汪自書(shū)*，胡 迪

（1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.北京清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100084）

當(dāng)前，我國(guó)正處于環(huán)境質(zhì)量改善的關(guān)鍵時(shí)期，區(qū)域性大氣污染、流域性水污染和累積性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)仍普遍存在，跨區(qū)域、跨部門(mén)和多要素的復(fù)合型環(huán)境污染問(wèn)題日漸凸顯[1]，傳統(tǒng)的環(huán)境管理決策手段難以滿足新時(shí)期環(huán)境保護(hù)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和系統(tǒng)性要求[2]。同時(shí)，新時(shí)代我國(guó)環(huán)境保護(hù)要求發(fā)生了根本變化，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)美好生態(tài)環(huán)境的需要[3-4]，環(huán)境管理手段和決策體系必須進(jìn)一步強(qiáng)化以環(huán)境質(zhì)量改善為核心，著力解決最突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。大數(shù)據(jù)技術(shù)是目前全球最熱門(mén)的領(lǐng)域之一，被廣泛應(yīng)用于科研教學(xué)、環(huán)境保護(hù)、工程技術(shù)、國(guó)土安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域[5-6]，推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略。環(huán)境大數(shù)據(jù)是提高我國(guó)環(huán)境管理信息化水平的重要手段[2]，將在中國(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。

環(huán)境大數(shù)據(jù)將成為環(huán)境管理的重要基礎(chǔ)平臺(tái)，依托環(huán)境大數(shù)據(jù)的綜合決策和管理技術(shù)，可有效提高環(huán)境管理和決策水平，促進(jìn)跨區(qū)域、跨部門(mén)、多介質(zhì)協(xié)同的環(huán)境綜合治理。本文系統(tǒng)回顧了我國(guó)環(huán)境管理的發(fā)展歷程和新時(shí)代環(huán)境管理的新需求，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展，分析了我國(guó)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)境管理和決策領(lǐng)域的應(yīng)用與需求，提出了環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用前景和展望，以期推動(dòng)我國(guó)環(huán)境管理領(lǐng)域大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)工作，為相關(guān)研究工作提供基礎(chǔ)支撐。

1 我國(guó)環(huán)境管理歷程回顧與演變

1.1 我國(guó)環(huán)境管理歷程回顧

中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)環(huán)境管理歷程大致可以分為五個(gè)階段：探索階段（1949—1978年）、起步階段（1979—1991年）、發(fā)展階段（1992—2002年）、深化階段（2003—2012年）和綜合改革階段（2013年至今）。

我國(guó)環(huán)境管理歷程及主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)環(huán)境管理歷程及主要特點(diǎn)

1.1.1 探索階段（1949—1978年）

中華人民共和國(guó)成立初期，環(huán)境污染和生態(tài)惡化主要表現(xiàn)為局部個(gè)別現(xiàn)象。因此，1972年之前我國(guó)并未制定和實(shí)施系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)政策。1973年第一次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議審議通過(guò)了《關(guān)于保護(hù)和改善環(huán)境的若干規(guī)定》，環(huán)境保護(hù)的重要性逐漸得到認(rèn)識(shí)?？傮w而言，這一階段污染治理水平和績(jī)效不高，環(huán)保手段未得到很好的貫徹。大中型項(xiàng)目“三同時(shí)”執(zhí)行率1976年僅為18%，1977—1979年均在40 %左右[3]。第一批限期治理項(xiàng)目管理比較松懈，大部分項(xiàng)目在限期內(nèi)沒(méi)能完成治理目標(biāo)。直到1985年，除少數(shù)項(xiàng)目被撤銷外，才完成大部分治理任務(wù)[7]。

1.1.2 起步階段（1979—1991年）

1979年9月13日，《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法（試行）》頒布，標(biāo)志著我國(guó)環(huán)境保護(hù)開(kāi)始納入法制軌道，隨后頒布施行了一系列環(huán)保法律法規(guī)，包括《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國(guó)水污染防治法》《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》和《征收排污費(fèi)暫行辦法》等，我國(guó)環(huán)境保護(hù)法律體系基本形成。1983年第二次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議明確指出，環(huán)境保護(hù)是一項(xiàng)基本國(guó)策，肯定了環(huán)境保護(hù)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要地位。此后環(huán)境保護(hù)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容被寫(xiě)入歷年《政府工作報(bào)告》中，并正式納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃。1989年，第三次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議在環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度、“三同時(shí)”制度和征收排污費(fèi)制度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出城市環(huán)境綜合整治定量考核制度、環(huán)境目標(biāo)責(zé)任制、排污許可證制度、限期治理制度和集中控制制度，形成了我國(guó)環(huán)境管理的“八項(xiàng)制度”，作為我國(guó)環(huán)境管理體系的主體結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了重要作用。

1.1.3 發(fā)展階段（1992—2002年）

1992年以來(lái)，我國(guó)逐步形成了強(qiáng)調(diào)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)同步、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。這一階段，我國(guó)先后制定了《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》等5部新法律，修改了《大氣污染防治法》等3部法律，國(guó)務(wù)院制定或修改了20多項(xiàng)環(huán)境法規(guī)[8]。1992年開(kāi)始，水污染物排放許可證發(fā)放工作在全國(guó)全面鋪開(kāi)，同時(shí)開(kāi)展了大氣排污交易政策試點(diǎn)工作。1996年，第四次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議提出保護(hù)環(huán)境是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵，確定實(shí)施《污染物排放總量控制計(jì)劃》和《跨世紀(jì)綠色工程規(guī)劃》兩大舉措。同年，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)若干問(wèn)題的決定》，提出“一控雙達(dá)標(biāo)”要求，即污染總量控制、環(huán)境功能區(qū)達(dá)標(biāo)、工業(yè)污染源排放污染物達(dá)標(biāo)，自此，污染物排放總量控制成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重大指標(biāo)體系和定期公布的制度[9]。1998年，國(guó)務(wù)院頒布了《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》，確立了我國(guó)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度。2002年，第五次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議提出環(huán)境保護(hù)是政府的一項(xiàng)重要職能，要貫徹落實(shí)《國(guó)家環(huán)境保護(hù)“十五”計(jì)劃》，探索區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量考核和生態(tài)保護(hù)與建設(shè)審計(jì)制度、生態(tài)破壞限期恢復(fù)治理制度和生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償機(jī)制。

1.1.4 深化階段（2003—2012年）

2003年10月，中共十六屆三中全會(huì)通過(guò)《中共中央關(guān)于完善社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制若干問(wèn)題的決定》，提出了“五個(gè)統(tǒng)籌”和堅(jiān)持以人為本，樹(shù)立全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的發(fā)展觀，標(biāo)志著環(huán)境保護(hù)進(jìn)入深化發(fā)展階段。2003年，《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》正式施行，將原來(lái)只針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行的環(huán)境影響評(píng)價(jià)擴(kuò)大到對(duì)發(fā)展規(guī)劃等戰(zhàn)略性活動(dòng)進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)。同年，國(guó)家環(huán)保總局要求建立循環(huán)型企業(yè)，開(kāi)展物質(zhì)循環(huán)利用，支持重點(diǎn)行業(yè)中小企業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)。2004年，國(guó)家環(huán)?？偩峙c國(guó)家統(tǒng)計(jì)局聯(lián)合啟動(dòng)綠色GDP研究工作，并在全國(guó)10個(gè)試點(diǎn)省市進(jìn)行了綠色國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算與環(huán)境污染損失調(diào)查。2005年12月，國(guó)務(wù)院先后發(fā)布了《促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整暫行規(guī)定》和《關(guān)于落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的決定》，首次提出在一定的地區(qū)堅(jiān)持環(huán)境優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先，實(shí)行優(yōu)化開(kāi)發(fā)、限制開(kāi)發(fā)和禁止開(kāi)發(fā)，并要求嚴(yán)格控制污染物排放總量，做到增產(chǎn)不增污。2006年，第六次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議提出要把環(huán)境保護(hù)擺在更加重要的戰(zhàn)略位置，落實(shí)環(huán)境影響評(píng)價(jià)、污染物排放總量控制和環(huán)境目標(biāo)責(zé)任制。2011年，第七次全國(guó)環(huán)境保護(hù)會(huì)議提出要堅(jiān)持在發(fā)展中保護(hù)、在保護(hù)中發(fā)展，進(jìn)一步完善項(xiàng)目環(huán)評(píng)、規(guī)劃環(huán)評(píng)、區(qū)域限批等措施，健全環(huán)境保護(hù)綜合決策機(jī)制，探索環(huán)境保護(hù)稅、生態(tài)補(bǔ)償、環(huán)境損害賠償?shù)葯C(jī)制。

1.1.5 綜合改革階段（2013年至今）

黨的十八大提出，要將生態(tài)文明建設(shè)納入中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)“五位一體”總體布局，建設(shè)美麗中國(guó)，實(shí)現(xiàn)中華民族的永續(xù)發(fā)展，這標(biāo)志著環(huán)境保護(hù)被提上了新的高度，隨之出臺(tái)了大量新的環(huán)境管理政策要求。2014年4月24日，十二屆全國(guó)人大常委會(huì)第八次會(huì)議修訂了《中華人民共產(chǎn)國(guó)環(huán)境護(hù)保法》（以下簡(jiǎn)稱“新《環(huán)保法》”），該法于2015年1月1日起正式施行。2015年，《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》修訂，將排放總量控制和排污許可的范圍擴(kuò)展到全國(guó)，明確分配總量指標(biāo)，對(duì)超總量和未完成達(dá)標(biāo)任務(wù)的地區(qū)實(shí)行區(qū)域限批，建立重點(diǎn)區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制。2015年，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見(jiàn)》和《生態(tài)文明體制改革總體方案》，首次提出“綠色化”概念，系統(tǒng)、全面地闡述了我國(guó)生態(tài)文明體制改革總體要求、理念和原則[10]。這一階段，《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》相繼出臺(tái)，明確提出空氣質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量的改善目標(biāo)和分類管控措施。2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《控制污染物排放許可制實(shí)施方案》，提出為推動(dòng)環(huán)境治理基礎(chǔ)制度改革、改善環(huán)境質(zhì)量，要將排污許可制建設(shè)成為固定污染源環(huán)境管理的核心制度。

1.2 我國(guó)環(huán)境管理需求變化

在60多年的發(fā)展歷程中，我國(guó)環(huán)境管理體系實(shí)現(xiàn)了從單一到完備、從定性到定量、從抽象到具體的轉(zhuǎn)變，具有明顯的階段性特征。然而，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)社會(huì)的主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾，人民對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需要日益增長(zhǎng)。同時(shí)，黨的十八大以來(lái)提出將建設(shè)生態(tài)文明、促進(jìn)綠色發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量作為國(guó)家頂層設(shè)計(jì)和要求；黨的十九大確定了新時(shí)代“兩步走”戰(zhàn)略，提出到2035年實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量根本好轉(zhuǎn)，美麗中國(guó)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，也對(duì)我國(guó)的環(huán)境管理提出了更高的要求。因此，我國(guó)現(xiàn)階段的環(huán)境管理已全面轉(zhuǎn)向以環(huán)境質(zhì)量改善為核心，強(qiáng)化源頭預(yù)防和過(guò)程管控，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨行業(yè)、多部門(mén)、多要素的協(xié)同管控要求。

1.2.1 從末端治理走向源頭防控

20世紀(jì)七八十年代，我國(guó)針對(duì)污染源通常采取事后監(jiān)督罰款的辦法，由于罰款金額不當(dāng)?shù)仍?，一些企業(yè)寧愿承受罰單也不愿治理污染。1980年《關(guān)于基建項(xiàng)目、技措項(xiàng)目要嚴(yán)格執(zhí)行“三同時(shí)”的通知》的發(fā)布標(biāo)志著我國(guó)環(huán)境管理向事前控制轉(zhuǎn)變。1999年《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》頒布施行，這樣工程項(xiàng)目在立項(xiàng)、選址的時(shí)候就能評(píng)估出對(duì)環(huán)境的影響，進(jìn)而控制新污染源的出現(xiàn)，優(yōu)化環(huán)境工程和項(xiàng)目。但以上的環(huán)境政策都僅僅局限于某一流程或某一領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程中缺乏系統(tǒng)、整體的環(huán)境管控理論。2003年《中華人民共和國(guó)清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》的頒布施行，宣告我國(guó)環(huán)境管理進(jìn)入全過(guò)程控制的新時(shí)期[11]。

1.2.2 從點(diǎn)源治理到區(qū)域流域聯(lián)防聯(lián)控

我國(guó)最初實(shí)行的“誰(shuí)污染、誰(shuí)治理”著力于點(diǎn)源控制與濃度控制。“九五”期間，全國(guó)普遍加強(qiáng)污染治理，開(kāi)始展開(kāi)大規(guī)模的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。1996—2005年，我國(guó)實(shí)施《跨世紀(jì)綠色工程規(guī)劃》，重點(diǎn)是“三河”、“三湖”，“兩區(qū)”（SO2污染控制區(qū)和酸雨控制區(qū)）、“一市”（北京），“一?！保ú澈＃约叭龒{庫(kù)區(qū)及其上游、南水北調(diào)工程地區(qū)等。在這些重點(diǎn)流域和區(qū)域，多渠道爭(zhēng)取資金（如世界銀行、亞洲開(kāi)發(fā)銀行、日本國(guó)際協(xié)力銀行、歐洲一些國(guó)家的政府貸款、BOT以及國(guó)內(nèi)資金等），采取綜合性措施，加大治理力度。包括實(shí)施總量管控制度、排污收費(fèi)制度和“以氣代煤、以電代煤”的能源政策，推動(dòng)企業(yè)達(dá)標(biāo)排放和加快城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，努力使重點(diǎn)地區(qū)的環(huán)境惡化狀況有所改善[12]。

1.2.3 從局地性、單要素向區(qū)域性、多要素綜合管理

黨的十八大后環(huán)境管控在目標(biāo)設(shè)定上有一個(gè)重大轉(zhuǎn)變，即從過(guò)去總量控制的減排目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿纳骗h(huán)境質(zhì)量為核心，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，這是對(duì)環(huán)保工作從量變到質(zhì)變的要求。一方面，隨著公眾環(huán)境關(guān)心水平的不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)代環(huán)保主義已經(jīng)成為一種新的社會(huì)價(jià)值，讓環(huán)境治理成效與公眾真切感受更加貼近已經(jīng)成為新階段社會(huì)建設(shè)和環(huán)境治理的共同目標(biāo)。另一方面，近年來(lái)，區(qū)域復(fù)合型大氣污染、流域性水環(huán)境污染和累積性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)突出，加上城市與農(nóng)村、生產(chǎn)與生活、不同產(chǎn)業(yè)之間的污染交叉，共同決定了過(guò)去使用單個(gè)或主要污染物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制的方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前環(huán)境治理的要求[10]，我國(guó)環(huán)境污染治理與控制已經(jīng)從局地性、單要素控制向跨區(qū)域、多部門(mén)和多介質(zhì)控制轉(zhuǎn)變。跨區(qū)域、跨部門(mén)、多介質(zhì)的協(xié)同管理已經(jīng)成為新時(shí)代環(huán)境管理的必然要求。

2 環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展

2.1 大數(shù)據(jù)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)

大數(shù)據(jù)一般是指無(wú)法在可容忍的時(shí)間內(nèi)用傳統(tǒng)IT技術(shù)和軟硬件工具對(duì)其進(jìn)行感知、獲取、管理、處理和服務(wù)的數(shù)據(jù)集合，其具有規(guī)模大、種類多、處理速度快等特點(diǎn)[2]。大數(shù)據(jù)是當(dāng)今全球最熱門(mén)的研究領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)之一[13]，在科研教學(xué)、環(huán)境保護(hù)、工程技術(shù)、國(guó)土安全、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和創(chuàng)新。大數(shù)據(jù)是信息化發(fā)展的新階段，隨著信息技術(shù)和人類生產(chǎn)生活交匯融合，互聯(lián)網(wǎng)快速普及，全球數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)增長(zhǎng)、海量集聚的特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)治理、國(guó)家管理、人民生活都產(chǎn)生了重大影響[14]。

大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用流程主要包括數(shù)據(jù)采集挖掘、處理和管理、大數(shù)據(jù)分析等。①數(shù)據(jù)采集和挖掘，數(shù)據(jù)量大、來(lái)源多、種類復(fù)雜是大數(shù)據(jù)的重要特征之一，數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。目前常用的大數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括衛(wèi)星遙感、傳感器、射頻設(shè)別、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)平臺(tái)等，基于3S、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘和采集。②數(shù)據(jù)處理和管理，主要是完成對(duì)已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、清洗去噪和校核處理，一般通過(guò)聚類或關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的校核驗(yàn)證，將無(wú)用或錯(cuò)誤的離群數(shù)據(jù)過(guò)濾掉；構(gòu)建并行、高效的大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如分布式文件系統(tǒng)GFS、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)BigTable，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、檢索、調(diào)用和互聯(lián)共享。③大數(shù)據(jù)分析是大數(shù)據(jù)處理流程最核心的部分，一般包括機(jī)器學(xué)習(xí)、智能算法、統(tǒng)計(jì)分析和系統(tǒng)建模等。云計(jì)算成為當(dāng)前大數(shù)據(jù)分析的最新技術(shù)和趨勢(shì)，以MapReduce、Hadoop等技術(shù)平臺(tái)為代表的云計(jì)算平臺(tái)成為大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)平臺(tái)[15]，推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入以分析即服務(wù)（AaaS）為主要標(biāo)志的Cloud 2.0時(shí)代。

典型大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其比較見(jiàn)表2。

2.2 大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)

世界各國(guó)都把推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用作為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略舉措。2012年3月，美國(guó)公布了“大數(shù)據(jù)研發(fā)計(jì)劃”，該計(jì)劃旨在提高和改進(jìn)人們從海量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取知識(shí)的能力，進(jìn)而加速美國(guó)在科學(xué)與工程領(lǐng)域發(fā)明的步伐，增強(qiáng)國(guó)家安全。根據(jù)該計(jì)劃，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）、國(guó)防部（DOD）、能源部（DOE）、國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、地質(zhì)勘探局（USGS）6個(gè)聯(lián)邦部門(mén)和機(jī)構(gòu)共同提高收集、儲(chǔ)存、保留、管理、分析和共享海量數(shù)據(jù)所需的核心技術(shù)，提高大數(shù)據(jù)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用所需人才的供給。該計(jì)劃還強(qiáng)調(diào)，大數(shù)據(jù)技術(shù)事關(guān)美國(guó)國(guó)家安全、科學(xué)和研究的步伐，將引發(fā)教育和學(xué)習(xí)的變革。歐盟方面也有類似的舉措。過(guò)去幾年歐盟已對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施投資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。截至2012年1月的預(yù)算為5 000萬(wàn)歐元的FP7Call 8專門(mén)征集針對(duì)大數(shù)據(jù)的研究項(xiàng)目，仍以基礎(chǔ)設(shè)施為先導(dǎo)?？v觀國(guó)際形勢(shì)，對(duì)大數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用已引起各國(guó)政府的高度重視，并已成為重要的戰(zhàn)略布局方向。

表2 典型大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其比較[6]

大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起推動(dòng)了新興產(chǎn)業(yè)誕生，產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求與關(guān)注點(diǎn)發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，眾多企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)。運(yùn)用大數(shù)據(jù)及其處理技術(shù)，生物制藥、新材料研制生產(chǎn)的流程會(huì)發(fā)生革命性的變化，可以通過(guò)數(shù)據(jù)處理能力極高的計(jì)算機(jī)并行處理，同時(shí)進(jìn)行大批量的仿真比較和篩選，大大提高科研和生產(chǎn)效率，甚至使整個(gè)行業(yè)邁入數(shù)字化與信息化的新階段。大數(shù)據(jù)已成為與礦物和化學(xué)元素一樣的原始材料，未來(lái)可能形成數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)探礦、數(shù)據(jù)化學(xué)、數(shù)據(jù)材料、數(shù)據(jù)制藥等一系列戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)[14]。

推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)重要的國(guó)家戰(zhàn)略。2017年12月8日，中共中央政治局就實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略進(jìn)行第二次集體學(xué)習(xí)。中共中央總書(shū)記習(xí)近平在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要推動(dòng)實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快完善數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源整合和開(kāi)放共享，保障數(shù)據(jù)安全，加快建設(shè)數(shù)字中國(guó)，更好服務(wù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活改善。

2.3 環(huán)境大數(shù)據(jù)及應(yīng)用進(jìn)展

大數(shù)據(jù)作為新的技術(shù)手段，可極大地提高管理效率，帶來(lái)環(huán)境管理和環(huán)境決策的重大變革。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠?qū)Νh(huán)境管理中看似相互之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)的信息、碎片化的信息，反映問(wèn)題某個(gè)方面表面現(xiàn)象的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，從中發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)、找準(zhǔn)問(wèn)題、把握規(guī)律，實(shí)現(xiàn)“用數(shù)據(jù)說(shuō)話，用數(shù)據(jù)管理，用數(shù)據(jù)決策”，環(huán)境管理從粗放型向精細(xì)化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)應(yīng)對(duì)向主動(dòng)預(yù)見(jiàn)轉(zhuǎn)變，從經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)判斷向大數(shù)據(jù)科學(xué)決策轉(zhuǎn)變[15]。

2012年以來(lái)，英國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼發(fā)布大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略，環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)和應(yīng)用也進(jìn)入快車道。英國(guó)自然環(huán)境研究理事會(huì)（NERC）已投資超過(guò)1 300萬(wàn)英鎊支持環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及應(yīng)用研究，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高性能計(jì)算、氣候變化與環(huán)境模擬、云計(jì)算和環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等；計(jì)劃到2020年將建立環(huán)境數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心，進(jìn)一步促進(jìn)大數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題、創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等戰(zhàn)略決策的支持。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）通過(guò)推動(dòng)建立數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、整合并共享數(shù)據(jù)，建立設(shè)施登記系統(tǒng)（facility registry system，F(xiàn)RS），形成排污設(shè)施登記數(shù)據(jù)庫(kù)，建立統(tǒng)一的中央數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)（central data exchange，CDX），使EPA各部門(mén)、州政府環(huán)保部門(mén)、部落或環(huán)保團(tuán)體、企業(yè)能夠快速傳輸、交換環(huán)境數(shù)據(jù)，并整合了不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)形成環(huán)境數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)（enviro facts），包括大氣環(huán)境質(zhì)量、有害固體廢棄物、超級(jí)基金場(chǎng)地、有毒物質(zhì)排放清單、飲用水等大部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2016年，環(huán)保部發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》，積極開(kāi)展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)和應(yīng)用工作，部分科研院所和大中企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用，如環(huán)保部評(píng)估中心的環(huán)評(píng)管理平臺(tái)、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院研發(fā)的空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，都已經(jīng)具備環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)和應(yīng)用的雛形。整體上看，國(guó)內(nèi)環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍處于起步探索階段，多停留在環(huán)保部門(mén)本身和單一環(huán)境要素管理本身，難以發(fā)揮大數(shù)據(jù)系統(tǒng)本身大規(guī)模、多樣性、高速性和高價(jià)值的特點(diǎn)，也很難真正發(fā)揮環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境管理決策的支撐作用。

3 環(huán)境管理領(lǐng)域大數(shù)據(jù)應(yīng)用展望

3.1 環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用需求分析

環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用是順應(yīng)我國(guó)新時(shí)代環(huán)境管理決策的重要支撐和創(chuàng)新要求。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)環(huán)境管理決策受自然地理、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏的制約，傳統(tǒng)的環(huán)境系統(tǒng)分析與模擬工具高度依賴這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)催生了一種新的科研模式，即面對(duì)海量數(shù)據(jù)，科研人員只需從數(shù)據(jù)中直接查找或挖掘所需要的信息、知識(shí)和智慧，甚至無(wú)須直接接觸需研究的對(duì)象。環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)在全球氣候變化預(yù)測(cè)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬、區(qū)域大氣污染治理[16]和環(huán)境影響評(píng)價(jià)[17]、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理[18]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用是深化生態(tài)環(huán)境治理措施和提升環(huán)境管理水平的必然要求。環(huán)境大數(shù)據(jù)是提高我國(guó)環(huán)境管理信息化水平的重要手段，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[19]。未來(lái)20年我國(guó)仍將面臨突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，工、農(nóng)、城和水、氣、土等多部門(mén)、跨介質(zhì)污染問(wèn)題將日趨復(fù)雜，到2035年實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量全面達(dá)標(biāo)的壓力巨大，環(huán)境治理措施和環(huán)境管理與綜合決策亟需系統(tǒng)優(yōu)化和理論技術(shù)層面的全面創(chuàng)新。環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將集成空地一體化感知系統(tǒng)，構(gòu)建以大數(shù)據(jù)為核心的環(huán)境綜合決策系統(tǒng)，為深化環(huán)境治理措施和提升環(huán)境管理水平提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展是落實(shí)國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和支撐科技創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略需要。環(huán)境大數(shù)據(jù)及其應(yīng)用是國(guó)家推動(dòng)大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的重要組成部分，對(duì)于進(jìn)一步完善數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、推進(jìn)數(shù)據(jù)資源整合和開(kāi)放共享和建設(shè)數(shù)字中國(guó)具有重要意義，有利于提升我國(guó)環(huán)境治理水平，服務(wù)于美麗中國(guó)建設(shè)。另外，信息科學(xué)、環(huán)境系統(tǒng)與控制是國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)方向與領(lǐng)域，環(huán)境大數(shù)據(jù)與模擬平臺(tái)建設(shè)是信息科學(xué)和環(huán)境系統(tǒng)的交叉前沿學(xué)科，從而進(jìn)一步推動(dòng)環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.2 環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用前景展望

3.2.1 環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用展望

把大數(shù)據(jù)的核心理念和關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境領(lǐng)域，對(duì)海量環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、整合、存儲(chǔ)、分析與應(yīng)用等。當(dāng)今環(huán)境信息技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)聲學(xué)傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、RFID技術(shù)、衛(wèi)星遙感、視頻感知、光學(xué)傳感器、人工監(jiān)察等可感知和采集海量環(huán)境數(shù)據(jù)，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用于環(huán)保提供了基礎(chǔ)，而大數(shù)據(jù)技術(shù)又為解決當(dāng)前復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)了新的機(jī)遇[2]。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將感知到的環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境管理數(shù)據(jù)通過(guò)處理和集成，再運(yùn)用合適的數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行加工處理、校核檢驗(yàn)等，可以將環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)運(yùn)用到環(huán)境系統(tǒng)模擬、動(dòng)態(tài)評(píng)估和綜合決策系統(tǒng)中[20]。

環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用將推動(dòng)我國(guó)環(huán)境管理向綜合化、數(shù)字化、信息化和精細(xì)化轉(zhuǎn)變。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感觀測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式正在向自動(dòng)感知式系統(tǒng)階段轉(zhuǎn)變，環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)將通過(guò)多源海量數(shù)據(jù)的采集加工、存儲(chǔ)融合，共享交互和綜合應(yīng)用，構(gòu)建大區(qū)域、跨部門(mén)、多介質(zhì)的復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)的重要信息基礎(chǔ)。環(huán)境大數(shù)據(jù)作為新的技術(shù)手段和思維方式，可將海量、互相關(guān)聯(lián)的環(huán)境信息進(jìn)行有效鏈接，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)—污染排放和環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與適時(shí)反饋，使得環(huán)境管理逐漸向動(dòng)態(tài)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和精細(xì)化轉(zhuǎn)變。

3.2.2 環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要功能

數(shù)據(jù)采集與挖掘。構(gòu)建與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相匹配的數(shù)據(jù)信息采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)兩者的互聯(lián)互動(dòng)，將環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)上傳至大數(shù)據(jù)平臺(tái)。對(duì)系統(tǒng)采集的多介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工預(yù)處理和智能校核，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的空間匹配和網(wǎng)格化賦值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的銜接?；谟?jì)算機(jī)深度學(xué)習(xí)和智能評(píng)估技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)上傳的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估和反饋，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方案[21]?；诟咝阅苡?jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的并行批量處理和動(dòng)態(tài)更新，進(jìn)行大數(shù)據(jù)挖掘分析和數(shù)據(jù)展示。

數(shù)據(jù)處理與管理。基于多源數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，搜集處理研究區(qū)域不同空間尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的自然地理、氣象水文和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)、社會(huì)人口、資源利用、污染排放和環(huán)境質(zhì)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，比較分析不同來(lái)源口徑數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，將不同數(shù)據(jù)源、不同格式的多源數(shù)據(jù)加工處理為互相可對(duì)應(yīng)、可識(shí)別、可提取與利用的信息，并對(duì)不同類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配，建立環(huán)境基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。建立大數(shù)據(jù)系統(tǒng)高效的數(shù)據(jù)查詢和索引子系統(tǒng)，包括文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)處理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理的性能最優(yōu)化。依托數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，通過(guò)圖形化的配置界面實(shí)現(xiàn)分布的、異構(gòu)的、跨網(wǎng)絡(luò)的信息資源的交換共享，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合、全面的分析與監(jiān)管。

大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用，將進(jìn)一步深化大數(shù)據(jù)應(yīng)用和環(huán)境系統(tǒng)分析等領(lǐng)域科學(xué)研究，完善環(huán)境大數(shù)據(jù)與模擬平臺(tái)的理論基礎(chǔ)、方法體系和技術(shù)框架，對(duì)于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)區(qū)域發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系、模擬資源環(huán)境承載能力變化與預(yù)警、預(yù)測(cè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)等具有重要意義。當(dāng)前，環(huán)境大數(shù)據(jù)分析常見(jiàn)方法包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和云計(jì)算等，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境預(yù)測(cè)評(píng)估和管理決策中[16]。

環(huán)境管理決策與支撐。面向區(qū)域環(huán)境協(xié)同調(diào)控和綜合決策的需求，結(jié)合區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略、環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、政策制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、成本效益、技術(shù)進(jìn)步和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控等要求，在環(huán)境大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)分析和數(shù)值模型等工具，研究開(kāi)發(fā)多環(huán)境介質(zhì)綜合模擬和協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境多環(huán)境介質(zhì)協(xié)同調(diào)控和環(huán)境管理決策支撐等功能。

環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要功能如圖1所示。

3.3 環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)思考

多源環(huán)境大數(shù)據(jù)獲取、處理和安全問(wèn)題。其復(fù)雜性不僅體現(xiàn)為數(shù)據(jù)樣本本身，更體現(xiàn)在多源異構(gòu)、多實(shí)體和多空間之間的交互動(dòng)態(tài)性上，難以用傳統(tǒng)的方法描述與度量，處理的復(fù)雜度很大[22-23]，多源數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)清洗、驗(yàn)證后需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)銜接、融合和集成體系[24]。此外，由于大數(shù)據(jù)的來(lái)源復(fù)雜、信息量大，大數(shù)據(jù)的安全和隱私問(wèn)題也備受關(guān)注[15]。

圖1 環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)主要功能示意圖

環(huán)境大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和計(jì)算能力。大數(shù)據(jù)的來(lái)源與應(yīng)用廣泛，為了將不同時(shí)間序列、空間尺度和各種類型的數(shù)據(jù)收集起來(lái)統(tǒng)一整理，就必須搭建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)的集成與管理系統(tǒng)[15]。為達(dá)到低成本、低能耗、高可靠性目標(biāo)，通常要用到冗余配置、分布化和云計(jì)算技術(shù)，在存儲(chǔ)時(shí)要按照一定規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，同時(shí)加入便于日后檢索的標(biāo)簽[23-24]。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)高性能計(jì)算能力的需求不斷增加，云計(jì)算技術(shù)在一定程度上解決了普通用戶對(duì)高性能計(jì)算的需求，但由于資金投入不足和專業(yè)技術(shù)人員缺乏等影響，環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)及其應(yīng)用的普及和推廣仍然受到普遍的制約[22]。

4 結(jié)論

本文回顧了我國(guó)環(huán)境管理歷程變化和新時(shí)代要求，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外環(huán)境大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了我國(guó)環(huán)境管理領(lǐng)域環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景和展望。主要結(jié)論包括：

（1）我國(guó)環(huán)境管理經(jīng)歷了探索、起步、發(fā)展、深化和綜合改革五個(gè)階段，按照新時(shí)代改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的要求，環(huán)境管理向跨區(qū)域、跨部門(mén)和多介質(zhì)協(xié)同的綜合管理轉(zhuǎn)變。

（2）推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展是國(guó)家戰(zhàn)略，環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用將推動(dòng)我國(guó)環(huán)境管理改革和綜合決策水平的提升，有助于科學(xué)實(shí)施生態(tài)環(huán)境綜合治理工作。

（3）典型的環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與挖掘、數(shù)據(jù)處理與管理、大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、環(huán)境管理決策與支撐等功能，將環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用于環(huán)境綜合決策系統(tǒng)將有助于提升環(huán)境管理水平。