基于大数据的环境监测研究

刘英 邹渝

摘 要：在环境治理中，我国各地政府逐渐开始尝试采用大数据手段对环境数据进行搜集，然后建立实时监测机制，通过大数据预测模型和数据处理技术进行环境评估与预警。本文对大数据在环境监测中的应用进行研究，为政府制定环境监测政策和建立环境监测体系提供参考。

关键词：大数据;环境监测;环境评估;预警

中图分类号：TP311.13文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0144-03

Abstract： In environmental governance， governments in various parts of China have gradually tried to use big data to collect environmental data， and then established a real-time monitoring mechanism to conduct environmental assessment and early warning through big data prediction models and data processing technologies. This paper studied the application of big data in environmental monitoring， and provided references for the government to formulate environmental monitoring policies and establish environmental monitoring systems.

Keywords： big data;environmental monitoring;environmental assessment;early warning

2015年，國务院发布了《促进大数据发展行动纲要》，对我国大数据的发展进行了规划。该纲要认为，在未来十年内，政府需要引导大数据产业的发展，充分利用大数据技术提高治理能力，提升民生服务水平。大数据技术改变了传统的数据库模式，推动了各个行业和公共机构数据共享的发展，有利于整合全国的数据资源，提升政府治理能力和应对复杂环境问题的能力[1-2]。大数据技术的应用有利于政府根据不同的治理方向，采集各类数据，并充分挖掘数据信息，提高自身决策能力。

环境保护是我国政府治理的重要内容，而环境监测是确保环境保护工作开展的重要基础。为了提高环境监测效果，人们要充分利用大数据技术进行监测。2016年，原环境保护部发布了《生态环境大数据建设总体方案》，要求充分利用大数据技术对环境数据进行管理，最终实现环境数据的精细化管理。当前，各地要基于大数据技术，结合环境监测数据，形成有效的决策体系，科学决策。同时，要利用大数据技术提供公共服务，减少环境监测的信息不对称，并充分落实《中华人民共和国环境保护法》的相关要求，促进公众参与环境保护。

1 研究现状

近年来，大数据技术逐渐被推广并应用于环境领域。大数据技术的成熟为大数据在环境监测中的应用奠定了基础，而大数据技术的变化较快，人们通过大数据挖掘能够分析传统数据信息。当前研究较为关注如何利用大数据平台和技术，创造新的应用价值，为政府治理环境提供新型技术手段。

综合目前的大数据技术与环境监测研究来看，大数据环境监测理论还不成熟。大部分研究主要侧重于对大数据概念和技术的分析，较为肤浅。当前，大数据在环境监测中的具体应用和技术研究较少。大数据应用研究主要侧重于将大数据应用在商业领域，从而创造更多的收益。大数据技术研究侧重于技术架构、电子商务等领域，这些领域具有丰富的数据基础。现阶段，大数据在政府环境治理领域的应用研究相对较少，但是大数据在环境监测中的应用研究已经逐渐受到很多学者的重视。

2 大数据技术在环境监测中的作用

环境监测是指通过对环境状态进行监测，判断环境污染情况。因此，环境数据的收集与处理是实施环境监测的基础，而这正是大数据技术发挥作用的重要领域。人们可以应用大数据技术，采集海量的环境数据，通过储存环境数据构建环境的指标数据库，通过大数据挖掘来分析环境状态变化，为环境治理提供决策依据。

2.1 提升数据采集质量

大数据技术在环境监测中的应用有利于提升环境数据的采集质量。目前，在环境监测中，各类分析仪器、GPS和GIS等技术应用会产生海量数据，如水质、土壤、大气等，这些数据很难保存在传统的数据库中。而大数据技术能够方便地将采集的数据存储在大数据平台，同时支持实时采集与存储，形成环境历史数据库。大数据挖掘技术能够有效处理海量数据，充分获取数据中的有效信息。

2.2 提升数据分析效率

大数据技术具有强大的数据分析能力，不仅对离线数据提供支持，也对实时数据提供支持，从而有效提升环境监测数据的分析效率。环境监测领域需要对突发环境问题进行应急处理，通过传感器动态采集环境数据并将其传输到大数据平台，借助大数据平台的计算能力，迅速分析数据，定位环境问题。传统的数据采集与分析主要基于人工方式，效率低下。而大数据平台利用集群计算的优势，为环境分析提供强大的算力支持，能够高效、准确地完成计算。例如，人们可以构建森林环境监测系统，当突发火灾时，其能够迅速预警，定位火源;对于大气监测，大数据平台可以通过实时监测空气中的PM2.5、PM10等污染物指标，计算空气质量数据，并进行空气污染的预警。

2.3 提高环境综合预警能力

大数据技术能够处理环境监测中收集的海量数据，然后利用自身的建模与预测能力，对环境状态的变化进行预测，通过建立机器学习模型，对环境问题进行预警。例如，人们可以通过大数据平台建立大气监测系统，通过采集环境监测数据，计算大气中的污染物含量，然后基于污染物数据的时间序列进行预测，一旦发现大气污染超过阈值，就可以进行预警，提醒相关部门和人员及时采取措施，防止污染扩散。

将大数据技术应用在环境监测中，具有四大优势。一是大数据技术的应用有效地提高了环境治理中的预警能力。大数据技术的应用并非简单的采集与存储数据，提供数据查询服务，更为重要的是，大数据技术提供了强大的数据分析能力和建模能力。其通过机器学习等方式能够有效对环境数据进行预警。二是有效提升环境保护的决策水平。过去，环境监测领域并没有太多数据来辅助决策，因此环境保护决策较为主观。大数据技术能够为相关决策提供充分的数据支持，为环境监管和环境保护决策提供强大的数据基础。三是提高对环境风险的判断能力。环境面临污染等风险，而环境风险评价需要一定的数据与模型。大数据能够通过搜集环境指标和建立分析模型，对风险进行有效的测评。四是提高环境的公共服务能力。一般而言，生态环境部门获得的环境监测数据难以通过多种渠道提供给公众。但是，大数据技术能够提供公共数据的共享与服务机制，提高对公众的服务能力。

3 大数据技术在环境监测中的应用

在环境监测中，大数据技术主要用于数据采集和集成。

3.1 数据采集

大数据技术在环境监测中的基础应用是数据采集，其中，环境数据不仅包括结构化的数据，还包含非结构化的数据。结构化的数据主要来源于环境中的各项指标和监管活动产生的各类指标。而非结构化的数据包括监控图片、录像以及录音等。大数据平台既能够采集结构化的数据，也能够采集非结构化的数据，形成有效的统一。

3.2 数据集成

环境监测数据一般来源于不同的传感器，为了有效利用环境监测数据，人们需要对不同的数据进行集成，同时对数据进行标准化处理，提高数据质量。大数据的集成处理步骤如下：首先，对不同数据进行抽取;然后，采用统一的数据标准进行清洗与转换，最后按照一定的标准将其存储于大数据平台中。在抽取时，首先整合不同的采集平台，然后按照标准格式对数据进行转化，如统一数据的编码格式等。接着，要检验数据的完整性，对其中可能存在的噪声数据进行降噪或者剔除。同时，还要利用大数据实时采集的功能，实时跟踪环境数据的变化，保证数据实时入库，提升监控与预警能力。

4 大数据环境监测平台架构

大数据环境监测平台能够有效地集成各类数据，完成对数据的标准化整合，对数据进行转化，其可以划分为不同的层次，形成对环境评价的多维度数据结构。大数据环境监测平台不仅要具备数据采集、存储、转化、分析和挖掘功能，还要具有对外服务接口等功能。因此，大数据环境监测平台形成了从环境数据采集到加工最后到应用的完整闭环，同时通过服务接口将环境监测数据提供给公众。基于这些数据，人们可以开发新的应用。

大数据平台对数据的存储和加工能力比传统的Oracle等数据库强大，其存储的数据规模以TB和PB为单位，同时其支持结构化和非结构化的数据。大数据平台能够动态处理实时数据，其平台架构组成如下。

4.1 数据源管理

数据源管理主要是对环境监测的不同数据源进行管理，如大气污染物排放、地表水污染物信息等指标。

4.2 数据采集与存储层

大数据平台提供了对采集的数据进行转化、加工和标准化等功能。通过对数据进行采集与存储，人们可以构建丰富的历史数据库。

4.3 数据处理层

大数据平台提供对环境监测数据的关联分析、统计分析和模型分析等功能，其通过时间序列、机器学习模型能够有效地对数据进行预测。

4.4 数据共享层

大数据平台提供标准化的对外共享接口，大众通过对外共享接口能够访问大数据平台中存储的各类环境监测数据。

4.5 数据应用层

访问海量的历史环境数据和实时环境数据，可以為上层应用提供坚实的基础。上层可以建立环境预警、风险评估等应用程序，并提供可视化的统计报表等功能模块。

5 大数据视角下的环境治理框架

环境监测的目的是为人们提供改善环境的工具与手段。比如，对于环境污染问题，人们可以借助大数据技术建立环境治理平台，为人们分析环境信息、定位并最终解决环境问题奠定基础。大数据技术的发展为环境监测提供了新的手段。基于大数据技术，人们可以建立完善的治理框架（见图1），通过搜集环境信息，建立模型进行环境预警，为环境治理提供支撑。

如图1所示，大数据视角下的环境监测首先需要对环境信息进行搜集，然后通过模型进行实时监测，及时响应环境状态的变化。大数据平台存储海量的环境数据，并提供快速的查询功能。大数据平台支持数据流的方式处理环境监测数据。若实时数据进入大数据平台，则触发分析模块进行实时处理。例如，在工业环境监测中，其可以实时跟踪不同的视频监控数据，一旦探测到工业环境发生污染，就立即触发预警，同时基于工业污染数据的存储模型，建立机器学习模型，通过综合的预测分析，跟踪工业污染的走势。大数据视角下，人们对环境监测的要求更高，能够采集的数据也更为全面。大数据为环境治理提供了强有力的支撑手段，保障环境监测工作的顺利开展。

6 结语

在大数据技术快速发展的今天，人们要将大数据技术与环境监测充分结合，不断提升环境监测水平，为环境保护提供有效的支撑。在环境监测中，人们可以利用大数据技术，优化数据管理和分析能力。同时，要构建大数据模型，对环境变化进行预测与预警，提升生态环境部门的决策和处理能力。

参考文献：

[1]邢彦，吉喆阳，王兆燊.大数据在环境监测领域的应用[J].电子技术与软件工程，2020（4）：168-169.

[2]易玲，余悦.基于大数据技术的环境监测数据分析方法研究[J].科学与信息化，2020（3）：33.