徐延軍

(中遠海運科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，生態(tài)文明建設和環(huán)境保護進入了新的發(fā)展階段，黨的十九大報告中提出的“樹立和踐行綠水青山就是金山銀山”的理念與“堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策”一起，成為了新時代中國特色社會主義生態(tài)文明建設的思想和基本方略。近年來，我國在環(huán)境保護領域取得了突出的成績，環(huán)保工作越來越受社會各界的重視。在此背景下，環(huán)保工作要求越來越高，傳統(tǒng)的環(huán)保管理手段已不能適應和滿足新時代環(huán)保管理的要求，需進一步將其與信息技術(Information Technology,IT)深度結合，推動環(huán)保工作轉(zhuǎn)型升級，使環(huán)境保護從增強意識向務實落地應用的方向發(fā)展，增強環(huán)保能力建設，提升環(huán)境保護的信息化水平。

1 環(huán)保信息化存在的問題

環(huán)境信息化是利用現(xiàn)代信息技術對各類環(huán)境信息進行全方位整合，通過信息共享和交流推動環(huán)境保護業(yè)務不斷向前發(fā)展的重要技術手段。近年來，隨著信息化建設的不斷推進，環(huán)保信息化工作和環(huán)保數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設取得了顯著成績。例如：河南省建設的智慧環(huán)保大數(shù)據(jù)平臺匯總整合了空氣質(zhì)量微觀監(jiān)測站、空氣質(zhì)量考核站、地表水質(zhì)監(jiān)測站、重點企業(yè)和施工工地的在線監(jiān)控數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對環(huán)境的實時研判；濟南市建設的智慧環(huán)保綜合監(jiān)管平臺整合了全市的環(huán)境信息資源，構建了閉環(huán)精細化監(jiān)管體系，為城市級智慧環(huán)保類平臺建設提供了綜合解決方案；江西省建設的環(huán)保大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)了環(huán)境質(zhì)量、重點污染源、生態(tài)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測全覆蓋和各類監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)互通，以及環(huán)境監(jiān)測與行政監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動。由于環(huán)境保護業(yè)務具有綜合性特點，綜合考慮環(huán)保信息化建設情況，為進一步提升環(huán)保信息化水平，還需解決以下問題：

1) 環(huán)保數(shù)據(jù)共享性不強。當前，在我國環(huán)保信息化建設中，各環(huán)保信息化系統(tǒng)在具體業(yè)務的信息化管理方面發(fā)揮了積極作用，但各系統(tǒng)之間因建設主體和實現(xiàn)技術等因素不同，沒有在環(huán)保工作頂層設計方面做好統(tǒng)一規(guī)劃，造成各環(huán)保系統(tǒng)“各自為政”，不利于環(huán)保數(shù)據(jù)的互通共享。

2) 環(huán)保數(shù)據(jù)采集難度大。傳統(tǒng)的環(huán)保數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計多以表格的方式實現(xiàn)，通過人工手動處理，或從專業(yè)系統(tǒng)中檢索、整理獲取。傳統(tǒng)的環(huán)保數(shù)據(jù)采集方式存在采集效率低、數(shù)據(jù)格式不一致、對人員的素質(zhì)和責任心要求較高等問題；傳統(tǒng)的環(huán)保數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式不僅耗時費力，而且存在不同來源的數(shù)據(jù)之間不匹配的問題，導致環(huán)保數(shù)據(jù)采集較為困難，不利于環(huán)保數(shù)據(jù)的整合。

3) 數(shù)據(jù)整合展示能力不足?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)管理以臺賬化管理為主，信息整合難度大，數(shù)據(jù)調(diào)查的口徑和方式不同;數(shù)據(jù)缺乏規(guī)范性，環(huán)境信息標準和規(guī)范不健全;缺乏環(huán)境空間信息，僅有地址和經(jīng)緯度信息，數(shù)據(jù)空間分布信息缺失，不利于環(huán)境數(shù)據(jù)的直觀展示。

4) 法律法規(guī)知識庫建設滯后。現(xiàn)有的環(huán)保信息化系統(tǒng)主要圍繞環(huán)保業(yè)務條線進行功能設計，沒有將法律法規(guī)的整理匯總和查閱學習作為環(huán)境治理和業(yè)務能力提升的補充。

5) 環(huán)保監(jiān)管協(xié)同處置不連貫。由于環(huán)保業(yè)務中的環(huán)境監(jiān)測與環(huán)境執(zhí)法是由不同的部門負責的，環(huán)境監(jiān)測部門發(fā)現(xiàn)問題與環(huán)境執(zhí)法部門立案處理之間缺乏跨部門協(xié)同處置的過程，導致環(huán)境監(jiān)管處置流程不順暢，環(huán)境保護工作效率較低。

綜上，設計研發(fā)具有多源異構數(shù)據(jù)融合能力和跨部門環(huán)保業(yè)務協(xié)同處置能力,能提供法律法規(guī)知識庫構建服務的環(huán)保信息化系統(tǒng)具有重要意義。本文基于數(shù)據(jù)生命周期管理的理念，圍繞環(huán)境質(zhì)量管理，以全國第二次污染物普查數(shù)據(jù)、空間地理信息、排污許可證信息、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)管數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)和環(huán)境規(guī)劃信息等海量多源異構數(shù)據(jù)為基礎構建環(huán)境數(shù)據(jù)資源中心，建設基于網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)(WebGIS)的環(huán)保信息化系統(tǒng)，為城市環(huán)境治理和污染源管理提供智能化解決方案。同時，通過打通排污許可證后監(jiān)管系統(tǒng)、環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)、上海市污染源綜合管理信息系統(tǒng)和浦東水務云平臺等系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的跨部門互聯(lián)互通和環(huán)保業(yè)務的跨職能協(xié)同管理，搭建環(huán)保法律法規(guī)知識庫，提高環(huán)保知識學習能力和環(huán)保業(yè)務處理能力，從而打通政府和企業(yè)環(huán)境保護與治理的產(chǎn)業(yè)鏈，形成環(huán)保管控和服務平臺，切實體現(xiàn)“放管服”改革舉措；構建環(huán)?！罢O(jiān)管、企業(yè)自律、公眾參與”的社會共治模式，促進環(huán)保信息化服務的專業(yè)化、智能化和平臺化發(fā)展，推動生態(tài)環(huán)境治理水平和民生服務水平進一步提升。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體架構設計

環(huán)保信息化系統(tǒng)總體架構設計圖見圖1，主要由采集層、處理層、支撐層、應用層和展示層等組成。

1) 采集層主要實現(xiàn)對環(huán)境專業(yè)數(shù)據(jù)和公開數(shù)據(jù)的對接采集，以及對數(shù)據(jù)和資料的人工錄入。

2) 處理層主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的繼承、清洗、轉(zhuǎn)換、加載、加工、分類和檢索挖掘等。

3) 支撐層主要提供地理信息引擎、工作流引擎、統(tǒng)一身份認證、報表管理、統(tǒng)一日志、數(shù)據(jù)庫引擎、圖像識別和數(shù)據(jù)共享交換等功能，為應用系統(tǒng)提供支撐。

4) 應用層為環(huán)保信息化系統(tǒng)的主要功能層，主要由4部分組成。

(1) 污染源管理：實現(xiàn)對污染源信息的管理；建立環(huán)境規(guī)劃信息和對應圖層；實現(xiàn)對污染源信息不同需求維度的檢索。

(2) 環(huán)境政策法規(guī)知識庫：通過匯集現(xiàn)有環(huán)保政策法規(guī)資料，并從法律法規(guī)、環(huán)境標準和技術規(guī)范，以及國家級和上海市級等多個維度進行分類，建立環(huán)保政策法規(guī)知識庫。

(3) 環(huán)境質(zhì)量分析：實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量分析和大氣環(huán)境質(zhì)量分析2個子功能。

(4) 環(huán)境智能應用：建設水環(huán)境保護預警智能預報和污染源處置能力智能評估應用。

5) 表現(xiàn)層主要為用戶提供交互界面。

圖1 環(huán)保信息化系統(tǒng)總體架構設計圖

2.2 應用功能設計

2.2.1 多源異構數(shù)據(jù)采集與融合

主要采用抽取-轉(zhuǎn)換-加載(Extract-Transform-Load，ETL)方法，從外部系統(tǒng)和已有的業(yè)務系統(tǒng)中全面采集污染源普查信息、空間地理信息、排污許可證信息、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)管數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)和環(huán)境規(guī)劃信息。數(shù)據(jù)采集流程圖見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

數(shù)據(jù)采集方式主要有聯(lián)機采集、前置機、網(wǎng)絡服務接口、離線數(shù)據(jù)導入和人工審核填報等5種。

1) 聯(lián)機采集方式：對于允許直接訪問的數(shù)據(jù)，采用聯(lián)機采集機制采集，直接訪問關系型數(shù)據(jù)源。

2) 前置機方式：對于不允許直接訪問的數(shù)據(jù)，采用前置機方式采集，即業(yè)務系統(tǒng)將需要的數(shù)據(jù)同步到中間表中，從中間表中采集數(shù)據(jù)。

3) 網(wǎng)絡服務接口方式：可基于SOAP和RESTful API等網(wǎng)絡技術協(xié)議，實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。優(yōu)先考慮將HTTP作為交換協(xié)議。

4) 離線數(shù)據(jù)導入方式：對于無法聯(lián)機訪問，但業(yè)務系統(tǒng)可導出的數(shù)據(jù)，采用離線數(shù)據(jù)導入方式采集，即對于業(yè)務系統(tǒng)按數(shù)據(jù)更新頻次要求導出的離線數(shù)據(jù)，由采集系統(tǒng)根據(jù)不同數(shù)據(jù)和文件類型進行導入。

5) 人工審核填報方式：對于沒有信息系統(tǒng)或電子臺賬，只有紙質(zhì)文件的數(shù)據(jù)，可采用人工填報審核的方式采集。

針對以上多源異構數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)保數(shù)據(jù)的內(nèi)在業(yè)務邏輯關系，對各類數(shù)據(jù)資源進行時間上和空間上的綜合處理。首先，按數(shù)據(jù)類型劃分數(shù)據(jù)類別，分為污染源普查、空間地理、排污許可證、污染源監(jiān)測、污染源監(jiān)管、環(huán)境質(zhì)量和環(huán)境規(guī)劃等；然后，按服務和應用建立數(shù)據(jù)對應的主題庫，如應用門戶和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分類提供條件。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析與可視化

2.2.2.1 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)一展示

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)展示大屏的方式，基于WebGIS 地圖展示企業(yè)、大氣環(huán)境、水環(huán)境、危廢和土壤環(huán)境等數(shù)據(jù)。圖3為主頁 WebGIS 地圖。

圖3 主頁 WebGIS 地圖

1) 企業(yè)：通過右上角的“精確查詢”和“分類查詢”進行不同條件的檢索，點擊“企業(yè)標識”進入企業(yè)一源一檔概述界面。

2) 大氣環(huán)境：展示浦東新區(qū)最常用的5個環(huán)境空氣監(jiān)測站點，站點標識上的數(shù)字為實時空氣質(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index, AQI)，標識顏色表示空氣質(zhì)量等級。

3) 水環(huán)境：展示浦東新區(qū)39個國控和市控斷面實時水質(zhì)情況，標識上的數(shù)字表示該斷面水質(zhì)目標，綠色表示斷面達標，紅色表示斷面超標。

4) 危廢：展示浦東新區(qū)所有危廢產(chǎn)生單位，可通過右上角的查詢功能區(qū)進行不同條件的檢索查詢。

5) 土壤環(huán)境：展示浦東新區(qū)目前開展場地調(diào)查評估的所有地塊，可通過右上角的查詢功能區(qū)進行不同條件的檢索和查詢。

2.2.2.2 污染源信息展示

基于WebGIS地圖展示工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源、生活污染源、集中式污染治理設施和移動源等污染源信息。圖4為工業(yè)污染源地圖。

2.2.2.3 環(huán)境規(guī)劃信息展示

進行多維度環(huán)境規(guī)劃功能區(qū)的WebGIS地圖展示，支持對工業(yè)源信息的檢索查詢，實現(xiàn)圖層與污染源的信息疊加，便于對污染源選址地的環(huán)境規(guī)劃情況進行查詢?？蓪Α叭€一單”、大氣環(huán)境、土壤污染風險和生態(tài)環(huán)境等內(nèi)容的管控分布情況，以及大氣功能區(qū)劃、水功能區(qū)劃和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等區(qū)劃信息進行直觀展示。圖5為“三線一單”管控地圖。

圖4 工業(yè)污染源地圖

圖5 “三線一單”管控地圖

2.2.2.4 環(huán)境質(zhì)量分析

基于WebGIS地圖展示河道、水質(zhì)信息、重點行業(yè)企業(yè)、排污企業(yè)、養(yǎng)殖企業(yè)、污水處理廠和排污口等環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和展示；同時，對空氣質(zhì)量、空氣實況數(shù)據(jù)進行分析和展示。

2.2.2.5 法律法規(guī)知識庫

構建法律法規(guī)知識庫，匯集環(huán)保政策法規(guī)資料，并按法律法規(guī)、環(huán)境標準和技術規(guī)范等分類標準進行歸類；建立環(huán)保政策法規(guī)知識庫，并提供全局檢索功能，為企業(yè)環(huán)保咨詢提供查閱和學習服務。

3 關鍵技術和方法

3.1 手持終端坐標獲取與坐標轉(zhuǎn)換技術

地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System，GIS)是在計算機硬件和軟件共同支持下，對地球表層空間中的地理信息數(shù)據(jù)進行采集、存儲、處理、運算、分析、顯示和應用的系統(tǒng)。WebGIS是Web技術與GIS的結合，基于B/S(Browser/Server)技術在互聯(lián)網(wǎng)上展現(xiàn)，使用瀏覽器訪問，使用空間數(shù)據(jù)。手持終端采集的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)定位結果為基于WGS84坐標系的結果，該坐標系與我國全面啟用的CGCS2000國家大地坐標系不一致，導致定位結果存在較大的累積誤差，不利于在WebGIS地圖上正確展示。另外，由于國家安全保障工作的需要，我國所有電子地圖上的真實經(jīng)緯度坐標都需加密為火星坐標。因此，需對手持終端獲取的坐標進行轉(zhuǎn)換，以獲得對應坐標系的數(shù)據(jù)，在電子地圖上正確展示。

該系統(tǒng)使用的WebGIS地圖為高德地圖，其采用的坐標系為GCJ-02坐標系。因此，需將手持終端GPS獲取的WGS-84坐標轉(zhuǎn)換為GCJ-02坐標。手持終端應用軟件調(diào)用GPS功能獲取當前的WGS-84坐標，調(diào)用業(yè)務接口并傳入該坐標數(shù)據(jù)，后臺服務軟件按坐標轉(zhuǎn)換邏輯對傳入的坐標數(shù)據(jù)進行計算和轉(zhuǎn)換，通過計算目標經(jīng)緯度的粗偏移量、對角度和弧度進行互轉(zhuǎn)和根據(jù)橢球曲率對粗偏移量進行校正等一系列操作，得到對應的GCJ-02坐標，并將其保存在數(shù)據(jù)庫表的映射字段中，以便直接加載到WebGIS地圖上，節(jié)省坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間。

3.2 多源異構環(huán)保數(shù)據(jù)清洗融合方法

3.2.1 搭建多維主題數(shù)據(jù)倉庫

規(guī)劃多維主題數(shù)據(jù)倉庫設計，通過制定數(shù)據(jù)質(zhì)量標準，按業(yè)務將數(shù)據(jù)劃分為污染源普查、空間地理、排污許可證、污染源監(jiān)測、污染源監(jiān)管、環(huán)境質(zhì)量和環(huán)境規(guī)劃等主題，并搭建多維主題數(shù)據(jù)倉庫。在實現(xiàn)過程中，采用ETL工具Kettle與SQL語句處理相結合的方式對采集到的多源異構數(shù)據(jù)進行清洗和轉(zhuǎn)換，按業(yè)務主題和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準裝載入庫。

3.2.2 構建環(huán)境數(shù)據(jù)資源中心

環(huán)境數(shù)據(jù)資源中心主要由環(huán)境業(yè)務基礎數(shù)據(jù)庫、多維主題數(shù)據(jù)倉庫和GIS空間數(shù)據(jù)庫組成，是環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲、組織和管理平臺，便于對各類環(huán)境數(shù)據(jù)資源進行歸納、整理，并根據(jù)環(huán)境管理要求和業(yè)務邏輯進行重定義和再組織。環(huán)境業(yè)務基礎數(shù)據(jù)庫主要用于存儲本單位或外部業(yè)務系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，保留各業(yè)務系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)；多維主題數(shù)據(jù)倉庫按主題存儲經(jīng)過清洗(包括去除重復數(shù)據(jù)、補充缺失值和核實異常值等)的環(huán)境數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的多維分析提供來源；GIS空間數(shù)據(jù)庫主要用于存儲與環(huán)境數(shù)據(jù)有關的空間地理信息(包括點位信息、區(qū)域信息和邊界信息等)，為環(huán)境數(shù)據(jù)分析結果的直觀展示提供支持。

3.2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)邏輯性分析

采用知識圖譜技術對數(shù)據(jù)指標間的共現(xiàn)關系進行分析，構建指標項之間的邏輯關系。例如，對工業(yè)源企業(yè)的生產(chǎn)情況與廢水排放、生產(chǎn)情況與廢氣排放和生產(chǎn)情況與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的邏輯關系進行分析，并結合現(xiàn)場實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行核實驗證，多次調(diào)整優(yōu)化之后確定該邏輯關系的正確性。以該邏輯關系為依據(jù)，對采集的環(huán)保數(shù)據(jù)進行掃描，并標記疑似有問題的數(shù)據(jù)，由工作人員進行核對校正，進一步提高入庫數(shù)據(jù)的規(guī)范性和邏輯一致性。

3.3 數(shù)據(jù)切分技術與數(shù)據(jù)預處理方法

數(shù)據(jù)切分是指按某種切分規(guī)則將一個較大的表分成多個稱為“片段”的較小的表，主要有垂直切分、水平切分和結合這2種切分方式的混合切分等3種方式。在系統(tǒng)研發(fā)過程中，針對實時統(tǒng)計分析和展示時間過長的問題，通過引入數(shù)據(jù)切分技術，提升數(shù)據(jù)處理能力，縮短查詢時間。根據(jù)環(huán)保數(shù)據(jù)管理要求和業(yè)務劃分情況，該系統(tǒng)采用水平切分方式：首先根據(jù)范圍切分算法，按業(yè)務對環(huán)境數(shù)據(jù)進行分類；然后采用一致性哈希算法，將環(huán)境數(shù)據(jù)分別存入片段表中。

針對系統(tǒng)頁面上展示的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，使用定時任務進行預處理和存儲，即根據(jù)定時任務設置，提前對統(tǒng)計分析和展示的數(shù)據(jù)進行預計算，提前將計算結果存入按小時、天統(tǒng)計的維度表中，前端直接從這些維度表中加載數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)量為5 000萬條的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢功能為例，通過應用數(shù)據(jù)切分技術和數(shù)據(jù)預處理方法，平均加載時間由原來的100 s縮短到了1 s左右，有效解決了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和展示時間較長的問題。

4 結 語

本文所述環(huán)保信息化系統(tǒng)基于全國第二次污染物普查數(shù)據(jù)、空間地理信息、排污許可證信息、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)管數(shù)據(jù)、環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)和環(huán)境規(guī)劃信息等多源異構數(shù)據(jù)構建，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)的邏輯關系進行信息融合；對手持終端獲取的GPS坐標進行轉(zhuǎn)換得到我國指定的加密坐標，采用WebGIS作為地圖展示技術，提供污染源管理、環(huán)境質(zhì)量分析、水環(huán)境質(zhì)量智能預警和污染源處置能力評估、法律法規(guī)查閱學習等服務。該系統(tǒng)已在環(huán)保管理部門落地應用，對促進環(huán)保管理的專業(yè)化、精細化和智能化發(fā)展，進一步提升環(huán)境管理效率和監(jiān)管水平，以及環(huán)保決策能力、生態(tài)環(huán)境治理水平和民生服務水平等，具有積極作用。