生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

摘要:生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是為生態(tài)環(huán)保決策管理提供服務(wù)的大數(shù)據(jù)集、大數(shù)據(jù)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的總稱(chēng)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)除了具有大數(shù)據(jù)的“6V”特征，還具有高維、高復(fù)雜性、高不確定性的“三高”特性。本文從生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的定義和特征出發(fā)，闡述了國(guó)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的“萌芽—探索—應(yīng)用—戰(zhàn)略”的發(fā)展歷程及其在科學(xué)研究、商業(yè)應(yīng)用和政府決策等領(lǐng)域的主要應(yīng)用，總結(jié)了基于第四研究范式的生態(tài)信息學(xué)理論基礎(chǔ)和依托于信息技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)方法，分析了當(dāng)前形勢(shì)下我國(guó)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用面臨的三大挑戰(zhàn)，提出了未來(lái)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)五大熱點(diǎn)方向，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)必將在推進(jìn)生態(tài)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化中發(fā)揮重要作用。

 

引言

 

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界已經(jīng)進(jìn)入由數(shù)據(jù)主導(dǎo)的“大時(shí)代”。2012年5月,聯(lián)合國(guó)發(fā)布大數(shù)據(jù)政務(wù)白皮書(shū)“Big Data for Development : Challenges & Opportunities”，標(biāo)志著大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的研究已提升為世界戰(zhàn)略。2013年7月習(xí)近平總書(shū)記在中國(guó)科學(xué)院考察時(shí)指出，大數(shù)據(jù)是工業(yè)社會(huì)的“自由”資源，誰(shuí)掌握了數(shù)據(jù)，誰(shuí)就掌握了主動(dòng)權(quán)。2015年8月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，大數(shù)據(jù)上升為我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略。與此同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。習(xí)近平總書(shū)記指出，要推進(jìn)全國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)共享，開(kāi)展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)分析。李克強(qiáng)總理強(qiáng)調(diào)，要在環(huán)保等重點(diǎn)領(lǐng)域引入大數(shù)據(jù)監(jiān)管，主動(dòng)查究違法違規(guī)行為。2016年3月，原環(huán)境保護(hù)部辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》，提出在未來(lái)五年內(nèi)通過(guò)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境綜合決策科學(xué)化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管精準(zhǔn)化、生態(tài)環(huán)境公共服務(wù)便民化。由于我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作起步晚，在數(shù)據(jù)知識(shí)更新、數(shù)據(jù)挖掘分析、大數(shù)據(jù)共享機(jī)制與能力建設(shè)等方面還存在不足。

 

生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)概念及特征

 

大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用、積累，形成了生態(tài)環(huán)境相關(guān)的海量觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來(lái)源于與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的不同部門(mén)和領(lǐng)域，來(lái)源多樣、結(jié)構(gòu)各異。一般認(rèn)為，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是為生態(tài)環(huán)保決策問(wèn)題提供服務(wù)的大數(shù)據(jù)集、大數(shù)據(jù)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的總稱(chēng)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)除了具有大數(shù)據(jù)的6“V”特征，即海量規(guī)模（Volume）、形式種類(lèi)繁多（Variety）、處理速度快（Velocity）、高價(jià)值性（Value）、真實(shí)性（Veracity）、易受攻擊性（Vulnerable），還更加復(fù)雜多變，具有高維、高復(fù)雜性、高不確定性的“三高”特性。

 

（1）高維。數(shù)據(jù)來(lái)源包含反映自然和社會(huì)現(xiàn)象之間的多維數(shù)據(jù)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)來(lái)源于生態(tài)環(huán)境、氣象、水利、國(guó)土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等不同部門(mén)，可以通過(guò)空氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量、噪聲環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)感知，還可以通過(guò)生物傳感器、化學(xué)傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、衛(wèi)星遙感、視頻感知、光學(xué)傳感器、人工檢查等感知。通過(guò)全國(guó)“12369環(huán)保舉報(bào)聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)”的電話(huà)、微信、微博等途徑，以及基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生的搜索數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)、在線(xiàn)新聞等產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境輿情大數(shù)據(jù)，包括半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化多維數(shù)據(jù)（文本、項(xiàng)目報(bào)告、照片、影像、聲音、視頻等）。

 

（2）高復(fù)雜性。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)內(nèi)在的復(fù)雜性（包括類(lèi)型的復(fù)雜、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和模式的復(fù)雜）使得生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的感知、表達(dá)、理解和計(jì)算等多個(gè)環(huán)節(jié)面臨巨大的挑戰(zhàn)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)本身價(jià)值較低，只有通過(guò)大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)建模、結(jié)果導(dǎo)出與可視化等，才能將這種不完善、復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息。生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的排放清單建立、環(huán)境質(zhì)量模擬、最優(yōu)化減排方案制定等，如果借助大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和云計(jì)算平臺(tái)等，速度和準(zhǔn)確性會(huì)顯著提高。

 

（3）高不確定性。數(shù)據(jù)采集涉及高度不確定性，數(shù)據(jù)可能存在錯(cuò)誤或不完整。生態(tài)環(huán)境相關(guān)的大數(shù)據(jù)跟其他大數(shù)據(jù)一樣，最典型的特征是數(shù)據(jù)量巨大，而且在以每年數(shù)百TB的速度增加。由于這些數(shù)據(jù)來(lái)源于不同部門(mén)，部門(mén)之間缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；而且通過(guò)傳感器、智能手機(jī)或社交網(wǎng)絡(luò)等不同感知工具采集，即使來(lái)源于同一部門(mén)的數(shù)據(jù)格式也多樣化；加之目前各部門(mén)數(shù)據(jù)共享程度較低，同一指標(biāo)數(shù)據(jù)存在不一致性。

 

發(fā)展歷程及應(yīng)用

 

01

發(fā)展歷程

 

（1）1980年及以前的萌芽階段。1980年，未來(lái)學(xué)家托夫勒在《第三次浪潮》中首次提出“大數(shù)據(jù)”的概念，大數(shù)據(jù)時(shí)代正式到來(lái)。在此之前，“大數(shù)據(jù)”已經(jīng)在萌芽狀態(tài)。以生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)為例，國(guó)際地球物理年（IGY）（1957—1958年）和國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃（IBP）（1964—1974年)是現(xiàn)今生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究的雛形，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“大科學(xué)研究”，目的是獲得較為可靠的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，以研究地球各圈層和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。這些研究最后演變成如今以長(zhǎng)期定位觀測(cè)為基礎(chǔ)的生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)，從而全面獲取有關(guān)生態(tài)環(huán)境的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

 

（2）1980—2008年的探索研究階段。2008年，Nature、Science等學(xué)術(shù)刊物相繼出版專(zhuān)刊探討大數(shù)據(jù)議題，標(biāo)志著大數(shù)據(jù)研究得到世界范圍內(nèi)的關(guān)注和認(rèn)可。在此之前，各國(guó)學(xué)者對(duì)大數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究進(jìn)行了探索。如Camara等開(kāi)發(fā)了集成水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)和污染數(shù)據(jù)庫(kù)，以及面源污染模型和污水處理優(yōu)化模型，用于西歐TeJo海灣水質(zhì)管理的決策支持系統(tǒng)“Hypetejo”，利用它解決污水處理廠的選址問(wèn)題、污染負(fù)荷改變對(duì)海灣水環(huán)境的評(píng)價(jià)等決策問(wèn)題。

 

（3）2009—2012年的應(yīng)用研究階段。在此期間，大數(shù)據(jù)問(wèn)題得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，一些商業(yè)公司也加入其中。麥肯錫公司發(fā)布關(guān)于“大數(shù)據(jù)”的報(bào)告，成為“大數(shù)據(jù)”較早的應(yīng)用。生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括區(qū)域大氣污染防治與污染物減排研究、環(huán)境污染治理及預(yù)報(bào)、全球氣候變化預(yù)測(cè)研究等。由清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、田納西大學(xué)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的大氣污染控制費(fèi)效評(píng)估及空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)“ABaCAS”，集成大氣污染控制費(fèi)效及達(dá)標(biāo)評(píng)估、大氣污染控制成本分析、空氣質(zhì)量模擬可視化分析、空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)評(píng)估等技術(shù)，是這一時(shí)期的應(yīng)用研究之一。

 

（4）2012年以來(lái)的戰(zhàn)略化發(fā)展階段。2012年以來(lái)，大數(shù)據(jù)應(yīng)用問(wèn)題得到各國(guó)政府的高度重視。2012年聯(lián)合國(guó)大數(shù)據(jù)政務(wù)白皮書(shū)的發(fā)布,標(biāo)志著大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的研究已提升為世界戰(zhàn)略。同年，美國(guó)政府啟動(dòng)《大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計(jì)劃》，標(biāo)志著美國(guó)大數(shù)據(jù)時(shí)代來(lái)臨。2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》，大數(shù)據(jù)發(fā)展上升為我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略。2016年原環(huán)境保護(hù)部辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》，從政策層面對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用于環(huán)境管理領(lǐng)域提出了要求。當(dāng)前生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在科學(xué)研究、商業(yè)應(yīng)用、政府決策支持等多個(gè)方面得到廣泛應(yīng)用。

 

02

研究與應(yīng)用

 

（1）科學(xué)研究方面。數(shù)據(jù)感知層面，如上所述的“大科學(xué)研究”催生了生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前國(guó)際上已經(jīng)建立多套全球性和國(guó)家/區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，提供包括環(huán)境和生態(tài)變量的長(zhǎng)期多維觀測(cè)數(shù)據(jù)。全球尺度的生態(tài)環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要包括國(guó)際長(zhǎng)期生態(tài)研究計(jì)劃（ILTER）、全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（GEMS）、國(guó)際生物多樣性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GEO·BON）等。國(guó)家尺度的網(wǎng)絡(luò)包括美國(guó)的US-LTER生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)、英國(guó)的ECN生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)和日本長(zhǎng)期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)（JALTER）。這些觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集了生態(tài)環(huán)境相關(guān)的大數(shù)據(jù)，能夠獲得數(shù)百萬(wàn)次觀測(cè)結(jié)果。衛(wèi)星或飛機(jī)的遙感技術(shù)的發(fā)展使我們通過(guò)安裝在這些平臺(tái)上的遠(yuǎn)程傳感器獲取大量生態(tài)數(shù)據(jù)。例如，美國(guó)宇航局（NASA）部署高光譜傳感器以捕獲有關(guān)葉面營(yíng)養(yǎng)、樹(shù)冠結(jié)構(gòu)和性狀的詳細(xì)信息。2015年6月，NASA聯(lián)合巨型計(jì)算機(jī)技術(shù)、地球系統(tǒng)模型、工作流管理和遙感數(shù)據(jù)協(xié)作分析平臺(tái)，發(fā)表了從1950年到2100年全世界的氣候變化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。中國(guó)不同部門(mén)和單位陸續(xù)建立了一批生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，開(kāi)展了不同區(qū)域的環(huán)境、資源、污染的調(diào)查與研究工作。如中國(guó)科學(xué)院植物研究所建立了植物介紹網(wǎng)站（iPlant），其數(shù)據(jù)集形式多樣,包括觀測(cè)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)以及其他派生數(shù)據(jù)。

 

研究層面，近年來(lái)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation, United States, NSF)投入大量人力、物力研究大數(shù)據(jù)科學(xué)計(jì)算應(yīng)用，目前大數(shù)據(jù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)研究的各領(lǐng)域。NSF最近公布了BIG DATA方案征集以利于信息共享。一些學(xué)科已經(jīng)開(kāi)發(fā)了海量數(shù)據(jù)平臺(tái)并取得了相應(yīng)的收益。近年來(lái)，我國(guó)自然科學(xué)基金委管理學(xué)部也資助了一批大數(shù)據(jù)在金融、醫(yī)療、交通及生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的管理應(yīng)用研究。Li Lei等收集了2005年至2013年我國(guó)31個(gè)?。▍^(qū)、市）的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法研究了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)因素對(duì)于我國(guó)林業(yè)資源效率的影響。He Fuhong等以沿海礦業(yè)城市龍口為例，使用遙感圖像、數(shù)字高程模型以及降水等數(shù)據(jù)，建立了包括自然地理、地質(zhì)條件、采礦強(qiáng)度、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等在內(nèi)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于插值等對(duì)大數(shù)據(jù)方法進(jìn)行了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估。

 

（2）商業(yè)應(yīng)用方面。大數(shù)據(jù)正在從科學(xué)研究層面走向商業(yè)應(yīng)用。德克薩斯州立大學(xué)和戴爾公司聯(lián)合研發(fā)的巨型計(jì)算機(jī)Stampede，性能良好且應(yīng)用廣泛，美國(guó)南加州地震中心利用該巨型計(jì)算機(jī)進(jìn)行加州破壞性地震的頻率預(yù)測(cè)；德州大學(xué)奧斯汀分校也應(yīng)用Stampede通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)建模，分析從南極洲到海洋的冰川流動(dòng)。在生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的建設(shè)方面，惠普、谷歌、微軟等美國(guó)企業(yè)正在提供最先進(jìn)的存儲(chǔ)設(shè)備和搜索等服務(wù)，幫助政府和研究機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)作出判斷。

 

2012年，惠普公司聯(lián)合環(huán)保組織——“保護(hù)國(guó)際”（Conservation International）啟動(dòng)惠普地球觀察（HP Earth Insights）項(xiàng)目，對(duì)全球生物多樣性和氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在中國(guó)，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)得以進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)是Apache基金會(huì)開(kāi)發(fā)的Hadoop平臺(tái)。在Hadoop平臺(tái)基礎(chǔ)上，IBM公司與北京市政府聯(lián)合開(kāi)發(fā)了“綠色地平線(xiàn)”大數(shù)據(jù)平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)時(shí)的氣象衛(wèi)星和地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合企業(yè)排放數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)72小時(shí)的空氣質(zhì)量。微軟在中國(guó)也已與海南、云南、武漢等多個(gè)地區(qū)進(jìn)行交通、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的合作，已經(jīng)發(fā)布了超過(guò)100個(gè)全球智慧城市案例。針對(duì)霧霾問(wèn)題，微軟還推出了Urban Air系統(tǒng)，通過(guò)大數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量，該服務(wù)覆蓋了中國(guó)300多個(gè)城市。而京東智能城市研究院將利用大數(shù)據(jù)和人工智能進(jìn)行空氣質(zhì)量和水質(zhì)預(yù)測(cè)作為重點(diǎn)研究的業(yè)務(wù)內(nèi)容。

 

（3）政府決策方面。世界各國(guó)都將大數(shù)據(jù)技術(shù)研究應(yīng)用的推進(jìn)作為重大發(fā)展戰(zhàn)略。2012年3月，美國(guó)公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計(jì)劃”，以提高從海量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取知識(shí)的能力。根據(jù)該計(jì)劃，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、能源部（DOE）、地質(zhì)勘探局（USGS）等6個(gè)聯(lián)邦部門(mén)和機(jī)構(gòu)共同提高了海量數(shù)據(jù)應(yīng)用所需的核心技術(shù)。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）建立了統(tǒng)一的中央數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，形成了排污設(shè)施登記數(shù)據(jù)庫(kù)。歐盟方面，過(guò)去幾年已對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施投資了1億多歐元，并將數(shù)據(jù)信息化基礎(chǔ)設(shè)施作為Horizon 2020計(jì)劃的優(yōu)先領(lǐng)域之一。英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)（NERC）投資超過(guò)1300萬(wàn)英鎊，計(jì)劃2020年建立環(huán)境數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心。亞洲地區(qū)，2014年新加坡政府提出了“智慧國(guó)家平臺(tái)”（Smart Nation Platform），這是全球第一個(gè)全國(guó)范圍性質(zhì)的智慧藍(lán)圖。在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，新加坡聯(lián)合其他受影響的國(guó)家開(kāi)發(fā)了東南亞國(guó)家區(qū)域煙霾預(yù)警系統(tǒng)（AHMS）,為防治重污染天氣提供即時(shí)的政策建議。

 

我國(guó)已將生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)列為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。生態(tài)環(huán)境部成立了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，全面推動(dòng)落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于大數(shù)據(jù)發(fā)展的新要求，同時(shí)啟動(dòng)了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)和環(huán)保云建設(shè)項(xiàng)目。目前，生態(tài)環(huán)境部建立了涵蓋大氣、水和土壤等領(lǐng)域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并逐步加大監(jiān)測(cè)密度,其中大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括1436個(gè)城市監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括1000個(gè)降水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、1940個(gè)地表水水質(zhì)斷面（點(diǎn)位），906個(gè)集中式飲用水水源監(jiān)測(cè)斷面（點(diǎn)位），1649個(gè)海水環(huán)境質(zhì)量國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，還包括2583個(gè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，約80000個(gè)城市聲環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，1410個(gè)環(huán)境電離輻射監(jiān)測(cè)點(diǎn)位和44個(gè)環(huán)境電磁輻射監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法，使用視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)的紅外相機(jī)等設(shè)備，借助數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速傳輸技術(shù)，建設(shè)了有效的監(jiān)管系統(tǒng)。福建、內(nèi)蒙古、山東等地啟動(dòng)了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)工程。

 

理論基礎(chǔ)及技術(shù)方法

 

01

理論基礎(chǔ)

 

科學(xué)研究的前兩個(gè)范式是實(shí)驗(yàn)和理論，計(jì)算和模擬為科學(xué)研究的第三范式，數(shù)據(jù)密集型科學(xué)是前三種科學(xué)方法之后的第四種科學(xué)類(lèi)型，被稱(chēng)為第四范式。第四范式中科學(xué)家已不根據(jù)已知的規(guī)則編程，而是以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行信息挖掘。前三種范式下的傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境研究在獲取、管理和分析大量數(shù)據(jù)方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)。新的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其大數(shù)據(jù)的應(yīng)用正在慢慢將環(huán)境生態(tài)學(xué)引入大科學(xué)研究領(lǐng)域，進(jìn)而催生了生態(tài)信息學(xué)，奠定了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的理論基礎(chǔ)。生態(tài)信息科學(xué)是一門(mén)以利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等）進(jìn)行生態(tài)學(xué)分析、綜合和預(yù)測(cè)為重點(diǎn)，綜合研究生態(tài)信息提取、生態(tài)信息管理和生態(tài)信息分析的科學(xué)。生態(tài)信息學(xué)為數(shù)據(jù)密集的生態(tài)環(huán)境研究提供了新的統(tǒng)一理論、模擬和分析的方法，使科學(xué)家能夠通過(guò)創(chuàng)新工具和方法產(chǎn)生新知識(shí)，同時(shí)管理和應(yīng)用環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

 

02

技術(shù)方法

 

生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用需要突破多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，包括智能感知、分布式集群、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、專(zhuān)業(yè)化模型等相關(guān)的工具、技術(shù)和方法在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，使用Hadoop的分布式文件系統(tǒng)（HDFS）和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（MapReduce）對(duì)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理；利用決策樹(shù)、貝葉斯、回歸模型、關(guān)聯(lián)規(guī)則、認(rèn)知算法、機(jī)器學(xué)習(xí)等各種模型和算法對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和深度挖掘，通過(guò)各種數(shù)據(jù)產(chǎn)生有價(jià)值的信息。

 

建立“天地空一體化”的數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)的前提。以現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（空氣和水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)）為基礎(chǔ)，引入物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、低空航測(cè)（視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)的紅外攝影）等技術(shù)，構(gòu)建“天地一體化”遙感監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等智能監(jiān)測(cè)體系。

 

建立多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)集成與存儲(chǔ)系統(tǒng)，是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)。以生態(tài)空間數(shù)據(jù)與生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為中心，針對(duì)非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)的多樣性及結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的異構(gòu)異源特性，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)空間和時(shí)間融合，解決生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與清洗問(wèn)題。

 

建立多維時(shí)空生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)治理體系，是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心。建立集實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)形勢(shì)診斷、預(yù)警預(yù)報(bào)和會(huì)商決策等于一體的生態(tài)環(huán)境預(yù)警會(huì)商體系，建立“督察、執(zhí)法、應(yīng)急指揮”一體化的督察執(zhí)法監(jiān)管系統(tǒng)，構(gòu)建基于“一張圖”的全景指揮平臺(tái)，是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。

 

03

研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

 

有效開(kāi)展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究應(yīng)用需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：

 

（1）確定研究的主體和目標(biāo)。由于大數(shù)據(jù)本身的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)的海量性，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)可研究的范圍非常寬泛，可以是最原始的元數(shù)據(jù)，可以是宏觀的理論概念，還可以是多學(xué)科交叉的過(guò)程，因此必須確定要研究的主體和目標(biāo)。

 

（2）明確研究的時(shí)空尺度。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的不同研究領(lǐng)域有不同的尺度。例如，生態(tài)學(xué)家以年甚至萬(wàn)年為單位，關(guān)注物種在不同時(shí)間空間的演變；而氣象學(xué)家則以分鐘、小時(shí)、天來(lái)衡量天氣變化情況。不同尺度使得本就復(fù)雜的數(shù)據(jù)更冗雜。所以，研究的尺度應(yīng)該在一開(kāi)始就規(guī)定好，在簡(jiǎn)化工作量的同時(shí)加強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的應(yīng)用。

 

（3）建立科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)外普遍缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，妨礙了數(shù)據(jù)的交換與共享。因此要構(gòu)建科學(xué)、完善的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，為我國(guó)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的科學(xué)發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)化支撐，為推進(jìn)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展提供規(guī)范依據(jù)。

 

面臨的主要挑戰(zhàn)

 

（1）數(shù)據(jù)獲取的局限性。目前主要有四種途徑獲取生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)：①整理現(xiàn)有數(shù)據(jù)集。這種方法成本昂貴，最后得出的數(shù)據(jù)集可能具有地理或時(shí)間差距。②整合遙感平臺(tái)數(shù)據(jù)。此類(lèi)數(shù)據(jù)在時(shí)空尺度上通常沒(méi)有太大差距，但是這種途徑仍受測(cè)量手段和變量的制約。③獲取觀測(cè)站或?qū)嵉貙?shí)驗(yàn)。該途徑通常需要復(fù)雜且昂貴的儀器。④從頭啟動(dòng)跨越大陸尺度的觀測(cè)計(jì)劃。該途徑需要一開(kāi)始就設(shè)計(jì)專(zhuān)有模型，并使用標(biāo)準(zhǔn)化方法?，F(xiàn)階段，隨著生態(tài)環(huán)境監(jiān)管需求導(dǎo)向明顯，僅依托現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備還難以真正地實(shí)現(xiàn)“用數(shù)據(jù)說(shuō)話(huà)、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策”的目標(biāo)，無(wú)法為問(wèn)題分析預(yù)警、督察執(zhí)法、全景指揮提供有力支撐，成為制約生態(tài)環(huán)境部門(mén)進(jìn)一步提升大數(shù)據(jù)智慧監(jiān)管能力的主要問(wèn)題。此外，從社交媒體獲取的生態(tài)環(huán)境相關(guān)大數(shù)據(jù)從商業(yè)用途轉(zhuǎn)用于科學(xué)用途時(shí)也導(dǎo)致了信息不完整等問(wèn)題，限制了這些數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

 

（2）數(shù)據(jù)共享的局限性。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源分散，資源整合利用程度不高。不同部門(mén)之間不愿意共享數(shù)據(jù)是管理上的瓶頸。同時(shí)，生態(tài)環(huán)境是典型的跨行業(yè)多類(lèi)型的大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用業(yè)務(wù)領(lǐng)域，不同來(lái)源的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，導(dǎo)致數(shù)據(jù)對(duì)話(huà)成本很高，數(shù)據(jù)質(zhì)量難有說(shuō)服力。尤其是商業(yè)大數(shù)據(jù)供應(yīng)商，往往過(guò)于追求商業(yè)利潤(rùn)，在收集數(shù)據(jù)時(shí)通常不采用科學(xué)的抽樣方法，基于這些大數(shù)據(jù)的研究得出的結(jié)論可能與研究中聲稱(chēng)的目標(biāo)不匹配。

 

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用的局限性。部分研究人員傾向于通盤(pán)接受大數(shù)據(jù)，沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性進(jìn)行審查和深入分析，容易出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，對(duì)決策管理形成負(fù)面影響。大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境與經(jīng)濟(jì)綜合分析、環(huán)境污染監(jiān)督執(zhí)法與應(yīng)急、生態(tài)環(huán)境評(píng)估、生態(tài)系統(tǒng)管理及全球氣候變化預(yù)測(cè)等方面已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，但目前并沒(méi)有形成成熟的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈，對(duì)生態(tài)環(huán)境管理的精準(zhǔn)化決策支撐還需加強(qiáng)。我國(guó)還缺乏生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)和環(huán)境管理兼通的復(fù)合型人才，現(xiàn)有環(huán)境管理人員知識(shí)結(jié)構(gòu)需要更新。

 

熱點(diǎn)發(fā)展方向

 

（1）生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)共享融合研究。沒(méi)有任何一個(gè)人或機(jī)構(gòu)可以同時(shí)容納和有效分析所有形式的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)。要使生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)得到應(yīng)用與發(fā)展，需要加大共享融合研究，優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)、方法、標(biāo)準(zhǔn)和代碼的開(kāi)放性，包括更快地采用新技術(shù)和工具方法，開(kāi)放數(shù)據(jù)來(lái)源和共享解決方案，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，改進(jìn)數(shù)據(jù)和共享工作流程，以及增強(qiáng)大數(shù)據(jù)服務(wù)的翻譯和記錄。

 

（2）開(kāi)放架構(gòu)的生態(tài)環(huán)境云平臺(tái)建設(shè)。構(gòu)建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺(tái)就是要將多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)地整合。一是加大感知系統(tǒng)建設(shè)。要以改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為核心，以現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，增加監(jiān)測(cè)密度，引入物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、低空航測(cè)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域自動(dòng)監(jiān)測(cè)全覆蓋，構(gòu)建“天地一體化”遙感監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等智能監(jiān)測(cè)、監(jiān)控體系，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)流域區(qū)域內(nèi)發(fā)生違法行為，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、評(píng)估、管理和監(jiān)管提供進(jìn)一步的有效支持。二是建立完善大數(shù)據(jù)治理體系。加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)資源整體規(guī)劃，形成“標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、動(dòng)態(tài)更新、共享應(yīng)用”的信息資源目錄和平臺(tái)，提升大數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境云平臺(tái)建設(shè)、主題數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、大數(shù)據(jù)資源采集、大數(shù)據(jù)資源治理、大數(shù)據(jù)安全管理、大數(shù)據(jù)資源服務(wù)等數(shù)據(jù)的治理能力。

 

（3）基于大數(shù)據(jù)的精細(xì)化環(huán)境管理決策應(yīng)用。①生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)大數(shù)據(jù)形勢(shì)分析，建立生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)形勢(shì)分析關(guān)聯(lián)指數(shù)，將環(huán)境變化特征與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)比，識(shí)別影響環(huán)境質(zhì)量變化的主要原因。②生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警分析，通過(guò)對(duì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀和變化趨勢(shì)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，全面掌握環(huán)境質(zhì)量變化情況，建立監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，形成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。③生態(tài)環(huán)境事件舉報(bào)與輿情監(jiān)控分析，包括政府提供電子公共服務(wù)平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輿情采集分析技術(shù)和公眾環(huán)保移動(dòng)應(yīng)用，讓輿情監(jiān)控由被動(dòng)變主動(dòng)。④生態(tài)環(huán)保督察執(zhí)法智慧決策支撐。通過(guò)大數(shù)據(jù)感知等手段完善督察執(zhí)法管理手段，全面提高督察執(zhí)法工作效能，并將其應(yīng)用于企業(yè)關(guān)改搬遷、黑臭水體整治、入河/海排污口排查、農(nóng)業(yè)面源污染整治、非法碼頭專(zhuān)項(xiàng)整治、河道非法采砂整治等領(lǐng)域。

 

（4）基于大數(shù)據(jù)多樣性的科學(xué)結(jié)論驗(yàn)證。大數(shù)據(jù)作為新的信息技術(shù)，在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的未來(lái)研究中，應(yīng)進(jìn)一步理解和評(píng)估大數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并輔以傳統(tǒng)的科學(xué)數(shù)據(jù)收集方法，以獲得更詳細(xì)和有代表性的數(shù)據(jù)。另外，通過(guò)科學(xué)的傳統(tǒng)抽樣調(diào)查，可以收集更多目標(biāo)的詳細(xì)信息，并使收集的數(shù)據(jù)更具代表性。還可以使用另一個(gè)平臺(tái)提供的大數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試從一種類(lèi)型的大數(shù)據(jù)得出的結(jié)論的穩(wěn)健性。

 

（5）國(guó)際合作下的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用。建立國(guó)際資源環(huán)境數(shù)據(jù)知識(shí)共享平臺(tái)（全球資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)與知識(shí)庫(kù)建設(shè)），實(shí)現(xiàn)我國(guó)與其他國(guó)家在水資源、氣候變化、能源清潔利用、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境金融等方面的數(shù)據(jù)和知識(shí)共享，加強(qiáng)我國(guó)與其他國(guó)家在環(huán)境數(shù)據(jù)領(lǐng)域的合作與交流，共同應(yīng)對(duì)全球性資源環(huán)境問(wèn)題。

 

總之，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)必將在我國(guó)推進(jìn)環(huán)境治理體系和環(huán)境治理能力現(xiàn)代化中發(fā)揮重要作用，應(yīng)切實(shí)提高我國(guó)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)水平。

 

文獻(xiàn)來(lái)源：蔣洪強(qiáng)，盧亞靈，周思,等.生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)環(huán)境管理,2019,11(6):11-15.

DOI：10.16868/j.cnki.1674-6252.2019.06.011

 

 

作者：蔣洪強(qiáng)1，盧亞靈1,3，周思1,2，楊勇1

單位：1 生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院國(guó)家環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

    2 荷蘭瓦赫寧根大學(xué)及研究中心

    3 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院