朱佳 李一川 寇曉嬌

摘要：在城市建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)體系總體架構(gòu)下，通過完善監(jiān)測(cè)指標(biāo)及增加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的手段，加強(qiáng)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等網(wǎng)格化環(huán)境質(zhì)量信息進(jìn)行全面、連續(xù)、有效記錄，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，有效應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)大數(shù)據(jù) ?環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò) ?軟硬件平臺(tái) ?數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：X83 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：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(shè)背景

十二五期間生態(tài)環(huán)境趨勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，生態(tài)文明城市建設(shè)取得重大進(jìn)展。如何向公眾宣傳城市優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境，具體、科學(xué)的反映出生態(tài)質(zhì)量水平，打造“長(zhǎng)壽”“宜居”的城市標(biāo)簽，尚需通過大數(shù)據(jù)手段對(duì)城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平做出定量評(píng)價(jià)和分析，加強(qiáng)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建穩(wěn)定的區(qū)域生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建城市生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，對(duì)城市環(huán)境進(jìn)行網(wǎng)格化監(jiān)管，有效應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導(dǎo)[1]。

2總體建設(shè)目標(biāo)

2.1建設(shè)目標(biāo)

在城市現(xiàn)有建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)下，通過完善監(jiān)測(cè)指標(biāo)，增加監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的手段，對(duì)大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等網(wǎng)格化環(huán)境質(zhì)量信息進(jìn)行全面、連續(xù)、有效記錄，構(gòu)建生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，作為生態(tài)環(huán)境改善的數(shù)據(jù)支撐[2]。

2.2建設(shè)原則

城市生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須遵守以下原則：

（1）不影響現(xiàn)有或其他相關(guān)信息系統(tǒng)的使用和信息安全;

（2）技術(shù)成熟、可靠，在節(jié)約成本投入的前提下確保平臺(tái)建設(shè)質(zhì)量;

（3）建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，便于系統(tǒng)的管理和維護(hù)，技術(shù)易于更新，網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)規(guī)?？芍鸩綌U(kuò)展;

（4） 統(tǒng)一規(guī)劃，分步實(shí)施。

3建設(shè)思路

3.1總體框架

城市生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)包括多源信息感知層、信息傳輸層、應(yīng)用支撐平臺(tái)以及應(yīng)用服務(wù)共享平臺(tái)等層次[3]，具體參見圖1。

在遵循生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)總體框架的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)建設(shè) “三大監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、一大平臺(tái)”的生態(tài)監(jiān)管大數(shù)據(jù)共享服務(wù)信息化平臺(tái)。

3.1.1 ?三大監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

即大氣環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、水環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和聲環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為管理者和決策者提供可靠、及時(shí)、全面的生態(tài)信息，從而為生態(tài)管理科學(xué)決策奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.1.2 ?一大平臺(tái)

針對(duì)空氣、水、噪聲等要素，基于環(huán)境空間信息和底層數(shù)據(jù)支撐，最終為客戶提供環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)共享、綜合分析和可視化展示。將涵蓋所有環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行環(huán)境“一張圖”專題展示。

3.2監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

3.2.1大氣環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

采用“網(wǎng)格化布點(diǎn)+多元數(shù)據(jù)融合+時(shí)空數(shù)據(jù)分析”的模式，以各社區(qū)或村莊為網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格各布設(shè)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用分布式的大氣污染物傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備，用以獲取實(shí)時(shí)、全面、高密度的大氣污染物濃度數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的篩查、校準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)分析和動(dòng)態(tài)圖繪制，實(shí)現(xiàn)大氣污染物濃度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析，追溯污染物擴(kuò)散趨勢(shì)，為環(huán)境執(zhí)法和決策提供直接依據(jù)[4]。

（1）布點(diǎn)基本原則。①布點(diǎn)高度要求：設(shè)備一般部署在距2離地面高度2～25m之間;②布點(diǎn)地區(qū)應(yīng)選擇要盡量空曠，不要在不宜采樣的角落里或者污染物排污口布點(diǎn);③補(bǔ)點(diǎn)地區(qū)要有穩(wěn)定的電源供應(yīng)，供電要接地，安裝時(shí)需要提供帶有接地的三線制220V電源，防止雷雨天遭雷擊。

（2）前端監(jiān)測(cè)設(shè)備。分布式空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀具有無線傳輸模塊，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回局大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理分析，數(shù)據(jù)誤差控制在10%以內(nèi)。設(shè)備成本低，體積小，安裝方便，耗電量小，無需大型機(jī)箱，無需復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施配套。后期運(yùn)維無需昂貴的耗材，不用投入大量人員精力。

監(jiān)測(cè)指標(biāo)及監(jiān)測(cè)方法詳見表1。

（3）云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。針對(duì)分布式監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)特點(diǎn)和分析需求，開發(fā)云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回局系統(tǒng)平臺(tái)的云數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理分析。該系統(tǒng)每1小時(shí)形成一張污染物動(dòng)態(tài)分布圖，環(huán)保局通過登錄系統(tǒng)，能查看全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在地圖的顯示、每個(gè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常;能查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析圖表，包括1小時(shí)變化曲線，1天的變化曲線等;根據(jù)全區(qū)大氣污染物的分布，生成動(dòng)態(tài)熱成像圖，體現(xiàn)全區(qū)大氣污染物濃度的空間分布狀況及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化，有效支持環(huán)境管理決策，也為環(huán)境應(yīng)急提供快速可靠的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.2水環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

建設(shè)浮標(biāo)式水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配備水質(zhì)五參數(shù)等多種類型傳感器并預(yù)留多種參數(shù)監(jiān)測(cè)通道、無線傳輸裝置和供電系統(tǒng);可用于湖泊、河流、水庫的生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)由浮標(biāo)體及錨泊系統(tǒng)、水質(zhì)傳感器、數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)四大部分組成，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地提供各種信息，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

系統(tǒng)特點(diǎn)：（1）設(shè)備集成度高，實(shí)現(xiàn)多個(gè)環(huán)境因子原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，涉及水文、水質(zhì)、氣象、生物等重要參數(shù)。并且浮標(biāo)建站成本低，管理成本低，組站靈活、快速。（2）野外工作能力強(qiáng)，采用太陽能電池板為數(shù)據(jù)記錄儀、GSM調(diào)制解調(diào)器和水質(zhì)傳感器供電。系統(tǒng)通過無線的GSM通路，可以數(shù)據(jù)下載和參數(shù)設(shè)置。（3）適用于近海、湖泊、水庫等區(qū)域水質(zhì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、有害藻華監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)測(cè)、水源地監(jiān)測(cè)等。

3.2.3聲環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

（1）布點(diǎn)原則：設(shè)置聲環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位用于考核其聲環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)率，按照聲環(huán)境功能區(qū)劃確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量，建議每個(gè)村莊的每類功能區(qū)均設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，站點(diǎn)建設(shè)可分步進(jìn)行，首先實(shí)現(xiàn)一類區(qū)監(jiān)測(cè)，逐步實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)測(cè)。

（2）聲環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：噪聲監(jiān)測(cè)終端及數(shù)據(jù)傳輸（無線）、監(jiān)控中心平臺(tái)應(yīng)用軟件等部分組成，負(fù)責(zé)噪聲采集、保存，并將噪聲實(shí)時(shí)上傳到共享服務(wù)平臺(tái)?？梢猿瑯?biāo)錄音，并自動(dòng)上傳錄音文件，可以接受專用服務(wù)器的控制指令。

（3）噪聲監(jiān)測(cè)終端：負(fù)責(zé)噪聲采集、保存，并將噪聲實(shí)時(shí)上傳到共享服務(wù)平臺(tái)。可以超標(biāo)錄音，并自動(dòng)上傳錄音文件?？梢越邮軐Ｓ梅?wù)器的控制指令。監(jiān)測(cè)終端建議采用獲得計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書的產(chǎn)品，從而具有測(cè)量執(zhí)法的條件。

（4）噪聲監(jiān)測(cè)終端主要特點(diǎn)：采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù);系統(tǒng)自動(dòng)或遠(yuǎn)程校準(zhǔn);存儲(chǔ)容量大;具有后備電源，停電時(shí)仍然可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（5）外傳聲器單元：戶外傳聲器單元的主要作用是將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲信號(hào)變成電信號(hào)，以便聲級(jí)計(jì)進(jìn)行處理。戶外傳聲器單元應(yīng)具有防風(fēng)、防雨、防鳥停功能，工作溫度范圍寬。加熱驅(qū)潮功能使它可以工作在較潮濕的環(huán)境下。使用靜電激發(fā)器進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，可以從容物柜上取下，直接裝在聲級(jí)計(jì)上以方便送檢、方便修理。用戶還可以用聲級(jí)校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定系統(tǒng)及靜電激發(fā)器的準(zhǔn)確性。

（6）集控制單元部分：主要是完成數(shù)據(jù)采集，傳輸通訊，同時(shí)將傳聲器送來的電信號(hào)進(jìn)行靈敏度歸一化。放置在戶外防水箱里面。

3.3公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

3.3.1基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)

基礎(chǔ)軟硬件平臺(tái)是為公共數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供基礎(chǔ)支撐服務(wù)，為上層平臺(tái)的應(yīng)用提供分布式的、高度可移植的數(shù)據(jù)交換及應(yīng)用支撐，為應(yīng)用系統(tǒng)提供安全、事務(wù)、并發(fā)、通訊等基礎(chǔ)服務(wù)能力，并提供標(biāo)準(zhǔn)的接口與調(diào)用機(jī)制，供構(gòu)建在其上的應(yīng)用程序調(diào)用，通過組件化方法實(shí)現(xiàn)軟件重用，并為整個(gè)系統(tǒng)提供用戶、權(quán)限管理的環(huán)保業(yè)務(wù)協(xié)同管理平臺(tái);為整個(gè)系統(tǒng)提供地理信息服務(wù)的應(yīng)急地理信息系統(tǒng);為環(huán)境應(yīng)急提供模型分析的環(huán)境模型分析系統(tǒng)等。

應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)見下圖2。

3.3.2數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用各種先進(jìn)的感知手段，對(duì)空氣、水、噪音等進(jìn)行全面、透徹的感知，將感知到的信息高速傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層進(jìn)行處理，分析得出的結(jié)論和規(guī)律提供給各監(jiān)管系統(tǒng)，以便于科學(xué)決策[5]。

（1）網(wǎng)格化+趨勢(shì)分析。通過采用監(jiān)測(cè)設(shè)備，大量布設(shè)網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（比如每平方公里、每個(gè)小區(qū)、設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)），進(jìn)行大范圍高頻率的大氣環(huán)境、水環(huán)境和聲環(huán)境數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署密度越高，數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度也將越高?；谶@些點(diǎn)位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過篩查、校準(zhǔn)、統(tǒng)計(jì)分析，從不同時(shí)空維度和尺度對(duì)全區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行全方位時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和分析對(duì)比。運(yùn)用基于GIS的后臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，生成動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖，從而分析全區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化狀況。

（2）污染溯源，指導(dǎo)環(huán)保監(jiān)管和環(huán)境執(zhí)法工作。通過部署網(wǎng)格化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]，獲取區(qū)域高密度（每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)/街道/小區(qū)一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)）高頻度（每分鐘采集一次）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合基于GIS的后臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和動(dòng)態(tài)圖繪制，根據(jù)數(shù)據(jù)可得性，還可疊加上鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊級(jí)行政區(qū)劃、土地利用圖及道路、企業(yè)分布等空間圖，結(jié)合環(huán)境質(zhì)量變化的時(shí)空動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，可判斷污染來源，時(shí)空上追溯和展示污染物擴(kuò)散趨勢(shì)，對(duì)企業(yè)排污起到最大程度的監(jiān)管作用，從而為環(huán)境執(zhí)法和決策提供直接可靠的依據(jù)。

（3）環(huán)境預(yù)警和應(yīng)急。基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突然變化，可識(shí)別一些大氣環(huán)境事故、火災(zāi)等突發(fā)事件，并第一時(shí)間作出預(yù)警，提醒相關(guān)部門第一時(shí)間響應(yīng)，從而降低災(zāi)害影響。結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)監(jiān)控污染擴(kuò)散的范圍和方向，為環(huán)境應(yīng)急工作的開展提供技術(shù)支撐。

（4）數(shù)據(jù)挖掘和決策支撐。基于高頻度高密度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域、不同用地類型、不同時(shí)間段的環(huán)境質(zhì)量狀況的統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比分析，找出變化規(guī)律，找到污染最嚴(yán)重的區(qū)域和時(shí)間段，從而為環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。結(jié)合氣象、國(guó)土等部門的相關(guān)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)挖掘，為環(huán)保監(jiān)管和治理、乃至區(qū)域發(fā)展規(guī)劃等提供決策依據(jù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)功能應(yīng)涵蓋環(huán)保監(jiān)測(cè)的常用工作業(yè)務(wù)流程，能夠?qū)⒆詣?dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)有效性分析、監(jiān)測(cè)控制、有效數(shù)據(jù)入庫、日常維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)報(bào)表、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)上報(bào)、統(tǒng)計(jì)分析、短信報(bào)警等功能有機(jī)的溶合到一個(gè)軟件中。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢分析及定制報(bào)表等功能。

4 結(jié)語

在城市建設(shè)生態(tài)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)體系總體架構(gòu)下，通過大監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、一大平臺(tái)的建設(shè)，對(duì)大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境等環(huán)境質(zhì)量信息進(jìn)行全面、連續(xù)、有效的記錄，構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)大數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，將有效應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、防范和應(yīng)急，為生態(tài)環(huán)境改善提供數(shù)據(jù)支撐，為生態(tài)文明建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

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