生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究與應用進展

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的大數(shù)據(jù)集、大數(shù)據(jù)技術和大數(shù)據(jù)應用的總稱。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)，闡述了國內外生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的“萌芽—探索—應用—戰(zhàn)略”的發(fā)展歷程及其在科學研究、商業(yè)應用和政府決策等領域的主要應用，總結了基于第四研究范式的生態(tài)信息學理論基礎和依托于信息技術和數(shù)據(jù)挖掘的技術方法，分析了當前形勢下我國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應用面臨的三大挑戰(zhàn)，提出了未來生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)五大熱點方向，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)必將在推進生態(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)代信息技術的發(fā)展，當今世界已經(jīng)進入由數(shù)據(jù)主導的“大時代”。2012年5月,聯(lián)合國發(fā)布大數(shù)據(jù)政務白皮書“Big Data for Development : Challenges & Opportunities”，標志著大數(shù)據(jù)領域的研究已提升為世界戰(zhàn)略。2013年7月習近平總書記在中國科學院考察時指出，大數(shù)據(jù)是工業(yè)社會的“自由”資源，誰掌握了數(shù)據(jù)，誰就掌握了主動權。2015年8月，國務院發(fā)布《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，大數(shù)據(jù)上升為我國國家戰(zhàn)略。與此同時，生態(tài)環(huán)境也進入大數(shù)據(jù)時代。習近平總書記指出，要推進全國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)共享，開展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)分析。李克強總理強調，要在環(huán)保等重點領域引入大數(shù)據(jù)監(jiān)管，主動查究違法違規(guī)行為。2016年3月，原環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設總體方案》，提出在未來五年內通過生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設和應用，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境綜合決策科學化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)管精準化、生態(tài)環(huán)境公共服務便民化。由于我國生態(tài)環(huán)境保護工作起步晚，在數(shù)據(jù)知識更新、數(shù)據(jù)挖掘分析、大數(shù)據(jù)共享機制與能力建設等方面還存在不足。

 

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)境領域的應用、積累，形成了生態(tài)環(huán)境相關的海量觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來源于與生態(tài)環(huán)境相關的不同部門和領域，來源多樣、結構各異。一般認為，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是為生態(tài)環(huán)保決策問題提供服務的大數(shù)據(jù)集、大數(shù)據(jù)技術和大數(shù)據(jù)應用的總稱。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）、形式種類繁多（Variety）、處理速度快（Velocity）、高價值性（Value）、真實性（Veracity）、易受攻擊性（Vulnerable），還更加復雜多變，具有高維、高復雜性、高不確定性的“三高”特性。

 

（1）高維。數(shù)據(jù)來源包含反映自然和社會現(xiàn)象之間的多維數(shù)據(jù)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)境、氣象、水利、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通、社會經(jīng)濟等不同部門，可以通過空氣質量、水環(huán)境質量、噪聲環(huán)境質量監(jiān)測設備來感知，還可以通過生物傳感器、化學傳感器、射頻識別技術（RFID）、衛(wèi)星遙感、視頻感知、光學傳感器、人工檢查等感知。通過全國“12369環(huán)保舉報聯(lián)網(wǎng)管理平臺”的電話、微信、微博等途徑，以及基于互聯(lián)網(wǎng)技術產(chǎn)生的搜索數(shù)據(jù)、社交媒體數(shù)據(jù)、在線新聞等產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境輿情大數(shù)據(jù)，包括半結構化和非結構化多維數(shù)據(jù)（文本、項目報告、照片、影像、聲音、視頻等）。

 

（2）高復雜性。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)內在的復雜性（包括類型的復雜、結構的復雜和模式的復雜）使得生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的感知、表達、理解和計算等多個環(huán)節(jié)面臨巨大的挑戰(zhàn)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)本身價值較低，只有通過大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)建模、結果導出與可視化等，才能將這種不完善、復雜、非結構化的數(shù)據(jù)轉化為有用的信息。生態(tài)環(huán)境領域的排放清單建立、環(huán)境質量模擬、最優(yōu)化減排方案制定等，如果借助大數(shù)據(jù)預處理技術、數(shù)據(jù)挖掘技術和云計算平臺等，速度和準確性會顯著提高。

 

（3）高不確定性。數(shù)據(jù)采集涉及高度不確定性，數(shù)據(jù)可能存在錯誤或不完整。生態(tài)環(huán)境相關的大數(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)來源于不同部門，部門之間缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)范；而且通過傳感器、智能手機或社交網(wǎng)絡等不同感知工具采集，即使來源于同一部門的數(shù)據(jù)格式也多樣化；加之目前各部門數(shù)據(jù)共享程度較低，同一指標數(shù)據(jù)存在不一致性。

 

發(fā)展歷程及應用

 

01

發(fā)展歷程

 

（1）1980年及以前的萌芽階段。1980年，未來學家托夫勒在《第三次浪潮》中首次提出“大數(shù)據(jù)”的概念，大數(shù)據(jù)時代正式到來。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，國際地球物理年（IGY）（1957—1958年）和國際生物學計劃（IBP）（1964—1974年)是現(xiàn)今生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究的雛形，當時被稱為“大科學研究”，目的是獲得較為可靠的大量觀測數(shù)據(jù)，以研究地球各圈層和生態(tài)環(huán)境問題。這些研究最后演變成如今以長期定位觀測為基礎的生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡，從而全面獲取有關生態(tài)環(huán)境的觀測數(shù)據(jù)。

 

（2）1980—2008年的探索研究階段。2008年，Nature、Science等學術刊物相繼出版?？接懘髷?shù)據(jù)議題，標志著大數(shù)據(jù)研究得到世界范圍內的關注和認可。在此之前，各國學者對大數(shù)據(jù)及大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領域的研究進行了探索。如Camara等開發(fā)了集成水質數(shù)據(jù)庫和污染數(shù)據(jù)庫，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題、污染負荷改變對海灣水環(huán)境的評價等決策問題。

 

（3）2009—2012年的應用研究階段。在此期間，大數(shù)據(jù)問題得到越來越廣泛的關注，一些商業(yè)公司也加入其中。麥肯錫公司發(fā)布關于“大數(shù)據(jù)”的報告，成為“大數(shù)據(jù)”較早的應用。生態(tài)環(huán)境領域的研究熱點包括區(qū)域大氣污染防治與污染物減排研究、環(huán)境污染治理及預報、全球氣候變化預測研究等。由清華大學、華南理工大學、田納西大學等聯(lián)合開發(fā)的大氣污染控制費效評估及空氣質量達標規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)“ABaCAS”，集成大氣污染控制費效及達標評估、大氣污染控制成本分析、空氣質量模擬可視化分析、空氣質量達標評估等技術，是這一時期的應用研究之一。

 

（4）2012年以來的戰(zhàn)略化發(fā)展階段。2012年以來，大數(shù)據(jù)應用問題得到各國政府的高度重視。2012年聯(lián)合國大數(shù)據(jù)政務白皮書的發(fā)布,標志著大數(shù)據(jù)領域的研究已提升為世界戰(zhàn)略。同年，美國政府啟動《大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計劃》，標志著美國大數(shù)據(jù)時代來臨。2015年國務院發(fā)布《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，大數(shù)據(jù)發(fā)展上升為我國國家戰(zhàn)略。2016年原環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設總體方案》，從政策層面對大數(shù)據(jù)應用于環(huán)境管理領域提出了要求。當前生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在科學研究、商業(yè)應用、政府決策支持等多個方面得到廣泛應用。

 

02

研究與應用

 

（1）科學研究方面。數(shù)據(jù)感知層面，如上所述的“大科學研究”催生了生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡的發(fā)展。目前國際上已經(jīng)建立多套全球性和國家/區(qū)域性的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，提供包括環(huán)境和生態(tài)變量的長期多維觀測數(shù)據(jù)。全球尺度的生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡主要包括國際長期生態(tài)研究計劃（ILTER）、全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（GEMS）、國際生物多樣性觀測網(wǎng)絡（GEO·BON）等。國家尺度的網(wǎng)絡包括美國的US-LTER生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡、英國的ECN生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡和日本長期生態(tài)研究網(wǎng)絡（JALTER）。這些觀測網(wǎng)絡采集了生態(tài)環(huán)境相關的大數(shù)據(jù)，能夠獲得數(shù)百萬次觀測結果。衛(wèi)星或飛機的遙感技術的發(fā)展使我們通過安裝在這些平臺上的遠程傳感器獲取大量生態(tài)數(shù)據(jù)。例如，美國宇航局（NASA）部署高光譜傳感器以捕獲有關葉面營養(yǎng)、樹冠結構和性狀的詳細信息。2015年6月，NASA聯(lián)合巨型計算機技術、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，發(fā)表了從1950年到2100年全世界的氣候變化預測數(shù)據(jù)。中國不同部門和單位陸續(xù)建立了一批生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，開展了不同區(qū)域的環(huán)境、資源、污染的調查與研究工作。如中國科學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,包括觀測數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)以及其他派生數(shù)據(jù)。

 

研究層面，近年來美國國家科學基金會（National Science Foundation, United States, NSF)投入大量人力、物力研究大數(shù)據(jù)科學計算應用，目前大數(shù)據(jù)技術被廣泛應用于生態(tài)系統(tǒng)研究的各領域。NSF最近公布了BIG DATA方案征集以利于信息共享。一些學科已經(jīng)開發(fā)了海量數(shù)據(jù)平臺并取得了相應的收益。近年來，我國自然科學基金委管理學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)境領域的管理應用研究。Li Lei等收集了2005年至2013年我國31個省（區(qū)、市）的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)包絡分析方法研究了經(jīng)濟、社會和生態(tài)因素對于我國林業(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、地質條件、采礦強度、生態(tài)環(huán)境恢復等在內的綜合評價指標體系，基于插值等對大數(shù)據(jù)方法進行了生態(tài)環(huán)境質量評估。

 

（2）商業(yè)應用方面。大數(shù)據(jù)正在從科學研究層面走向商業(yè)應用。德克薩斯州立大學和戴爾公司聯(lián)合研發(fā)的巨型計算機Stampede，性能良好且應用廣泛，美國南加州地震中心利用該巨型計算機進行加州破壞性地震的頻率預測；德州大學奧斯汀分校也應用Stampede通過詳細的數(shù)據(jù)建模，分析從南極洲到海洋的冰川流動。在生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的建設方面，惠普、谷歌、微軟等美國企業(yè)正在提供最先進的存儲設備和搜索等服務，幫助政府和研究機構對環(huán)境現(xiàn)狀及未來趨勢作出判斷。

 

2012年，惠普公司聯(lián)合環(huán)保組織——“保護國際”（Conservation International）啟動惠普地球觀察（HP Earth Insights）項目，對全球生物多樣性和氣候數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)分析。在中國，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)得以進入商業(yè)應用的基礎是Apache基金會開發(fā)的Hadoop平臺。在Hadoop平臺基礎上，IBM公司與北京市政府聯(lián)合開發(fā)了“綠色地平線”大數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合當時的氣象衛(wèi)星和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合企業(yè)排放數(shù)據(jù)預測未來72小時的空氣質量。微軟在中國也已與海南、云南、武漢等多個地區(qū)進行交通、能源、環(huán)境等領域的合作，已經(jīng)發(fā)布了超過100個全球智慧城市案例。針對霧霾問題，微軟還推出了Urban Air系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)來監(jiān)測和預報空氣質量，該服務覆蓋了中國300多個城市。而京東智能城市研究院將利用大數(shù)據(jù)和人工智能進行空氣質量和水質預測作為重點研究的業(yè)務內容。

 

（3）政府決策方面。世界各國都將大數(shù)據(jù)技術研究應用的推進作為重大發(fā)展戰(zhàn)略。2012年3月，美國公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計劃”，以提高從海量和復雜的數(shù)據(jù)中獲取知識的能力。根據(jù)該計劃，美國國家科學基金會（NSF）、能源部（DOE）、地質勘探局（USGS）等6個聯(lián)邦部門和機構共同提高了海量數(shù)據(jù)應用所需的核心技術。美國環(huán)境保護署（EPA）建立了統(tǒng)一的中央數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，形成了排污設施登記數(shù)據(jù)庫。歐盟方面，過去幾年已對科學數(shù)據(jù)基礎設施投資了1億多歐元，并將數(shù)據(jù)信息化基礎設施作為Horizon 2020計劃的優(yōu)先領域之一。英國自然環(huán)境研究理事會（NERC）投資超過1300萬英鎊，計劃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“智慧國家平臺”（Smart Nation Platform），這是全球第一個全國范圍性質的智慧藍圖。在大數(shù)據(jù)技術的支持下，新加坡聯(lián)合其他受影響的國家開發(fā)了東南亞國家區(qū)域煙霾預警系統(tǒng)（AHMS）,為防治重污染天氣提供即時的政策建議。

 

我國已將生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)列為國家發(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)建設領導小組，全面推動落實黨中央、國務院關于大數(shù)據(jù)發(fā)展的新要求，同時啟動了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)和環(huán)保云建設項目。目前，生態(tài)環(huán)境部建立了涵蓋大氣、水和土壤等領域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)并逐步加大監(jiān)測密度,其中大氣環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡包括1436個城市監(jiān)測點位，水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)包括1000個降水監(jiān)測點位、1940個地表水水質斷面（點位），906個集中式飲用水水源監(jiān)測斷面（點位），1649個海水環(huán)境質量國控監(jiān)測點位，還包括2583個生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測點位，約80000個城市聲環(huán)境監(jiān)測點位，1410個環(huán)境電離輻射監(jiān)測點位和44個環(huán)境電磁輻射監(jiān)測點位。當前的環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法，使用視頻監(jiān)控、無人機的紅外相機等設備，借助數(shù)據(jù)實時高速傳輸技術，建設了有效的監(jiān)管系統(tǒng)。福建、內蒙古、山東等地啟動了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設工程。

 

理論基礎及技術方法

 

01

理論基礎

 

科學研究的前兩個范式是實驗和理論，計算和模擬為科學研究的第三范式，數(shù)據(jù)密集型科學是前三種科學方法之后的第四種科學類型，被稱為第四范式。第四范式中科學家已不根據(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)方面帶來了挑戰(zhàn)。新的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)及其大數(shù)據(jù)的應用正在慢慢將環(huán)境生態(tài)學引入大科學研究領域，進而催生了生態(tài)信息學，奠定了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的理論基礎。生態(tài)信息科學是一門以利用現(xiàn)代計算技術（如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等）進行生態(tài)學分析、綜合和預測為重點，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。生態(tài)信息學為數(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，使科學家能夠通過創(chuàng)新工具和方法產(chǎn)生新知識，同時管理和應用環(huán)境與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。

 

02

技術方法

 

生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應用需要突破多項技術難點，包括智能感知、分布式集群、云計算、機器學習、專業(yè)化模型等相關的工具、技術和方法在生態(tài)環(huán)境領域的應用。例如，使用Hadoop的分布式文件系統(tǒng)（HDFS）和分布式數(shù)據(jù)庫（MapReduce）對生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)進行批量處理；利用決策樹、貝葉斯、回歸模型、關聯(lián)規(guī)則、認知算法、機器學習等各種模型和算法對海量數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析和深度挖掘，通過各種數(shù)據(jù)產(chǎn)生有價值的信息。

 

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)建設的前提。以現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡（空氣和水環(huán)境質量監(jiān)測）為基礎，引入物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、低空航測（視頻監(jiān)控、無人機的紅外攝影）等技術，構建“天地一體化”遙感監(jiān)測、視頻監(jiān)控等智能監(jiān)測體系。

 

建立多源異構大數(shù)據(jù)集成與存儲系統(tǒng)，是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設的基礎。以生態(tài)空間數(shù)據(jù)與生態(tài)環(huán)境業(yè)務數(shù)據(jù)為中心，針對非結構化大數(shù)據(jù)的多樣性及結構化數(shù)據(jù)的異構異源特性，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)空間和時間融合，解決生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的高效存儲與清洗問題。

 

建立多維時空生態(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)應用的核心。建立集實時監(jiān)控數(shù)據(jù)形勢診斷、預警預報和會商決策等于一體的生態(tài)環(huán)境預警會商體系，建立“督察、執(zhí)法、應急指揮”一體化的督察執(zhí)法監(jiān)管系統(tǒng)，構建基于“一張圖”的全景指揮平臺，是當前生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的主要應用場景。

 

03

研究的關鍵環(huán)節(jié)

 

有效開展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究應用需要解決以下關鍵問題：

 

（1）確定研究的主體和目標。由于大數(shù)據(jù)本身的復雜性以及數(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，還可以是多學科交叉的過程，因此必須確定要研究的主體和目標。

 

（2）明確研究的時空尺度。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的不同研究領域有不同的尺度。例如，生態(tài)學家以年甚至萬年為單位，關注物種在不同時間空間的演變；而氣象學家則以分鐘、小時、天來衡量天氣變化情況。不同尺度使得本就復雜的數(shù)據(jù)更冗雜。所以，研究的尺度應該在一開始就規(guī)定好，在簡化工作量的同時加強大數(shù)據(jù)分析結果的應用。

 

（3）建立科學的標準規(guī)范。目前的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)，國內外普遍缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與存儲標準規(guī)范體系，妨礙了數(shù)據(jù)的交換與共享。因此要構建科學、完善的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)標準規(guī)范體系，為我國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的科學發(fā)展提供標準化支撐，為推進生態(tài)環(huán)境領域的發(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間差距。②整合遙感平臺數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)在時空尺度上通常沒有太大差距，但是這種途徑仍受測量手段和變量的制約。③獲取觀測站或實地實驗。該途徑通常需要復雜且昂貴的儀器。④從頭啟動跨越大陸尺度的觀測計劃。該途徑需要一開始就設計專有模型，并使用標準化方法?，F(xiàn)階段，隨著生態(tài)環(huán)境監(jiān)管需求導向明顯，僅依托現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡和設備還難以真正地實現(xiàn)“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策”的目標，無法為問題分析預警、督察執(zhí)法、全景指揮提供有力支撐，成為制約生態(tài)環(huán)境部門進一步提升大數(shù)據(jù)智慧監(jiān)管能力的主要問題。此外，從社交媒體獲取的生態(tài)環(huán)境相關大數(shù)據(jù)從商業(yè)用途轉用于科學用途時也導致了信息不完整等問題，限制了這些數(shù)據(jù)的進一步應用。

 

（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。不同部門之間不愿意共享數(shù)據(jù)是管理上的瓶頸。同時，生態(tài)環(huán)境是典型的跨行業(yè)多類型的大數(shù)據(jù)綜合應用業(yè)務領域，不同來源的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的標準不規(guī)范，導致數(shù)據(jù)對話成本很高，數(shù)據(jù)質量難有說服力。尤其是商業(yè)大數(shù)據(jù)供應商，往往過于追求商業(yè)利潤，在收集數(shù)據(jù)時通常不采用科學的抽樣方法，基于這些大數(shù)據(jù)的研究得出的結論可能與研究中聲稱的目標不匹配。

 

（3）數(shù)據(jù)應用的局限性。部分研究人員傾向于通盤接受大數(shù)據(jù)，沒有對數(shù)據(jù)的真實性、可靠性進行審查和深入分析，容易出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，對決策管理形成負面影響。大數(shù)據(jù)技術在環(huán)境與經(jīng)濟綜合分析、環(huán)境污染監(jiān)督執(zhí)法與應急、生態(tài)環(huán)境評估、生態(tài)系統(tǒng)管理及全球氣候變化預測等方面已經(jīng)得到了初步的應用，但目前并沒有形成成熟的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈，對生態(tài)環(huán)境管理的精準化決策支撐還需加強。我國還缺乏生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)和環(huán)境管理兼通的復合型人才，現(xiàn)有環(huán)境管理人員知識結構需要更新。

 

熱點發(fā)展方向

 

（1）生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)共享融合研究。沒有任何一個人或機構可以同時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、標準和代碼的開放性，包括更快地采用新技術和工具方法，開放數(shù)據(jù)來源和共享解決方案，構建網(wǎng)絡基礎架構，改進數(shù)據(jù)和共享工作流程，以及增強大數(shù)據(jù)服務的翻譯和記錄。

 

（2）開放架構的生態(tài)環(huán)境云平臺建設。構建生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺就是要將多源異構的數(shù)據(jù)進行有機地整合。一是加大感知系統(tǒng)建設。要以改善生態(tài)環(huán)境質量為核心，以現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡為基礎，擴大監(jiān)測范圍，增加監(jiān)測密度，引入物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感、低空航測等技術，實現(xiàn)重點領域自動監(jiān)測全覆蓋，構建“天地一體化”遙感監(jiān)測、視頻監(jiān)控等智能監(jiān)測、監(jiān)控體系，能夠及時發(fā)現(xiàn)流域區(qū)域內發(fā)生違法行為，為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、評估、管理和監(jiān)管提供進一步的有效支持。二是建立完善大數(shù)據(jù)治理體系。加強對數(shù)據(jù)資源整體規(guī)劃，形成“標準統(tǒng)一、動態(tài)更新、共享應用”的信息資源目錄和平臺，提升大數(shù)據(jù)資源規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境云平臺建設、主題數(shù)據(jù)庫建設、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)資源服務等數(shù)據(jù)的治理能力。

 

（3）基于大數(shù)據(jù)的精細化環(huán)境管理決策應用。①生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會大數(shù)據(jù)形勢分析，建立生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟社會形勢分析關聯(lián)指數(shù)，將環(huán)境變化特征與經(jīng)濟社會發(fā)展情況進行關聯(lián)對比，識別影響環(huán)境質量變化的主要原因。②生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測預警分析，通過對環(huán)境質量現(xiàn)狀和變化趨勢進行綜合統(tǒng)計分析，全面掌握環(huán)境質量變化情況，建立監(jiān)測預警標準和監(jiān)測預警系統(tǒng)，形成生態(tài)環(huán)境質量監(jiān)測預警體系。③生態(tài)環(huán)境事件舉報與輿情監(jiān)控分析，包括政府提供電子公共服務平臺、互聯(lián)網(wǎng)服務平臺。通過網(wǎng)絡輿情采集分析技術和公眾環(huán)保移動應用，讓輿情監(jiān)控由被動變主動。④生態(tài)環(huán)保督察執(zhí)法智慧決策支撐。通過大數(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，并將其應用于企業(yè)關改搬遷、黑臭水體整治、入河/海排污口排查、農(nóng)業(yè)面源污染整治、非法碼頭專項整治、河道非法采砂整治等領域。

 

（4）基于大數(shù)據(jù)多樣性的科學結論驗證。大數(shù)據(jù)作為新的信息技術，在生態(tài)環(huán)境領域的未來研究中，應進一步理解和評估大數(shù)據(jù)的質量，并輔以傳統(tǒng)的科學數(shù)據(jù)收集方法，以獲得更詳細和有代表性的數(shù)據(jù)。另外，通過科學的傳統(tǒng)抽樣調查，可以收集更多目標的詳細信息，并使收集的數(shù)據(jù)更具代表性。還可以使用另一個平臺提供的大數(shù)據(jù)來測試從一種類型的大數(shù)據(jù)得出的結論的穩(wěn)健性。

 

（5）國際合作下的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)應用。建立國際資源環(huán)境數(shù)據(jù)知識共享平臺（全球資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫與知識庫建設），實現(xiàn)我國與其他國家在水資源、氣候變化、能源清潔利用、環(huán)境保護、環(huán)境金融等方面的數(shù)據(jù)和知識共享，加強我國與其他國家在環(huán)境數(shù)據(jù)領域的合作與交流，共同應對全球性資源環(huán)境問題。

 

總之，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)必將在我國推進環(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，應切實提高我國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設水平。

 

文獻來源：蔣洪強，盧亞靈，周思,等.生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究與應用進展[J].中國環(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)劃院國家環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室

    2 荷蘭瓦赫寧根大學及研究中心

    3 天津大學環(huán)境科學與工程學院