劉文清，楊靖文，桂華僑，謝品華，劉銳，衛(wèi)晉晉

（1. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所，合肥230031；2. 中科宇圖科技股份有限公司，北京100101）

一、前言

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會明確提出：加快生態(tài)文明體制建設(shè)，建設(shè)美麗中國。2016 年3 月，環(huán)境保護部印發(fā)了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》。環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護工作的基礎(chǔ)，通過對生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和分析，以定性或定量的數(shù)據(jù)，描述環(huán)境質(zhì)量。隨著社會公眾對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，環(huán)境質(zhì)量的數(shù)據(jù)從原來的“單一數(shù)據(jù)”向“環(huán)境全要素數(shù)據(jù)”方向轉(zhuǎn)變，監(jiān)測范圍也從一個監(jiān)測站，發(fā)展到一個城市、一個區(qū)域乃至全國。這就使智慧環(huán)保在環(huán)境多元感知領(lǐng)域有了廣闊的發(fā)展空間。環(huán)境信息多元感知能力的提升迫在眉睫，環(huán)境要素瞬息變化，監(jiān)測任務(wù)日益繁重，不論是對監(jiān)測的精度還是監(jiān)測要素的種類，都提出了更高的要求。我國已有的自動監(jiān)測站主要用于監(jiān)測大氣環(huán)境和水環(huán)境的常規(guī)指標(biāo)，監(jiān)測的范圍和監(jiān)測的指標(biāo)都有待增加。我國需要加強具有業(yè)務(wù)化運行能力的服務(wù)平臺研發(fā)，水環(huán)境和大氣環(huán)境等自動監(jiān)測設(shè)施的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)需要進一步完善。

二、國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境多元感知技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

（一）國外生態(tài)環(huán)境多元感知技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

西方發(fā)達國家已經(jīng)形成了比較完整的監(jiān)測技術(shù)體系，在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測信息的傳輸、處理、共享、保存、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、模型化、平臺化已經(jīng)基本完成，一方面為全社會提供了基礎(chǔ)環(huán)境信息；另一方面，由于始終重視提高數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用潛力（通過開發(fā)不同類型的模型）和基于監(jiān)測數(shù)據(jù)開展環(huán)境質(zhì)量評價（技術(shù)方法和指標(biāo)體系），這些監(jiān)測數(shù)據(jù)在環(huán)境管理中充分發(fā)揮了作用。這種環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系不僅提高了管理部門的科學(xué)決策能力，使環(huán)境治理的投入有可能獲得最好的效益，也為國家或地區(qū)政府科學(xué)評估因制定或修改環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準所要付出的經(jīng)濟代價。

1. 區(qū)域環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、評價方法為環(huán)境管理奠定了技術(shù)基礎(chǔ)

歐美發(fā)達國家經(jīng)過幾十年的努力，建立起了針對不同大氣環(huán)境問題的區(qū)域、國家乃至大洲尺度的空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。美國的環(huán)境空氣污染監(jiān)測工作是由聯(lián)邦政府級的環(huán)境保護局（1970年成立）負責(zé)，全國有近萬個監(jiān)測站。在紐約、芝加哥、洛杉磯和圣路易斯等城市已建立了比較精細的監(jiān)測和數(shù)據(jù)遙測網(wǎng)。美國在20世紀80年代就發(fā)射了太陽同步軌道的極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星（POES）和地球同步軌道的靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星（GOES），用于提供全球天氣和環(huán)境狀況的定量數(shù)據(jù)。加拿大在大氣環(huán)境監(jiān)測方面同樣投入了大量資金，尤其是對所有污染源進行定期監(jiān)察，監(jiān)察的頻率因污染風(fēng)險、污染源規(guī)模和污染物毒性的大小而不同，獲取的信息通過空氣質(zhì)量電子公告向公眾發(fā)布。日本的47個都道府縣都建立了自動化環(huán)境空氣監(jiān)測局，并建設(shè)了兩類監(jiān)測網(wǎng)：目標(biāo)監(jiān)測網(wǎng)和區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)，目標(biāo)監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測已知污染源，區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)則監(jiān)測某一區(qū)域周圍的大氣質(zhì)量。

2. 高新技術(shù)應(yīng)用為區(qū)域環(huán)境監(jiān)測提供了技術(shù)手段

從20世紀中葉開始，全球范圍內(nèi)的環(huán)境科學(xué)研究取得了迅速發(fā)展，國際上大型研究計劃都是把監(jiān)測系統(tǒng)的建立放在首位，并積極發(fā)展新型的探測技術(shù)。近年來，傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的突飛猛進更是增添了監(jiān)測系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。一個完整的大氣監(jiān)測系統(tǒng)包括設(shè)備、模型和相關(guān)研究。目前國際上觀測大氣成分的網(wǎng)絡(luò)主要有：①歐洲氣溶膠雷達觀測網(wǎng)（EARLINET)：從2000年開始由歐盟委員會資助建立，由28個座落在15個歐洲國家的地面遙感站組成；②亞洲沙塵暴觀測網(wǎng)（AD-Net) ：2001年開始組建 ，主要目的是獲取通過在亞洲各地建立的Lidar站點，監(jiān)測沙塵暴的3D或4D傳輸路徑；③BREDOM地基DOAS觀測網(wǎng)絡(luò)：由德國Bremen大學(xué)1991年開始組建BREDOM 網(wǎng)絡(luò)，主要用于衛(wèi)星大氣成分產(chǎn)品數(shù)據(jù)的校驗；④美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國際NDACC（Network for the Detection of Atmospheric Composition Change）大氣成分變化探測網(wǎng)絡(luò)：由70多個高質(zhì)量的地面觀測站組成，研究平流層和對流層的物理化學(xué)過程，評估大氣成分變化對全球氣候的影響；⑤微脈沖激光雷達觀測網(wǎng)（MPLNET)：美國國家航空航天局（NASA）為了實施“地球觀測系統(tǒng)”計劃而建立的地基微脈沖雷達觀測網(wǎng)。

3. 遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用推動了環(huán)境質(zhì)量綜合立體監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展

環(huán)境遙測技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)環(huán)境研究方法，并提供了一個全新的研究角度，克服了傳統(tǒng)環(huán)境研究中的諸多局限性。國外在建立完備的地面監(jiān)測技術(shù)體系的同時，十分注重機載和衛(wèi)星平臺上的遙感在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，各國在環(huán)境監(jiān)測方面都紛紛出臺相關(guān)計劃。歐洲太空局在2002年搭載ESA Envisat衛(wèi)星SCIAMACHY大氣探測掃描差分吸收光譜系統(tǒng)，能夠以臨邊、天底和掩星三種幾何模式，測量氣壓、溫度、氣溶膠和云的總量與分布，并測量出大氣中O3、BrO、SO2、CH4、NO2、CO、CO2等十幾種氣體成分。環(huán)境管理更加依賴于網(wǎng)絡(luò)化的長期連續(xù)環(huán)境監(jiān)測資料的積累和分析。從1960年美國發(fā)射TIROS氣象衛(wèi)星以來，衛(wèi)星遙感技術(shù)已在全世界得到廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用范圍已遍及氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)保、礦產(chǎn)、城市規(guī)劃等各個領(lǐng)域?？偟目磥?，目前國際上星載的環(huán)境監(jiān)測類的傳感器種類越來越多，包括針對特定環(huán)境對象（如大氣污染、臭氧等）的傳感器，如合成孔徑雷達、高光譜成像儀等，已在大氣、水、海洋等環(huán)境監(jiān)測中進入實際應(yīng)用階段[1]。

4. 環(huán)境變化研究推動了全球/區(qū)域環(huán)境監(jiān)測體系的發(fā)展

自從1959年開始觀測大氣中的CO2變化以來，為了確認和預(yù)測各種主要溫室氣體的變化趨勢，世界各國相繼開展了大氣中溫室氣體濃度的觀測與研究，并且在全球范圍內(nèi)建立了氣態(tài)污染物通量觀測網(wǎng)絡(luò)。近年來，一系列國際合作（IGBP、WCRP、IHDP、GCTE和LUCC等）的研究中都包含了陸地生態(tài)系統(tǒng)的長期觀測計劃。環(huán)境科技研究已進入以地球生態(tài)系統(tǒng)為對象的綜合集成研究階段，整體觀、系統(tǒng)觀和可持續(xù)發(fā)展觀的引導(dǎo)，通過學(xué)科間的交叉、滲透和綜合集成，為解決環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)問題提供了途徑。

（二）國內(nèi)生態(tài)環(huán)境多元感知技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

目前，我國正處于與西方發(fā)達國家完全不同的發(fā)展階段，迅速發(fā)展的經(jīng)濟和城市化進程，使區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量下降?，F(xiàn)在的環(huán)境污染形勢已經(jīng)呈現(xiàn)出多污染物復(fù)雜作用、多類型排放、多過程耦合關(guān)聯(lián)的復(fù)雜污染體系。因此現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測體系難以應(yīng)對區(qū)域化復(fù)合型污染，滯后的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)制約環(huán)境保護水平的提高。

1. 自動化監(jiān)測監(jiān)管能力顯著提高

國務(wù)院于2005年12月發(fā)布的《關(guān)于落實科學(xué)發(fā)展觀加強環(huán)境保護的決定》明確提出要構(gòu)建先進的環(huán)境監(jiān)測體系，為此，要切實提高環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)支持能力，集中力量加強先進環(huán)境監(jiān)測體系的建設(shè)，建立全面高效的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，包括從傳統(tǒng)常規(guī)監(jiān)測擴展到污染全過程監(jiān)測、從基于城市環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測擴展到固定污染源和移動污染源的監(jiān)測，從而對我國環(huán)境污染進行全面和系統(tǒng)的監(jiān)控，并做到監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、傳輸及時、方法科學(xué)、代表性強。目前，我國基本形成了覆蓋主要典型區(qū)域的國家區(qū)域空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，全國338個地級及以上城市全部具備大氣細顆粒物六項指標(biāo)的監(jiān)測能力，區(qū)域空氣監(jiān)測網(wǎng)覆蓋31個省市區(qū)，15個空氣背景監(jiān)測網(wǎng)，440個酸沉降監(jiān)測點構(gòu)建的酸沉降監(jiān)測網(wǎng)，沙塵天氣監(jiān)測網(wǎng)也已經(jīng)覆蓋北方14個省區(qū)，自動數(shù)據(jù)的時間分辨率越來越高，有效性不斷增強，新興監(jiān)測手段如視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測等，不斷得到應(yīng)用。在地表水監(jiān)測方面，全國建設(shè)完成了一個地表水水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)，由2 703個地表水國控斷面監(jiān)測點組成，地表水的監(jiān)測水平得到了大幅提高。同時，建設(shè)了3.5萬個土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點，向土壤自動監(jiān)測及土壤大數(shù)據(jù)收集邁進了一大步，為開展土壤污染防治與監(jiān)管工作奠定了重要基礎(chǔ)。

2. 高新技術(shù)手段趕超國際領(lǐng)先水平

在監(jiān)測儀器發(fā)展方面，國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與儀器正逐漸向自動化、適用化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展；技術(shù)指標(biāo)向著更高精度、更多成分、更大尺度方向發(fā)展；監(jiān)測規(guī)模正在向區(qū)域性、綜合性的立體監(jiān)測方向發(fā)展。由地表地面監(jiān)測向“天地一體化”監(jiān)測發(fā)展；由物理光學(xué)儀表向多技術(shù)綜合應(yīng)用的高技術(shù)先進儀器發(fā)展。在監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方面，我國已對環(huán)境噪聲、工業(yè)污染源、環(huán)境空氣、地表水、土壤、生物、生態(tài)、固體廢物等環(huán)境要素進行了監(jiān)測技術(shù)研究，初步建立了科學(xué)的監(jiān)測技術(shù)體系。但與歐美發(fā)達國家仍有較大差距，被列入優(yōu)先污染物的一些指標(biāo)還缺乏監(jiān)測手段，如針對國家近期及中長期環(huán)境質(zhì)量改善、污染物減排控制、環(huán)境變化對監(jiān)測技術(shù)和儀器的重大需求等。在大氣灰霾自動在線監(jiān)測技術(shù)方面，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱中科院安光所）研制的PM2.5質(zhì)量濃度自動監(jiān)測儀、大氣細粒子和臭氧時空探測激光雷達系統(tǒng)工程化樣機，部分技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平[2]。2014年我國初步實現(xiàn)N2O5自由基的測量。2014年，中國香港理工大學(xué)聯(lián)合山東大學(xué)采用TD-CIMS裝置對香港城市區(qū)域大氣中的NO3和N2O5總量進行外場測量等。圖1是大氣細顆粒物在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)圖，多技術(shù)綜合應(yīng)用為PM2.5的監(jiān)測和成因研究提供了更有效的數(shù)據(jù)。

3. 綜合立體監(jiān)測技術(shù)不斷提高

20世紀80年代以來，我國的衛(wèi)星及傳感器研制水平得到了迅速發(fā)展。2008年，我國首次發(fā)射了用于環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測的HJ-1A和HJ-1B兩顆衛(wèi)星，攜帶了寬覆蓋多波段CCD相機、高光譜相機和紅外相機。2008年發(fā)射的風(fēng)云3號FY-3A衛(wèi)星，攜帶了紫外臭氧垂直探測儀和紫外臭氧總量探測儀。另外，將傳感器搭載在飛機、無人機、飛艇等的航空遙感平臺，相比衛(wèi)星、地面遙感平臺，可以根據(jù)需求不同而更換傳感器，又可以兼顧快速、大面的優(yōu)勢，并可以更加靈活地進入人力難以進入的區(qū)域開展遙感數(shù)據(jù)獲取工作?！疤炜盏亍币惑w化大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，衛(wèi)星、飛機、地面站點優(yōu)勢互補，對大氣污染物進行監(jiān)測有助于更加立體的對大氣污染的分布情況進行了解，實現(xiàn)精細化綜合監(jiān)測[3]。中科院安光所研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機載大氣和水環(huán)境污染時空分布遙測以及原位快速監(jiān)測機載系統(tǒng)，實現(xiàn)了對區(qū)域大氣環(huán)境多參數(shù)（如NO2、SO2、CO2和氣溶膠）的高時空分辨率監(jiān)測，以及對水體浮游植物濃度分布的快速遙測，并在我國典型區(qū)域開展應(yīng)用示范。中科院安光所自主研發(fā)的大氣環(huán)境綜合立體感知系統(tǒng)（探測SO2、NO2和O3的被動差分吸收光譜儀和探測CO2的傅立葉探測系統(tǒng)），結(jié)合網(wǎng)絡(luò)站點優(yōu)化選取、高效安全的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，準業(yè)務(wù)化提供SO2、NO2和O3柱濃度，與污染傳輸模型相結(jié)合研究區(qū)域污染分布及擴散情況，開展中國空氣污染時空分布感知研究網(wǎng)絡(luò)示范[4]。

圖1 大氣細顆粒物在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)圖

三、生態(tài)環(huán)境多元感知技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)

目前我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與儀器行業(yè)得到了長足發(fā)展，但還存在以下問題：環(huán)境監(jiān)測設(shè)備國產(chǎn)化程度提高，但部分核心器件仍受制于人；盡管自動在線監(jiān)測設(shè)備取得了重要突破，但高精端分析儀器仍由國外“一統(tǒng)天下”；相比于大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備發(fā)展迅速，水環(huán)境監(jiān)測設(shè)備發(fā)展速度仍然緩慢，土壤環(huán)境監(jiān)測設(shè)備尚未起步。主要國產(chǎn)氣、水、土環(huán)境監(jiān)測儀器和設(shè)備自動化程度相對國外還處于較低水平，不能適應(yīng)我國環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的需要，主要設(shè)備仍然依賴進口。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）自動化、智能化高端監(jiān)測技術(shù)裝備研發(fā)能力

不足

目前，我國使用的監(jiān)測裝備多數(shù)依賴進口,尤其是智能化、自動化的高端設(shè)備。大氣自動監(jiān)測設(shè)備大部分依賴進口，主要包括監(jiān)測O3、細顆粒物、溫室氣體等的高精度測量儀器；在水自動監(jiān)測設(shè)備中，主要是藻類自動監(jiān)測、微生物和有機物等自動監(jiān)測類設(shè)備依賴進口；實驗室設(shè)備的研發(fā)也處于剛剛起步階段，比如電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP）、液相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀（LC-MS）、氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）等；在應(yīng)急監(jiān)測設(shè)備中，便攜式氣相色譜儀、便攜式GC-MS等多數(shù)使用國外產(chǎn)品，僅有個別國內(nèi)公司開始研制便攜式GC-MS。而且，與進口設(shè)備相比，國產(chǎn)儀器在精度、準確度方面仍然存在差距。此外，我國環(huán)境常規(guī)污染物監(jiān)測模式不完善、監(jiān)測體系不夠健全、痕量污染物監(jiān)測裝備科技水平不高、生物監(jiān)測裝備欠缺，這些問題都嚴重制約了國內(nèi)環(huán)境多元感知能力的發(fā)展。因此要增加高技術(shù)監(jiān)測儀器的研發(fā)投入，推動成套裝備技術(shù)突破及儀器的研制和產(chǎn)業(yè)化，努力解決制約監(jiān)測發(fā)展的設(shè)備問題。

（二）多元污染物監(jiān)測的高新技術(shù)研究缺乏

我國的環(huán)境污染日益復(fù)雜，多元污染物不斷出現(xiàn)。同時，隨著突發(fā)污染事故的頻發(fā)，我國在針對此類污染物的常規(guī)監(jiān)測設(shè)備以及設(shè)備的耐用性和穩(wěn)定性方面存在不足，針對特殊污染物的安全無接觸、快速檢測等方面的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用依然存在較大缺陷。我國現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及其標(biāo)準體系不能匹配裝備發(fā)展、監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測隊伍技術(shù)水平的發(fā)展速度。技術(shù)規(guī)范、監(jiān)測方法標(biāo)準的更新速度不能滿足應(yīng)對新型污染物、應(yīng)急監(jiān)測和生物毒性、生物監(jiān)測等的技術(shù)發(fā)展需求。需要進一步加大對新型多元污染問題監(jiān)測技術(shù)體系的研究，建立科學(xué)的技術(shù)規(guī)范、監(jiān)測技術(shù)路線，不斷滿足環(huán)境管理的技術(shù)需求。

（三）“天空地”立體監(jiān)測技術(shù)亟需加強

環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中得到了較廣泛的應(yīng)用，在大氣污染物區(qū)域分布、時空變化、多元感知等方面已經(jīng)發(fā)揮出不可替代的優(yōu)勢，傳統(tǒng)監(jiān)測手段獲取數(shù)據(jù)不具代表性，監(jiān)測時間過短，方法單一。需加強大氣環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)設(shè)備開發(fā)，構(gòu)建并完善以常規(guī)監(jiān)測、自動監(jiān)測為基礎(chǔ)，機載與星載遙感監(jiān)測相結(jié)合的“天空地”一體化環(huán)境監(jiān)測體系，利用地基、車載、機載及星載平臺等多元感知體系，實現(xiàn)對大氣痕量氣體、氣溶膠、溫室氣體、大氣風(fēng)場、水汽、溫度等大氣多種成分和大氣參數(shù)的多尺度、多時相、多數(shù)據(jù)源的快速和實時探測。

（四）不斷推進環(huán)境監(jiān)測技術(shù)集成化和信息化建設(shè)

雖然我國已經(jīng)建立了一些大氣環(huán)境和水環(huán)境自動監(jiān)測站點，并已初具規(guī)模，例如，已建立起約600套空氣自動監(jiān)測系統(tǒng)，覆蓋重點環(huán)保城市，150 個地表水自動監(jiān)測站系統(tǒng)覆蓋我國十大流域等，但其站點部署、覆蓋面積和管理規(guī)范尚不完善，不能更好地適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境監(jiān)管的需要。亟需在數(shù)據(jù)交換與共享、業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用、信息化跨界融合方面進一步加強，通過多元感知技術(shù)的研究，提高環(huán)境監(jiān)測技術(shù)裝備信息化和集成化水平，滿足環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管需要，提供更全面、更準確、更詳實的數(shù)據(jù)。

四、生態(tài)環(huán)境多元感知技術(shù)研究及平臺建設(shè)

（一）“互聯(lián)網(wǎng)+”大氣環(huán)境多元感知體系發(fā)展戰(zhàn)略

研究

黨中央、國務(wù)院高度重視大氣環(huán)境監(jiān)測感知技術(shù)研究及發(fā)展，多次召開專題會議研究部署相關(guān)大氣環(huán)境的防治工作。多年來，科學(xué)技術(shù)部加強科研統(tǒng)籌、加大經(jīng)費投入、加強科普宣傳、支撐區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，取得了一大批成果，有力推動了我國大氣環(huán)境多元感知技術(shù)的發(fā)展?！笆濉逼陂g，將環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展工作擺在科技創(chuàng)新總體布局中更加重要的位置，作為《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”國家社會發(fā)展科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”環(huán)境領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃的重點內(nèi)容進行部署。完善“互聯(lián)網(wǎng)+”大氣環(huán)境多元感知體系，準確、及時、全面地獲取大氣環(huán)境信息，客觀反映大氣環(huán)境質(zhì)量及變化趨勢，準確預(yù)警各類潛在的環(huán)境問題，及時響應(yīng)突發(fā)環(huán)境事件，及時跟蹤污染源變化情況，奠定大氣環(huán)境保護基礎(chǔ)，成為“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保的重要支撐。

1. 提高國產(chǎn)環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)設(shè)備質(zhì)量，準確感知空氣質(zhì)量現(xiàn)狀

由于我國環(huán)境污染嚴重，監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)較晚，我國大氣監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的進度更應(yīng)該快馬加鞭，縮短周期。因此，我國在完成計劃的1 400余個PM2.5監(jiān)測國控站點的建設(shè)外，未來應(yīng)該部署更多的省控、市控及縣控監(jiān)測點，建設(shè)更廣泛的區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)，包括工業(yè)區(qū)監(jiān)測、農(nóng)村背景站、大氣背景監(jiān)測網(wǎng)、道路周邊監(jiān)測網(wǎng)等，同時帶來環(huán)境空氣監(jiān)測行業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，這些設(shè)備的需求量大、重要性高，應(yīng)作為首要任務(wù)來完成[5,6]。

2. 發(fā)展大氣氧化性、大氣新粒子監(jiān)測、面向超低排放的污染源在線監(jiān)測等高端技術(shù)設(shè)備，為環(huán)境科學(xué)研究提供可靠技術(shù)支撐

中國大氣污染物成因復(fù)雜，其中大氣復(fù)合污染來自于多種污染源排放的氣態(tài)和顆粒態(tài)一次污染物，以及在一系列的化學(xué)、物理過程中形成的二次細顆粒物和臭氧等二次污染物。加速推進高精尖技術(shù)和設(shè)備的自主研發(fā)（如大氣氧化性自由基和中間態(tài)組分測定技術(shù)、大氣新粒子測量技術(shù)、機載星載遙感測量監(jiān)測技術(shù)、大氣污染及健康影響的預(yù)報預(yù)警技術(shù)等），這些高端技術(shù)和設(shè)備對完善大氣環(huán)境多元感知體系，全面監(jiān)控大氣狀態(tài)尤為重要，圖2為中科院安光所自主研發(fā)的大氣HOx自由基測量系統(tǒng)。另外，超低排放將成為燃煤發(fā)電等行業(yè)的“新常態(tài)”。 發(fā)展面向超低排放的污染源在線監(jiān)測等高端技術(shù)設(shè)備，全面加強污染源排放監(jiān)測，已經(jīng)成為檢驗大氣綜合治理效果、實現(xiàn)對重污染企業(yè)的監(jiān)管和落實地方政府責(zé)任考核的依據(jù)[7]。

3. 加快發(fā)展空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警和應(yīng)急技術(shù)，推進區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作

針對我國在突發(fā)性大氣污染事故應(yīng)急中對污染物快速、精準識別的需求，亟需攻克突發(fā)事故現(xiàn)場復(fù)雜背景下光譜探測與解析、污染氣團分布及排放通量快速獲取等關(guān)鍵技術(shù)，集成突發(fā)大氣污染事故的立體走航監(jiān)測平臺[8]，為事故處理決策部門快速、準確地提供引起事故發(fā)生及所產(chǎn)生的污染氣體類別、濃度分布、影響范圍及發(fā)展態(tài)勢等現(xiàn)場動態(tài)資料信息?！洞髿馕廴痉乐涡袆佑媱潯罚ā按髿馐畻l”）提出，推進建立區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控機制，對各?。▍^(qū)、市）實行目標(biāo)責(zé)任考核體系。將重污染天氣納入地方政府突發(fā)事件應(yīng)急管理，并根據(jù)大氣污染狀況采取重污染企業(yè)限產(chǎn)限排、采取機動車限行等措施。針對這些問題，“天空地”一體化的多元感知平臺建設(shè)研究迫在眉睫，通過加快發(fā)展空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警和應(yīng)急技術(shù)，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”大氣環(huán)境多元感知系統(tǒng)的區(qū)域大氣污染環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)，利用生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)綜合管理平臺推進區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作[9]。圖3 為大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測技術(shù)圖譜。

圖2 基于FAGE技術(shù)的大氣HOx自由基測量系統(tǒng)

圖3 大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測技術(shù)圖譜

（二）“互聯(lián)網(wǎng)+”水環(huán)境多元感知體系發(fā)展戰(zhàn)略研究

2015年4月，國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計劃》（“水十條”），提出我國中長期水環(huán)境治理目標(biāo)，到2020年實現(xiàn)嚴重污染水體大幅減少，飲用水安全保障水平持續(xù)提升，嚴格控制地下水超采現(xiàn)象，初步遏制地下水污染加劇趨勢，近海岸水環(huán)境穩(wěn)中趨好，京津冀、珠江三角洲、長江三角洲等區(qū)域水生態(tài)環(huán)境狀況有所好轉(zhuǎn)，全國水環(huán)境質(zhì)量得到階段性改善。完善“互聯(lián)網(wǎng)+”水環(huán)境多元感知體系，及時、準確、全面地獲取水環(huán)境信息，客觀反映水環(huán)境質(zhì)量和變化趨勢，加強廢水排放監(jiān)管，實現(xiàn)全面的在線水污染物自動檢測，使全國水環(huán)境質(zhì)量總體改善，是水環(huán)境保護的基礎(chǔ)，是“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保的重要支撐。

1. 完善飲用水源地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)和技術(shù)體系，實現(xiàn)水環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)全覆蓋

飲用水源地與人民生活密切相關(guān)，對飲用水源地開展環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測至關(guān)重要。目前，地表水水源地監(jiān)測項目共61 項，并統(tǒng)計取水量，按要求應(yīng)統(tǒng)計《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》中的109 項，但相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)體系尚不完善。另外，目前水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測項目主要是常規(guī)指標(biāo)，圖4為中科院安光所自主研發(fā)的水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)[10]，缺少生物監(jiān)測指標(biāo)。國內(nèi)的水生生物監(jiān)測仍有待提高，僅有部分地區(qū)有能力開展該項工作。

2. 加強長期自動化在線監(jiān)測能力和污染源排放監(jiān)管力度

不斷升級現(xiàn)有國家重點監(jiān)控的污水處理廠和廢水排放企業(yè)需要的排污監(jiān)控能力，根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《城鎮(zhèn)污水排入排水管網(wǎng)許可管理辦法》，2015年1月起被列入名錄的重點監(jiān)測企業(yè)，必須安裝在線水污染物自動檢測設(shè)備，這樣能有效對水體污染物進行監(jiān)測和預(yù)警，在一定程度上能夠減少或避免重大水體污染事件的爆發(fā)，有利于保護水質(zhì)安全，保障人民群眾的生命安全與健康。

3. 延伸“互聯(lián)網(wǎng)+”水環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)的觸角，發(fā)展地下水原位監(jiān)測技術(shù)，建立完備的國家地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

目前，環(huán)保系統(tǒng)還沒有建立完備的國家地下水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)。環(huán)境保護部發(fā)布的《全國地下水污染防治規(guī)劃》，要求加快建立國控以及省控地下水原位監(jiān)測系統(tǒng)，因而地下水監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)業(yè)也需大力推進，同時也亟需自主研發(fā)的地方水監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)品，以滿足地下水原位監(jiān)測市場的廣泛需求，以形成完備的地下水環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量網(wǎng)，滿足國家對地下水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測要求。

圖4 水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)

（三）“互聯(lián)網(wǎng)+”土壤環(huán)境多元感知體系發(fā)展戰(zhàn)略研究

2016年5月，國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》（以下簡稱《計劃》），《計劃》提出土壤中長期治理目標(biāo)，到2020年實現(xiàn)基本保障農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤安全，對土壤環(huán)境風(fēng)險實施管控，初步遏制全國土壤污染加重趨勢，保持土壤環(huán)境質(zhì)量總體穩(wěn)定。大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”土壤環(huán)境多元感知體系，在線、實時、全面地獲取土壤環(huán)境信息，客觀反映土壤環(huán)境質(zhì)量和變化趨勢，加強廢水排放監(jiān)管，實現(xiàn)全面的土壤立體聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)，通過測土配方施肥，使全國土壤環(huán)境質(zhì)量總體改善，是“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保的重要支撐。

1.土壤重金屬快速、自動感知技術(shù)發(fā)展，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”土壤環(huán)境多元感知體系全面開展土壤污染調(diào)查

《計劃》明確提出在現(xiàn)有相關(guān)調(diào)查的基礎(chǔ)上，深入開展環(huán)境質(zhì)量調(diào)查，通過對土壤污染進行全面調(diào)查，能夠為法律、法規(guī)以及方針政策的制定與實施提供參考，也是評判土壤環(huán)境質(zhì)量與治理結(jié)果的必要途徑，發(fā)展土壤重金屬快速在線監(jiān)測技術(shù)具有重要意義，基于此，對發(fā)展土壤重金屬便攜式、現(xiàn)場監(jiān)測式儀器提出了迫切需求。2015年國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于加快轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的意見》中也提出，要深入實施測土配方施肥，擴大配方肥使用范圍。測土配方施肥是提高化肥利用率的重要前提，目前測土配方施肥仍以化學(xué)試劑法為主，檢測的營養(yǎng)元素種類少、速度慢，因此迫切需要發(fā)展土壤養(yǎng)分快速在線監(jiān)測技術(shù)與儀器，圖5為中科院安光所研制的土壤重金屬檢測系統(tǒng)，可有效提高測土配方施肥的效率，降低檢測時間與成本，從而有效推廣測土配方施肥的應(yīng)用，切實降低化肥的使用量[11]。

2. 發(fā)展區(qū)域土壤環(huán)境立體和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建土壤環(huán)境治理體系

《計劃》指出重點在土壤污染風(fēng)險管控、源頭預(yù)防、治理與修復(fù)等方面進行探索，力爭到2020年先行區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量得到明顯提升。目前我國缺少土壤立體監(jiān)測技術(shù)，無法掌握污染物在土壤中的時空分布，缺乏能夠同時檢測土壤中重金屬、有機污染物，對土壤污染狀況進行總體評估的儀器系統(tǒng)，也缺乏能夠進行土壤污染遙測的儀器等，要解決這些問題，亟需開展土壤綜合污染監(jiān)測平臺，構(gòu)建土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與治理體系。

3. “互聯(lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保多元感知體系發(fā)展戰(zhàn)略研究

通過物理、生物、光學(xué)等多方面跨界融合，搭建多元感知體系，全面邁向“感知環(huán)境、智慧環(huán)保”的新興環(huán)保模式，開發(fā)快速、靈敏、連續(xù)、自動監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，以及污染物快速有效的檢測技術(shù)和設(shè)備，發(fā)展重污染天氣和突發(fā)環(huán)境污染事件預(yù)報預(yù)警和應(yīng)急技術(shù)，逐步提高重大環(huán)境污染事故監(jiān)測和應(yīng)急處理的業(yè)務(wù)運行能力。我國主要環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和治理設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和制造水平接近國際知名企業(yè)水平，并推出一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)保設(shè)備產(chǎn)品，且在實踐中實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保將成為增進人民福祉的切實可行的戰(zhàn)略方針。

圖5 土壤重金屬檢測系統(tǒng)

圖6 星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀（左）和模型照片（右）

（四）發(fā)展生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，全面建設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。2010年環(huán)境保護部印發(fā)的《全國農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測工作指導(dǎo)意見》、2014年國務(wù)院印發(fā)的《國務(wù)院辦公廳關(guān)于改善農(nóng)村人居環(huán)境的指導(dǎo)意見》以及2015年提出的“水十條”中都提出了要大力開展村莊環(huán)境整治，重點治理農(nóng)村垃圾和污水。農(nóng)村垃圾中含有大量有毒有機物、重金屬等，垃圾的堆積會帶來土壤、水體的嚴重污染，所以在進行農(nóng)村環(huán)境監(jiān)測時，需要對農(nóng)村區(qū)域的土壤、水體以及空氣進行全方位的監(jiān)測，此時需要多種監(jiān)測儀器的聯(lián)合使用及監(jiān)測數(shù)據(jù)的聯(lián)合對比分析，不能割裂農(nóng)村區(qū)域水污染與土壤污染之間的關(guān)系。同時農(nóng)村的畜牧養(yǎng)殖業(yè)也會污染水源、空氣等，對養(yǎng)殖部門進行監(jiān)測也對現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測儀器提出了挑戰(zhàn)[12]。

1.發(fā)展微型化、智能化環(huán)境監(jiān)測傳感器，實現(xiàn)多介質(zhì)環(huán)境參數(shù)的全面感知與精細化管理

在國家“信息強環(huán)?！睉?zhàn)略的指引下，信息化已成為推動環(huán)境管理模式轉(zhuǎn)型創(chuàng)新，提升環(huán)境管理精細化水平的重要手段。物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的突破發(fā)展，為環(huán)保信息化建設(shè)注入了新的活力，中國的環(huán)保信息化建設(shè)正處于由“數(shù)字環(huán)?！毕颉爸腔郗h(huán)?！比嫱七M的新時期。

2.發(fā)展低成本環(huán)境遙感技術(shù)設(shè)備與平臺，形成全球環(huán)境多要素立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

在全球化的背景下，準確掌握全球環(huán)境多要素立體分布特征顯得尤為重要。圖6 為中科院安光所研制的星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀和模型照片。利用航天航空飛行器（衛(wèi)星、平流層飛艇和飛機等）和地面各類平臺所攜載的光電儀器對人類生存所及的地球環(huán)境進行監(jiān)測，將有助于對地球空間環(huán)境及其運動變化規(guī)律的研究。

3.突破分子層次的快速環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，提高環(huán)境污染機理認知能力

由于環(huán)境污染的時空多變性、化學(xué)成分的復(fù)雜性，以及人們對于環(huán)境污染機理認知的不足，污染物對氣候的直接和間接影響目前仍然處于一個較低的認知水平，是全球環(huán)境變化數(shù)值模擬和預(yù)測中最不確定的因子之一。從分子層次解決環(huán)境污染問題至關(guān)重要，將大大改進現(xiàn)有環(huán)境預(yù)測模型的精度，對促進環(huán)境科學(xué)的研究和解決人類面臨的環(huán)境問題具有重要意義。

4.完善支持環(huán)境變化的在線監(jiān)測技術(shù)與平臺

環(huán)境問題日益國際化，環(huán)境保護工作已經(jīng)與國家的權(quán)益以及外交密不可分。我國要掌握環(huán)境監(jiān)測的主動權(quán)，在維護國家的權(quán)益和外交活動中爭取更多的發(fā)言權(quán)，擴大在國際上的影響，不斷提高我國的環(huán)境外交能力。

5.推進環(huán)境、氣象、交通及科研監(jiān)測數(shù)據(jù)融合共享，充分發(fā)掘“大數(shù)據(jù)”的作用和潛力

為推進環(huán)境、氣象、交通及科研監(jiān)測數(shù)據(jù)融合共享，通過實踐建立多元數(shù)據(jù)獲取的運行規(guī)范和共享機制，實現(xiàn)各級監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)互聯(lián)共享，實現(xiàn)全面信息化、不斷提升監(jiān)測預(yù)報預(yù)警和保障水平，監(jiān)測與監(jiān)管協(xié)同聯(lián)動，初步建成天地一體、陸海統(tǒng)籌、信息共享、上下協(xié)同的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

針對國家環(huán)境質(zhì)量改善、污染物減排控制、環(huán)境變化對監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備的需求，建成高精度、立體化、多尺度的環(huán)境污染監(jiān)測技術(shù)體系，完善污染物監(jiān)測及信息發(fā)布系統(tǒng)，形成覆蓋主要生態(tài)要素的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧環(huán)保生態(tài)環(huán)境多元感知體系，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和開放共享，解決環(huán)境保護信息資源公開、數(shù)據(jù)深層次開發(fā)利用、推動創(chuàng)新環(huán)保服務(wù)模式等重大科技問題，促進信息技術(shù)與環(huán)境管理業(yè)務(wù)的深度融合，推動環(huán)境管理制度創(chuàng)新，推進生態(tài)環(huán)境治理體系建設(shè)和治理能力現(xiàn)代化。

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