大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價中的應用與研究進展
隨著信息化的發(fā)展，科學技術(shù)水平提高，大數(shù)據(jù)來源日益豐富。我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、水文監(jiān)測、國土資源監(jiān)測等每年都積累大量數(shù)據(jù)。應用于生態(tài)環(huán)境的大數(shù)據(jù)主要可分為五類，包括地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來源于各地的生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)主要來源于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空遙感數(shù)據(jù)，包括地形、植被覆蓋等數(shù)據(jù)，是涉及不同區(qū)域、不同時間序列的龐大數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)的來源主要有野外采集、地圖數(shù)字化和航天遙感采集、攝影測量等。社會統(tǒng)計資料包括大量經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)的統(tǒng)計資料，包括人口、經(jīng)濟等，來自于統(tǒng)計部門?；ヂ?lián)網(wǎng)上很多與生態(tài)環(huán)境有關(guān)的文字、圖片、視頻等也是大數(shù)據(jù)來源。
大數(shù)據(jù)在解決生態(tài)環(huán)境問題時形成了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)獨yi的特征，具有“天地空一體”的巨大數(shù)據(jù)量，類型、來源和格式具有復雜多樣性，需要將動態(tài)新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合處理，具有很高的應用價值和不確定性。
生態(tài)環(huán)境問題是*普遍面臨的問題，其研究需要對海量數(shù)據(jù)進行收集、整理與分析，這就需要大數(shù)據(jù)的建設(shè)與應用，要推動建立生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測網(wǎng)，大氣、河流、海洋、冰川、土壤、植被等廣泛監(jiān)測，并實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合互聯(lián)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的數(shù)據(jù)獲取可通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、衛(wèi)星遙感影像、無人機數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段獲取。
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(diào)查與研究工作。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括中國科學院建立的中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了農(nóng)田、森林、草原、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特及城市9類生態(tài)系統(tǒng)。林業(yè)部門建立的中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)，覆蓋了濕地、荒漠、竹林和城市生態(tài)系統(tǒng)。隨著生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，生態(tài)站數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)哪芰χ饾u增強，建立了用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高了數(shù)據(jù)觀測自動化水平，并以此為基礎(chǔ)建立了生態(tài)傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺。
遙感技術(shù)因其具有觀測范圍廣、數(shù)據(jù)信息量大、精度高、實時性和動態(tài)性強等特點，現(xiàn)已成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評估的主要手段。遙感傳感器可提供多樣化的數(shù)據(jù)，利用不同傳感器所獲取的遙感影像可進行土地鹽漬化、沙漠化、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況、礦區(qū)生態(tài)狀況的監(jiān)測。例如不同學者采用多種分類方法和波段組合進行不同地區(qū)、不同時間序列的鹽漬化監(jiān)測；利用不同遙感影像進行不同區(qū)域的土地沙漠化動態(tài)監(jiān)測； 利用多光譜遙感影像進行太湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測；利用遙感生態(tài)指數(shù)，基于Landsat7和Landsat8影像數(shù)據(jù)進行礦區(qū)的生態(tài)變化監(jiān)測。
無人機遙測系統(tǒng)是一種高精度的現(xiàn)代航空攝影測量技術(shù)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢，已在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面開始展開應用，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要手段之一，采用無人機遙測系統(tǒng)可以很好地完成大范圍水土保持監(jiān)測任務(wù)，是常規(guī)監(jiān)測方法的有力補充 ，能夠快速估算礦山排土場邊坡土壤侵蝕速率，進行牡蠣礁地理分布和生 態(tài)現(xiàn)狀的高精度遙感調(diào)查，進行地質(zhì)災害的遙感解譯。
生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)通過在線傳輸，實現(xiàn)標準化處理－質(zhì)量控制－實時入庫，在空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境信息服務(wù)系統(tǒng)，通過生態(tài)站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和綜合中心信息共享平臺，加強了動態(tài)觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，為科研需求提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，大數(shù)據(jù)在其中的利用越來越廣泛。
左羽和龍從霞利用計算機網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲器技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的分布式硬件平臺，在此基礎(chǔ)上采用主流軟件平臺搭建軟件開發(fā)環(huán)境，采用Geodatabase技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。
王亮緒等在數(shù)據(jù)庫建立基礎(chǔ)上，依托互聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，組建生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)共享平臺，發(fā)掘監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學價值。
魏東等將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于煤電基地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，從感知層、傳輸層、支撐層、應用層、用戶層的角度明確生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系，提高了信息采集效率，改善了信息獲取方式，改善了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測成本和傳輸問題。
曹騮和吳修將空氣污染數(shù)據(jù)與 Hadoop 平臺結(jié)合，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，預測未來氣候變化。
李新等針對生態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應用的幾個核心環(huán)節(jié)開展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，包括生態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)標準、數(shù)據(jù)記錄傳輸技術(shù)、遠程無線組網(wǎng)與傳輸技術(shù)和生態(tài)監(jiān)測信息化技術(shù)，開發(fā)數(shù)據(jù)全自動采匯、實時共享、可在線應用的生態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)。
生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是在對生態(tài)環(huán)境要素連續(xù)觀測的基礎(chǔ)上，集成海量的多源多尺度信息，借助云計算、人工智能及模型模擬等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的集成分析和信息挖掘。大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境評價方面，可以運用其數(shù)據(jù)分析方面的優(yōu)勢，進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價、生態(tài)脆弱性評價、生態(tài)安全評價、生物多樣性評價，為生態(tài)環(huán)境的決策管理提供科學依據(jù)。
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的治理、改善以及發(fā)展規(guī)劃提供重要參考。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價目前已建立了一系列評價指標體系和評價方法，內(nèi)容包括生態(tài)環(huán)境遙感信息獲取、評價指標體系構(gòu)建、不同尺度對象的評價、評價技術(shù)手段和方法模型探索幾個方面。2015年頒布的正式版生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(HJ192- 2015)規(guī)定了生態(tài)環(huán)境狀況評價指標體系和各指標的計算方法，適用于縣域、省域和生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢評價。
生態(tài)脆弱性已成為當前變化研究中的熱點問題，研究重點生態(tài)脆弱性的多學科、多尺度的融合，加強自然與人文因素耦合研究，以及生態(tài)脆弱性的歷史變化。目前國內(nèi)對生態(tài)脆弱性的評價涉及不同區(qū)域和不同尺度，主要包括喀斯特地區(qū)、北方農(nóng)牧交錯帶、濕地、青藏高寒區(qū)、流域北方干旱區(qū)典型生態(tài)脆弱區(qū)、自然災害脅迫區(qū)、采礦區(qū)、重要戰(zhàn)略意義的生態(tài)屏障地區(qū)、南方水土流失嚴重區(qū)域。生態(tài)脆弱性評價利用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、行政區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，不同研究選擇指標體系不同，受人為主觀影響較大，通過指標體系構(gòu)建，進行生態(tài)脆弱性評價和發(fā)展趨勢預測，明確生態(tài)脆弱現(xiàn)狀、分布區(qū)域和發(fā)展趨勢。
生態(tài)安全評價以生態(tài)風險和生態(tài)健康為核心內(nèi)容，現(xiàn)階段生態(tài)安全評價方法有暴露—響應綜合評價模式、綜合指數(shù)評價方法、生態(tài)承載力分析法、生態(tài)模型方法以及景觀生態(tài)學方法。生態(tài)安全評價主要涉及不同區(qū)域、城市、流域、生態(tài)功能區(qū)等，一般采用壓力-狀態(tài)-響應模型進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，有的研究利用物元模型對生態(tài)經(jīng)濟區(qū)的土地生態(tài)安全進行評價。生態(tài)安全評價利用的數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及社會調(diào)查數(shù)據(jù)，評價單元為柵格或行政單元，遙感和地理信息系統(tǒng)為不同時間序列和空間結(jié)構(gòu)的生態(tài)評價提供了大量數(shù)據(jù)支持。
生物多樣性監(jiān)測與評價是生物多樣性保護工作的重要基礎(chǔ)，通過構(gòu)建生物多樣性評價指標體系，進行生物多樣性狀況評價和變化趨勢預測，可以為生物多樣性保護措施提供依據(jù)。我國相繼開展了生物多樣性評價方面的研究工作，萬本太等提出了生物多樣性綜合評價的5個指標，即物種豐富度、生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性、植被垂直層譜的完整性、物種*性、外來物種入侵度，確立了生物多樣性綜合評價方法。區(qū)域生物多樣性評價標準規(guī)定了生物多樣性評價的指標及其權(quán)重、數(shù)據(jù)采集和處理、計算方法、等級劃分等，標準規(guī)范了生物多樣性評價的指標和方法，整體上提高了我國生物多樣性保護的管理能力。大數(shù)據(jù)在生物多樣性空間和系統(tǒng)發(fā)育模式中的利用推動了海量生物多樣性數(shù)據(jù)的整合和利用。生物多樣性評價從方法、指標選擇、指標體系構(gòu)建、區(qū)域生物多樣性評價標準逐漸發(fā)展為整合數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和檢索。
由于生態(tài)環(huán)境的復雜性，生態(tài)環(huán)境監(jiān)管難度也越來越大。運用大數(shù)據(jù)的方法作為環(huán)境監(jiān)測與評價的工具，對于環(huán)境監(jiān)管具有重要意義。生態(tài)環(huán)境評價要關(guān)注生態(tài)環(huán)境影響因素分析，根據(jù)指標選取原則選擇普適性指標，分析各指標因素間的內(nèi)在聯(lián)系。通過 綜合評價正確理解不同時空尺度、類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的時空拓展。
