生态大数据环境监测网络建设思路分析

朱佳 李一川 寇晓娇

摘要：在城市建设生态大数据共享服务平台体系总体架构下，通过完善监测指标及增加监测站点的手段，加强生态基础设施建设，对大气环境、水环境、声环境等网格化环境质量信息进行全面、连续、有效记录，构建稳定的生态大数据环境监测网络，有效应对生态风险预警、防范和应急，为生态环境改善提供数据支撑，为生态文明建设提供理论指导。

关键词：生态大数据  环境监测网络  软硬件平台  数据服务平台

中图分类号：X83   文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）09（c）-0000-00

Analysis on the Construction of Ecological Big Data Environmental Monitoring Network

ZHU Jia1  LI  Yichuan2  KOU Xiaojiao3*

（1.Shenzhen Polytechnic，Shenzhen，Guangdong Province，518055 China; 2.Guilin Teachers College，Guilin，Guangxi ZhuangAutonomousRegion， 541001 China; 3.Shenzhen Chengxinhe Technology Co.， Ltd.，Shenzhen，Guangdong Province，518034 China）

Abstract： Under the overall framework of urban construction ecological big data sharing service platform system， strengthen the construction of ecological infrastructure by improving monitoring indicators and increasing monitoring stations， comprehensively， continuously and effectively record grid environmental quality information such as atmospheric environment， water environment and acoustic environment， and build a stable ecological big data environmental monitoring network， Effectively respond to ecological risk early warning， prevention and emergency， provide data support for ecological environment improvement， and provide theoretical guidance for ecological civilization construction.

Key Words： Ecological big data; Environmental monitoring network; Software and hardware platform; Data service platform

1建設背景

十二五期间生态环境趋势明显好转，生态文明城市建设取得重大进展。如何向公众宣传城市优良的生态环境，具体、科学的反映出生态质量水平，打造“长寿”“宜居”的城市标签，尚需通过大数据手段对城市生态环境质量水平做出定量评价和分析，加强生态基础设施建设，构建稳定的区域生态监测网络，构建城市生态大数据共享服务平台，对城市环境进行网格化监管，有效应对生态风险预警、防范和应急，为生态环境改善提供数据支撑，为生态文明建设提供理论指导[1]。

2总体建设目标

2.1建设目标

在城市现有建设生态大数据共享服务平台总体架构下，通过完善监测指标，增加监测站点的手段，对大气环境、水环境、声环境等网格化环境质量信息进行全面、连续、有效记录，构建生态大数据环境监测网络，作为生态环境改善的数据支撑[2]。

2.2建设原则

城市生态大数据环境监测网络建设必须遵守以下原则：

（1）不影响现有或其他相关信息系统的使用和信息安全;

（2）技术成熟、可靠，在节约成本投入的前提下确保平台建设质量;

（3）建立一个坚实的系统应用平台，便于系统的管理和维护，技术易于更新，网络及业务规模可逐步扩展;

（4） 统一规划，分步实施。

3建设思路

3.1总体框架

城市生态大数据环境监测网络建设包括多源信息感知层、信息传输层、应用支撑平台以及应用服务共享平台等层次[3]，具体参见图1。

在遵循生态大数据共享服务平台总体框架的基础上，重点建设 “三大监测网络、一大平台”的生态监管大数据共享服务信息化平台。

3.1.1  三大监测网络

即大气环境综合监测网络、水环境综合监测网络和声环境综合监测网络，为管理者和决策者提供可靠、及时、全面的生态信息，从而为生态管理科学决策奠定坚实基础。

3.1.2  一大平台

针对空气、水、噪声等要素，基于环境空间信息和底层数据支撑，最终为客户提供环境质量数据共享、综合分析和可视化展示。将涵盖所有环境监测信息进行环境“一张图”专题展示。

3.2监测网络系统建设

3.2.1大气环境综合监测网络建设

采用“网格化布点+多元数据融合+时空数据分析”的模式，以各社区或村庄为网格单元，每个网格各布设一个现场监测点，采用分布式的大气污染物传感器监测设备，用以获取实时、全面、高密度的大气污染物浓度数据，进行监测数据的筛查、校准、统计分析和动态图绘制，实现大气污染物浓度的时空动态变化趋势分析，追溯污染物扩散趋势，为环境执法和决策提供直接依据[4]。

（1）布点基本原则。①布点高度要求：设备一般部署在距2离地面高度2～25m之间;②布点地区应选择要尽量空旷，不要在不宜采样的角落里或者污染物排污口布点;③补点地区要有稳定的电源供应，供电要接地，安装时需要提供带有接地的三线制220V电源，防止雷雨天遭雷击。

（2）前端监测设备。分布式空气质量监测仪具有无线传输模块，数据通过无线网络传回局大气环境质量监控系统进行处理分析，数据误差控制在10%以内。设备成本低，体积小，安装方便，耗电量小，无需大型机箱，无需复杂的基础设施配套。后期运维无需昂贵的耗材，不用投入大量人员精力。

监测指标及监测方法详见表1。

（3）云数据处理系统。针对分布式监测站点数据特点和分析需求，开发云数据处理系统，将采集到的数据，通过无线网络传回局系统平台的云数据处理系统进行处理分析。该系统每1小时形成一张污染物动态分布图，环保局通过登录系统，能查看全部监测点位在地图的显示、每个点位的实时监测数据，以及设备运转是否正常;能查看实时数据分析图表，包括1小时变化曲线，1天的变化曲线等;根据全区大气污染物的分布，生成动态热成像图，体现全区大气污染物浓度的空间分布状况及实时动态变化，有效支持环境管理决策，也为环境应急提供快速可靠的数据支撑。

3.3.2水环境综合监测网络建设

建设浮标式水质多参数监测系统，配备水质五参数等多种类型传感器并预留多种参数监测通道、无线传输装置和供电系统;可用于湖泊、河流、水库的生态环境的长期监测。该系统由浮标体及锚泊系统、水质传感器、数据采集传输系统和供电系统四大部分组成，能够实时准确地提供各种信息，满足实时监控的要求。

系统特点：（1）设备集成度高，实现多个环境因子原位实时监测，涉及水文、水质、气象、生物等重要参数。并且浮标建站成本低，管理成本低，组站灵活、快速。（2）野外工作能力强，采用太阳能电池板为数据记录仪、GSM调制解调器和水质传感器供电。系统通过无线的GSM通路，可以数据下载和参数设置。（3）适用于近海、湖泊、水库等区域水质长期监测、有害藻华监测、污染源监测、水源地监测等。

3.2.3声环境综合监测网络建设

（1）布点原则：设置声环境自动监测点位用于考核其声环境质量达标率，按照声环境功能区划确定监测点位数量，建议每个村庄的每类功能区均设监测点，站点建设可分步进行，首先实现一类区监测，逐步实现全部监测。

（2）声环境在线监测系统包括：噪声监测终端及数据传输（无线）、监控中心平台应用软件等部分组成，负责噪声采集、保存，并将噪声实时上传到共享服务平台。可以超标录音，并自动上传录音文件，可以接受专用服务器的控制指令。

（3）噪声监测终端：负责噪声采集、保存，并将噪声实时上传到共享服務平台。可以超标录音，并自动上传录音文件。可以接受专用服务器的控制指令。监测终端建议采用获得计量器具型式批准证书的产品，从而具有测量执法的条件。

（4）噪声监测终端主要特点：采用数字信号处理技术;系统自动或远程校准;存储容量大;具有后备电源，停电时仍然可以保证系统的正常运行。

（5）外传声器单元：户外传声器单元的主要作用是将监测点的噪声信号变成电信号，以便声级计进行处理。户外传声器单元应具有防风、防雨、防鸟停功能，工作温度范围宽。加热驱潮功能使它可以工作在较潮湿的环境下。使用静电激发器进行自动校准，可以从容物柜上取下，直接装在声级计上以方便送检、方便修理。用户还可以用声级校准器进行校准，以确定系统及静电激发器的准确性。

（6）集控制单元部分：主要是完成数据采集，传输通讯，同时将传声器送来的电信号进行灵敏度归一化。放置在户外防水箱里面。

3.3公共服务平台建设

3.3.1基础软硬件平台

基础软硬件平台是为公共数据服务平台提供基础支撑服务，为上层平台的应用提供分布式的、高度可移植的数据交换及应用支撑，为应用系统提供安全、事务、并发、通讯等基础服务能力，并提供标准的接口与调用机制，供构建在其上的应用程序调用，通过组件化方法实现软件重用，并为整个系统提供用户、权限管理的环保业务协同管理平台;为整个系统提供地理信息服务的应急地理信息系统;为环境应急提供模型分析的环境模型分析系统等。

应用平台架构见下图2。

3.3.2数据服务平台

数据服务平台基于物联网技术，采用各种先进的感知手段，对空气、水、噪音等进行全面、透彻的感知，将感知到的信息高速传输到业务数据层进行处理，分析得出的结论和规律提供给各监管系统，以便于科学决策[5]。

（1）网格化+趋势分析。通过采用监测设备，大量布设网格化监测点位（比如每平方公里、每个小区、设置一个或几个监测点），进行大范围高频率的大气环境、水环境和声环境数据采集，监测点部署密度越高，数据分析的准确度也将越高。基于这些点位的实时监测数据，通过筛查、校准、统计分析，从不同时空维度和尺度对全区的大气环境质量进行全方位时空动态监测和分析对比。运用基于GIS的后台数据分析系统，生成动态趋势图，从而分析全区域的环境质量时空变化状况。

（2）污染溯源，指导环保监管和环境执法工作。通过部署网格化的监测系统[6]，获取区域高密度（每个乡镇/街道/小区一个或多个站点）高频度（每分钟采集一次）的监测数据，结合基于GIS的后台数据分析系统，进行监测数据分析和动态图绘制，根据数据可得性，还可叠加上乡镇和村庄级行政区划、土地利用图及道路、企业分布等空间图，结合环境质量变化的时空动态趋势，可判断污染来源，时空上追溯和展示污染物扩散趋势，对企业排污起到最大程度的监管作用，从而为环境执法和决策提供直接可靠的依据。

（3）环境预警和应急。基于监测数据的突然变化，可识别一些大气环境事故、火灾等突发事件，并第一时间作出预警，提醒相关部门第一时间响应，从而降低灾害影响。结合气象数据，预测并实时监控污染扩散的范围和方向，为环境应急工作的开展提供技术支撑。

（4）数据挖掘和决策支撑。基于高频度高密度的监测数据，实现不同区域、不同用地类型、不同时间段的环境质量状况的统计分析和对比分析，找出变化规律，找到污染最严重的区域和时间段，从而为环境治理提供技术支撑。结合气象、国土等部门的相关数据，可进行更深入的数据挖掘，为环保监管和治理、乃至区域发展规划等提供决策依据。

数据服务平台功能应涵盖环保监测的常用工作业务流程，能够将自动数据采集、数据有效性分析、监测控制、有效数据入库、日常维护、数据管理、数据报表、信息发布、数据上报、统计分析、短信报警等功能有机的溶合到一个软件中。实现实时监测、报警、数据查询分析及定制报表等功能。

4 结语

在城市建设生态大数据共享服务平台体系总体架构下，通过大监测网络、一大平台的建设，对大气环境、水环境、声环境等环境质量信息进行全面、连续、有效的记录，构建稳定的生态大数据环境监测网络体系，将有效应对生态风险预警、防范和应急，为生态环境改善提供数据支撑，为生态文明建设提供理论指导。

参考文献

[1]于贵瑞，何洪林，周玉科.大数据背景下的生态系统观测与研究[J].中国科学院院刊，2018，33（8）：832-837.

[2]孙永鹏.试论大数据技术在生态环境保护领域的应用架构及相关技术[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2021（2）：162-163.

[3]陳善荣，陈传忠.科学谋划“十四五”国家生态环境监测网络建设[J].中国环境监测，2019，35（6）：1-5..

[4]王卫东.生态环境监测网络建设的总体框架及其取向[J].环境与发展，2019，31（4）：210-211.

[5]杨军.大数据与城市生态学的未来：从概念到结果[J].中国科学：地球科学，2020，50（10）：1339-1353.

[6]谭传兴，曹金静.基于NB-IOT的城市网格化环境监测系统研究[J].住宅与房地产，2021（3）：225-226.