilliamInmon 博士提出[6]，他认为：“一个数据仓库通常是一个面向主题的、集成的、随时间变化的、但信息本身相对稳定的数据集合，它用于对管理决策过程的支持。”数据挖掘通常由三部分组成，即数据准备、数据挖掘、结果表达和解释。数据准备阶段就是从相关的数据源中选取所需的数据并整合成可用于数据挖掘的数据集，即数据仓库；数据挖掘阶段就是用某种算法将数据仓库中隐含的规律找出来；结果表达阶段就是尽可能以用户可理解的方式（如可视化）将找出的规律表示出来。

随着3S技术在环境保护中的不断应用，将会积累大量的丰富的环境空间信息数据，这些数据信息会随着时间的变化而变得越来越重要，而不是简单的历史数据，将这些数据进行分析前的相关处理形成数据仓库，再利用数据挖掘技术比如通过聚类分析建立预测模型；利用机器学习方式可以对环境污染指数进行预测；通过相关与决策树分析等可以对污染因子进行比较从而可以为确定污染源提供决策。相关实际应用例如：蒋志方利用资源分配神经网络和隐结点相关性剪枝方法，建立了一个空气质量预测模型[7]；同时在国内外的许多空气质量监测系统中也利用了基于机器学习和关联规则的时空数据挖掘技术实现对污染指数和空间污染物分布情况进行预测[8]。

2 对信息化技术在环境保护中应用的建议

环境信息化的发展是一个系统的发展过程，只有在政策、体制、人才、技术等因素的相互配合下，才能推进环境信息化有序、健康的发展，近些年，我国在探索环境信息化发展的道路上，所做的努力和取得的成绩是有目共睹的，但也仍将有许多问题需要面对，笔者针对发现的问题提出了以下几方面建议：

2.1 探索校企合作，加强环境信息人才培养，促进环境信息技术产业化，为自主创新提供源动力

环境信息化是信息技术与环境领域的深入融合，发展离不开创新，创新需要有人才，环境信息化的发展需要有既懂信息技术又懂环境专业的跨学科人才队伍，这样才能更好的促进信息技术在环境保护中的应用。笔者通过网络对当前高校内专业及研究所情况进行的调查发现，本科院校暂未设置环境信息技术相关专业，专科类院校仅有中国环境干部学院、长沙环境保护学院开设了环境信息技术专业。目前建立了环境信息技术相关研究所的机构有：西北工业大学资源与环境信息化工程研究所、大连海事大学环境信息研究所、青岛科技大学生态与农业信息化研究所、嘉应学院资源环境信息系统研究所、安徽农业大学资源环境与信息技术研究所。人才队伍的培养很大程度上是依靠各高等院校开设相应的专业。因此，可以考虑在相关专本科学校开设环境信息化技术相关专业或者是在环境类专业开设相关信息技术与环境保护结合的相关课程，以提高同学们对环境信息化的研究积极性，同时还可以在相关院校或环保企业成立环境信息技术研究所，使环境信息人才的培养得到保障，自主创新能力才有突破。同时，从事环境信息技术相关的环保企业具有前沿技术优势，可以加强高校及研究所与企业的合作，走产学研结合的道路，形成环境信息技术产业链，真正实现环境信息技术健康可持续发展。

2.2 提高 3S技术一体化、集成化程度，保证数据获取精确、实时、稳定，优化并挖掘环境空间信息数据库

3S技术在环境保护中的应用具有广阔空间和发展前景，特别是在环境监测方面具有其它技术无可比拟的技术优势，它可以使人们连续不断的获取地球表层和环境相关的空间信息流。

（1）加强对环境遥感设备的改进和关键技术如成像雷达、成像光谱仪等的突破，提高其数据采集的精度和稳定性，并能适应不同环境条件下对不同环境监测要求的数据采集，研发配套软件，提高自主创新能力。

（2）研究并充分利用现有数据通信网络高速度、高带宽的特点，确保数据采集信息有效、快速、稳定的传输。提高3S技术一体化程度，实现多维信息获取与实时处理，并能建成新型的地面三维信息和地理编码影像，实现实时获取与处理，形成快速、高精度的信息处理流程。

（3）加大数据挖掘技术在环境保护中的应用，规范完善数据标准，建立环境空间信息数据仓库。加强统计分类、神经网络、模糊技术和专家系统等数据挖掘技术在遥感数据信息处理中的应用。

2.3 努力应用新技术，推进“数字环保”向“智慧环保”的转变

物联网技术来势迅猛，应用广，发展快，但由于其技术标准尚未统一，相关配套措施尚未完善，目前还仍处于初级阶段。因此，如何抓住机遇，积极推进物联网应用于环境保护，促进“数字环保”向“智慧环保”的转变是环境信息化发展的必经之路。“智慧环保”[9]就是在原有数字环保的基础上，借助物联网技术，把感应器和装备嵌入到各种环境监控对象中，通过计算机将环保领域物联网整合起来，实现人类社会与环境业务系统的整合，以更加精细和动态的方式实现环境管理和决策的“智慧”。在感知层，环境传感器技术是关键，大部分技术由国外引进，亟需加强对传感器设备的自主研发，促进设备接口标准的统一。在网络层，要充分利用现有通信技术高速度、大容量、高可靠性的特点，促进云计算技术、新一代网络、无线网络等新技术在智慧环保中的应用。在应用层，需要整合现有应用系统资源，提高业务系统之间的数据共享力度，并合理规划未来系统的开发。

3 小结

信息技术的出现使人类的生产生活方式得到了根本性的转变，信息技术已经成为了支撑当今经济活动和社会生活的基石。深入推进环境信息化是全球信息化发展的客观要求，促进数字环保向智慧环保的转变是环境信息化未来发展的方向，而数据处理和知识发现能力也将是影响“智慧”的一个重要因素，3S技术在今后一段时间仍将是信息技术在环境应用领域中的一大热点。信息领域技术发展日新月异，这也将为环境信息化的发展提供了有力的支撑，相信我国环境信息化的发展在国家政策的大力支持下，必定会取得新的突破，必定会推动环境保护事业的科学化发展。

[1]卫菊红.物联网技术发展及应用研究进展[J].工业控制计算机,2011,24(12):50-54.

[2]谭丽,夏骆辉.物联网助推环境监测信息化[J].世界电信,2010,(11):70-73.

[3]马莉,宋庆.3S集成技术研究现状的综述[J].资源环境与发展,2009,(02):32-49.

[4]吴小华.3S技术在环境监测中的应用[J].低碳世界,2013,(14):192-193.

[5]雷蕾,秦侠,姚小丽等.数据挖掘技术在环境科学中的应用[J].环境与可持续发展,2006,(6):8-10.

[6]赖小平.浅论数据仓库技术[J].网络与信息,2009,(8):32-33.

[7]蒋志方,王德明,杜晓亮等.基于结构优化的 RAN 城市环境空气质量预测模型[J].山东大学学报(工学版),2010,40(6):1-7,87.

[8]尹琦明.试论时空数据挖掘在环境保护中的应用[J].科协论坛(下半月),2013,(6):140-141.

[9]徐敏,孙海林.从“数字环保”到“智慧环保”[J].环境监测管理与技术,2011,23(4):5-7.