李信茹，周民,2，米屹東,2，蘇海磊，陳海燕，王凡凡，楊碩，沈亞琴，魏源*

1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院 3.銅陵市鳳凰山景區(qū)

環(huán)保事業(yè)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)處理分析是開展環(huán)境保護(hù)工作的重要基礎(chǔ)[1]。目前的環(huán)境管理體系仍采用人工監(jiān)測(cè)污染源和記錄數(shù)據(jù)，這大大增加了環(huán)境數(shù)據(jù)獲取及分析處理的時(shí)間，同時(shí)，由于人為測(cè)定的時(shí)效性，環(huán)境管理決策人員無(wú)法獲取污染源等地的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，從而無(wú)法及時(shí)偵測(cè)和應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的異常事件。由于環(huán)保數(shù)據(jù)海量龐雜，數(shù)據(jù)獲取和分類成為環(huán)保系統(tǒng)面臨的難題，因此智慧環(huán)保體系一詞應(yīng)運(yùn)而生。智慧環(huán)保體系通過(guò)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，再通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)污染源等環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效預(yù)防環(huán)境突發(fā)事件的同時(shí)最短時(shí)間內(nèi)提出應(yīng)急管理措施。環(huán)境保護(hù)工作的實(shí)際開展需要自然資源部、生態(tài)環(huán)境部等多部門協(xié)同合作，因此，環(huán)境數(shù)據(jù)的共享是各部門間開展環(huán)境保護(hù)工作的重要基礎(chǔ)。智慧環(huán)保體系將各部門獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)皆破脚_(tái)層進(jìn)行處理，再歸置至相應(yīng)部門，實(shí)現(xiàn)了部門間數(shù)據(jù)共享，降低了部門間數(shù)據(jù)獲取的難度，解決了部門間存在的“信息孤島”現(xiàn)象。當(dāng)前環(huán)境工作體系面臨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取困難、部門間信息共享困難、環(huán)境數(shù)據(jù)分析技術(shù)落后等問題。基于此，筆者介紹了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧環(huán)保體系架構(gòu)及其所需遵循的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，并對(duì)智慧環(huán)保在環(huán)境治理中的實(shí)例進(jìn)行分析，總結(jié)了智慧環(huán)保在不同環(huán)境保護(hù)工作中的體系，以期為智慧環(huán)保體系在環(huán)境治理中的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。

1 數(shù)字環(huán)?！腔郗h(huán)保的發(fā)展及轉(zhuǎn)變

1.1 數(shù)字環(huán)保概念

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)工作重視度的提高，環(huán)境保護(hù)任務(wù)越來(lái)越艱巨，標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)正向著信息化蓬勃發(fā)展，如何處理海量化、無(wú)序化的信息已經(jīng)成為環(huán)保任務(wù)面臨的挑戰(zhàn)之一。

數(shù)字環(huán)保主要通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)、3S技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和海量存儲(chǔ)技術(shù)等對(duì)環(huán)保信息進(jìn)行處理、分析和整合，確保有序高效地完成環(huán)保業(yè)務(wù)工作。VR技術(shù)主要是通過(guò)已有的大量數(shù)據(jù)建立虛擬世界[3]，環(huán)保工作者可以通過(guò)這一虛擬世界更透徹地認(rèn)知污染源監(jiān)測(cè)、生態(tài)規(guī)劃、環(huán)境管理等工作，為預(yù)測(cè)未來(lái)環(huán)境發(fā)展趨勢(shì)、環(huán)境演替規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。3S技術(shù)是地理信息系統(tǒng)(geography information systems，GIS)、全球定位系統(tǒng)(global positioning systems，GPS)和遙感(remote sensing，RS)技術(shù)的總稱。RS技術(shù)主要用于環(huán)境信息獲取，它能通過(guò)衛(wèi)星或飛機(jī)以電磁波的形式收集環(huán)境信息，并識(shí)別地物。GIS依托計(jì)算機(jī)軟件和硬件，對(duì)獲取的環(huán)境空間信息進(jìn)行綜合處理和分析。GIS的空間信息處理和分析能力較強(qiáng)，通過(guò)GIS獲得的環(huán)境制圖能有效反映各環(huán)境要素間的拓?fù)潢P(guān)系，并為污染源監(jiān)測(cè)、環(huán)境實(shí)時(shí)信息獲取及處理分析提供基礎(chǔ)知識(shí)。GPS具有全天候、實(shí)時(shí)性、快速性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各種對(duì)象的準(zhǔn)確定位，使其在測(cè)繪[4]、環(huán)境[5]、礦產(chǎn)[6]等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。RS、GPS和GIS三者之間并不是相互獨(dú)立的，通過(guò)3S技術(shù)集成，能夠構(gòu)成更為完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖1和圖2)。這一集成技術(shù)目前在很多方面都有應(yīng)用，例如Zheng等[7]應(yīng)用3S技術(shù)對(duì)水文參數(shù)模型進(jìn)行了分析，證實(shí)2個(gè)相似流域參數(shù)距離較小，說(shuō)明二者在幾何空間上很接近。谷金英等[8]結(jié)合2013年北京市TM遙感影像和地面樣地調(diào)查，構(gòu)建三維綠量模擬方程，調(diào)查了北京大尺度上的森林綠化情況，結(jié)果表明通過(guò)結(jié)合3S技術(shù)和理論模型能夠準(zhǔn)確地反映城市綠化情況，為研究城市森林生態(tài)功能，提高環(huán)保產(chǎn)業(yè)效益和布局優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

圖1 3S技術(shù)之間的關(guān)系[9]Fig.1 Relationships between 3S technologies

圖2 3S技術(shù)一體化[10]Fig.2 Integration of 3S technologies

1.2 數(shù)字環(huán)保向智慧環(huán)保的轉(zhuǎn)變

IBM(International Business Machines Corporation)于2008年11月首次提出了智慧地球(smarter planet)的概念[11];2009年8月，其發(fā)布了《智慧地球贏在中國(guó)》計(jì)劃書，正式拉開了中國(guó)智慧地球發(fā)展戰(zhàn)略的序幕。智慧地球的主要任務(wù)是把新一代的IT技術(shù)充分應(yīng)用到生活的方方面面，通過(guò)傳感器將各種生活設(shè)備連接起來(lái)形成物聯(lián)網(wǎng)，再利用超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算等將物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地球建設(shè)和人類社會(huì)系統(tǒng)的整合[12]。智慧地球的核心和基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)。為了滿足智慧城市建設(shè)過(guò)程中海量環(huán)保數(shù)據(jù)的分析、整合和處理的要求，智慧環(huán)保的理念應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字環(huán)保應(yīng)用的基礎(chǔ)上形成了智慧環(huán)保體系，即將裝備和多種感應(yīng)傳感器應(yīng)用到環(huán)境中以獲取多種環(huán)境信息，并利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等處理環(huán)境信息，通過(guò)環(huán)境保護(hù)事業(yè)與環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，最終提出更智慧的決策和管理方式[13]。智慧環(huán)保以綠色環(huán)保理念為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)作為核心技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智慧環(huán)保體系提供的數(shù)據(jù)量、集成度、可訪問性和及時(shí)性改變了之前單一的以采樣—測(cè)定—數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的環(huán)境治理方式。例如，國(guó)外的許多學(xué)者已將人工智能、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、3D物體識(shí)別算法和遺傳學(xué)習(xí)等技術(shù)應(yīng)用于生態(tài)過(guò)程的研究和管理，而這些技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展極大地提高了非生物條件下生物及微生物群落時(shí)空變化的評(píng)估能力[14]。除了生態(tài)環(huán)境管理研究，更多的學(xué)者將智慧環(huán)保體系的應(yīng)用放在了地理安全和災(zāi)害管理方面[15]。Resch等[16]開發(fā)了一種保護(hù)分布式地理服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的輕量級(jí)AAA方法以解決分布式地理基礎(chǔ)設(shè)施信息獲取和處理的安全問題。Goodchild等[17]綜述了地理災(zāi)害發(fā)生前后的地理空間數(shù)據(jù)獲取及分析，通過(guò)自愿地理信息(volunteered geographic information)這一特殊的地理空間工具，研究地理災(zāi)害過(guò)程中潛在信息和事后調(diào)查信息。但是，智慧環(huán)保體系在污染防治、生態(tài)破壞修復(fù)等方面的應(yīng)用仍存在不足。

目前人們的需求已逐漸從簡(jiǎn)單的物質(zhì)必需品轉(zhuǎn)變?yōu)橄硎軆?yōu)雅生活的精神需求，這一變化促使傳統(tǒng)的環(huán)境治理模式向智慧環(huán)保體系轉(zhuǎn)變。如何利用大幅度發(fā)展的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)人們的生態(tài)環(huán)境需求是當(dāng)前面臨的重要難題。而這一難題催生了智慧環(huán)保體系的產(chǎn)生及應(yīng)用。

2 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智慧環(huán)保體系

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧環(huán)保體系總體架構(gòu)

智慧環(huán)保體系由智慧感知層、傳輸層、智慧云平臺(tái)層、云服務(wù)層和終端用戶層組成(圖3)[18]。感知層是通過(guò)傳感器、視頻監(jiān)控、衛(wèi)星遙感等感知設(shè)備獲取污染源、環(huán)境質(zhì)量、輻射層面、生態(tài)多樣性等方面的實(shí)時(shí)(real-time)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“更透徹的感知”。感知層發(fā)展的基礎(chǔ)是傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨著環(huán)境經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境感知的硬件和軟件成本大幅降低，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速創(chuàng)新，使環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)(environmental sensor networks，ESN)開始形成和發(fā)展。ESN是應(yīng)用于污染源監(jiān)測(cè)、環(huán)境質(zhì)量變化等方面的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其檢測(cè)覆蓋范圍極其廣泛。例如，喬欣等[19]提出的基于Zigbee技術(shù)的巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能通過(guò)相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，獲取溫度、pH、溶解氧參數(shù)，全天候、實(shí)時(shí)對(duì)巢湖水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，收集到的數(shù)據(jù)能夠直接遠(yuǎn)距離傳輸?shù)较鄳?yīng)的計(jì)算軟件模塊，從而實(shí)現(xiàn)了巢湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。除了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，ESN同樣能應(yīng)用到大氣中。李春明等[20]通過(guò)構(gòu)建室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲醛、總揮發(fā)性有機(jī)物、一氧化碳、二氧化碳等指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再將已經(jīng)設(shè)置好的無(wú)線傳感器模塊應(yīng)用到車間、礦井和化工廠中，擴(kuò)大了空氣傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用范圍，極大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。

圖3 基于“物聯(lián)網(wǎng)模式”的智慧環(huán)保架構(gòu)Fig.3 Smart environmental protection framework based on Internet of Things

傳輸層是利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信等技術(shù)，收集感知層獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)交互共享，從而實(shí)現(xiàn)“更全面的互聯(lián)互通”。

智慧云平臺(tái)層的工作運(yùn)行基礎(chǔ)是傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。云平臺(tái)層首先整合來(lái)自傳輸層的海量數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、海量存儲(chǔ)技術(shù)、超級(jí)計(jì)算技術(shù)、虛擬化等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)“更深入的智能化”。智慧環(huán)保體系的建設(shè)過(guò)程中需要面對(duì)海量的、多樣化的數(shù)據(jù)，如何妥善處理及分析環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)做出智慧決策是智慧環(huán)保的重點(diǎn)。智慧云平臺(tái)層承擔(dān)環(huán)境數(shù)據(jù)處理分析的工作，并將分析好的數(shù)據(jù)傳遞到云服務(wù)層使公眾能實(shí)時(shí)了解環(huán)境信息。這不僅極大地提高了監(jiān)測(cè)工作的透明度和公眾參與度，也大大減輕了工作人員的工作壓力，更有利于工作人員結(jié)合實(shí)際情況和環(huán)境數(shù)據(jù)做出科學(xué)合理的決策。云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘及GIS技術(shù)是智慧云平臺(tái)層十分重要的數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)。云計(jì)算能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將復(fù)雜龐大的計(jì)算機(jī)程序分成多個(gè)子程序，再經(jīng)由多臺(tái)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并將結(jié)果反饋給使用者。數(shù)據(jù)挖掘融合了人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等多種理論和技術(shù)，通過(guò)分析大量數(shù)據(jù)能揭示許多有意義的新的關(guān)系、趨勢(shì)和模式。通過(guò)GIS能夠得到全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、客觀和有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，GIS能處理多源環(huán)境信息，并將環(huán)境的變化情況及規(guī)律以圖片的形式直觀表達(dá)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

智慧環(huán)保體系中可能涉及的核心技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧環(huán)保體系中核心技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of core technologies in the smart environmental protection system based on Internet of Things

云服務(wù)層。構(gòu)建云服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)及信息平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)透明度，方便各使用機(jī)構(gòu)及公民獲取數(shù)據(jù)，為環(huán)境管理、污染源治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、輻射管理實(shí)現(xiàn)“更智慧的決策”。

應(yīng)用層及用戶端。智慧環(huán)保最終的目標(biāo)是為了做出更智能的決策。通過(guò)感知層、傳輸層和服務(wù)層，數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)歷了收集、處理、分析的形態(tài)，需要進(jìn)一步分配到相應(yīng)的部門或單位進(jìn)行應(yīng)用。如何使用處理分析完成的數(shù)據(jù)并以此為依據(jù)作出合理、智能的決策是應(yīng)用層存在的意義。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主要目標(biāo)是維護(hù)和提升生態(tài)系統(tǒng)完整性及其生態(tài)服務(wù)功能。經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)產(chǎn)生的環(huán)境污染和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作面臨的巨大挑戰(zhàn)。智慧環(huán)保體系的感知層和智慧云平臺(tái)層能實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的智能處理，并通過(guò)集中多個(gè)層面的環(huán)境資源，建立高效安全的環(huán)境信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的智能處理。智慧環(huán)保體系的信息收集仍以人工監(jiān)測(cè)為主，通過(guò)污染現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)和信息收集，智慧環(huán)保體系能提供環(huán)境問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高科研工作者及廣大人民群眾對(duì)環(huán)境治理工作的重視及關(guān)注程度。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)在智慧環(huán)保體系構(gòu)建中的應(yīng)用

智慧環(huán)保體系的每個(gè)層次都需要物聯(lián)網(wǎng)的參與。智慧感知層是整個(gè)智慧環(huán)保體系的基礎(chǔ)，發(fā)揮著信息收集的作用。智慧感知層通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境檢測(cè)設(shè)備及傳感器、監(jiān)控?cái)z像等檢測(cè)系統(tǒng)獲取所需要的環(huán)保數(shù)據(jù)、相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況及可能存在的環(huán)境報(bào)警信息，為服務(wù)層提供所需的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的一體化感知和認(rèn)識(shí)。這一過(guò)程中物聯(lián)網(wǎng)作為技術(shù)支持為數(shù)據(jù)獲取提供支撐。傳輸層是通過(guò)各種傳輸網(wǎng)絡(luò)，將智慧感知層獲取的數(shù)據(jù)安全、準(zhǔn)確和高效地傳輸?shù)焦芾韺?。環(huán)保領(lǐng)域數(shù)據(jù)具有多樣性，對(duì)傳輸要求較高。針對(duì)不同的傳輸業(yè)務(wù)需求，所能選取的無(wú)線廣域網(wǎng)也有所不同。針對(duì)功耗較低、覆蓋較廣的業(yè)務(wù)傳輸工作需求，主要選用低功耗的無(wú)線廣域網(wǎng)，常見的窄帶物聯(lián)網(wǎng)有NB-IoT網(wǎng)絡(luò)[21]、LoRa網(wǎng)絡(luò)[22]和基于LTE優(yōu)化的e MTC網(wǎng)絡(luò)[23]等。針對(duì)長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)傳輸及大數(shù)據(jù)傳輸，需要使用4G、5G、以太網(wǎng)和WIFI等帶寬更大的傳輸網(wǎng)絡(luò)。智慧云平臺(tái)層主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸層來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能管理，并對(duì)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和可視化分析展示，全程為服務(wù)層提供全面的數(shù)據(jù)支撐。IoT設(shè)備管理服務(wù)平臺(tái)[24]是目前較常用的支撐上下層服務(wù)的智慧云平臺(tái)層設(shè)備。針對(duì)環(huán)保領(lǐng)域，環(huán)境管理部門構(gòu)建了環(huán)保IoT設(shè)備管理平臺(tái)，這一平臺(tái)能通過(guò)使用智慧環(huán)保邊緣智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接入、數(shù)據(jù)獲取及遠(yuǎn)程配置和調(diào)控，同時(shí)提供數(shù)據(jù)接口供服務(wù)層使用。云服務(wù)層所針對(duì)的服務(wù)對(duì)象和用戶類別較多，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為精細(xì)的劃分及分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境問題的預(yù)警預(yù)報(bào)和追蹤溯源，為環(huán)保部門及環(huán)保行業(yè)提供精細(xì)化服務(wù)和科學(xué)決策依據(jù)。整個(gè)云服務(wù)層通過(guò)智慧環(huán)保智能網(wǎng)關(guān)為環(huán)保行業(yè)提供有效數(shù)據(jù)，對(duì)外提供的服務(wù)是，針對(duì)一些比較嚴(yán)重和需要及時(shí)處理的污染信息，云服務(wù)層能及時(shí)反饋到應(yīng)用平臺(tái)，為污染追蹤溯源提供有效依據(jù)。終端用戶層對(duì)數(shù)據(jù)的獲取需要依賴物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)智慧環(huán)保智能網(wǎng)關(guān)，用戶能更方便快捷地獲取所需的環(huán)保數(shù)據(jù)。

2.3 智慧環(huán)保體系建設(shè)面臨的問題

(1)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備成熟度低。數(shù)據(jù)獲取是整個(gè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。只有獲取完善、可靠的數(shù)據(jù)才能為智慧環(huán)保體系運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致智慧環(huán)保體系分析對(duì)象缺失，最終嚴(yán)重阻礙智慧環(huán)保體系的運(yùn)行。

(2)信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。各部門之間缺少統(tǒng)籌規(guī)劃和組織協(xié)調(diào)，導(dǎo)致獲取的環(huán)境信息相對(duì)封閉、業(yè)務(wù)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。此外，部門之間尚未建設(shè)完備的共享平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集具有重復(fù)性，數(shù)據(jù)利用率低，這些問題大大降低了工作效率，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，信息共享率低，很大程度上增加了環(huán)保工作者的工作量。

(3)信息透明度低。環(huán)保工作不能只依賴于環(huán)保部門工作人員，而應(yīng)該協(xié)調(diào)公眾，提高公眾參與度。由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各部門之間對(duì)涉密、非涉密的工作數(shù)據(jù)規(guī)定各不相同，能與公眾分享的數(shù)據(jù)也相對(duì)有限。公眾只能通過(guò)已公布的環(huán)境數(shù)據(jù)了解地方環(huán)境質(zhì)量，但事實(shí)上公眾往往很難通過(guò)環(huán)境數(shù)據(jù)形成對(duì)環(huán)境質(zhì)量的自我判斷，長(zhǎng)此以往，公眾對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作的關(guān)心和參與度逐漸下降。同時(shí)，信息不透明在某種程度上忽視了公眾在環(huán)保工作中的作用，這不利于公眾配合環(huán)保工作，無(wú)形中增加了環(huán)保工作開展的難度。

(4)環(huán)境信息龐雜，無(wú)法共享。環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)不僅具有豐富的環(huán)境監(jiān)測(cè)在線數(shù)據(jù)、污染源普查數(shù)據(jù)、節(jié)能減排數(shù)據(jù)等環(huán)保相關(guān)數(shù)據(jù)，還有人事部門的人事數(shù)據(jù)，科技部門的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)目前是由各部門分開管理使用，存放于不同的數(shù)據(jù)平臺(tái)，很難做到數(shù)據(jù)共享，同時(shí)由于缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)無(wú)法被統(tǒng)一整合。科學(xué)研究的數(shù)據(jù)獲取一直是研究人員面臨的困難，數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的開通，能夠加強(qiáng)各部門的合作，有利于整體環(huán)保研究工作的開展。

2.4 智慧環(huán)保環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

智慧環(huán)保環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)包括環(huán)境信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、環(huán)境信息運(yùn)行管理和環(huán)境信息安全保障三大類(圖4)，這三大類標(biāo)準(zhǔn)最終服務(wù)于環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)架[25]Fig.4 Environmental informatization standard system framework diagram

當(dāng)前環(huán)境信息化存在著數(shù)據(jù)更新不及時(shí)、透明度低、各自為政的問題，急需統(tǒng)一規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)體系。建立信息標(biāo)準(zhǔn)體系，能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)工作提供指導(dǎo)和規(guī)范，使環(huán)保部門人員的工作有章可循，最終將所有環(huán)保信息部門歸納到同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系下工作。環(huán)境信息標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是推動(dòng)和促進(jìn)環(huán)境信息化發(fā)展的依據(jù)和保障，加快環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)是智慧環(huán)保工作的重要內(nèi)容之一。

智慧信息運(yùn)行管理需要從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行及管理等方面進(jìn)行分析，從管理及決策角度提出環(huán)境保護(hù)方案及建議。智慧信息運(yùn)行管理通過(guò)完善環(huán)境信息運(yùn)行管理系統(tǒng)，加強(qiáng)環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，故障報(bào)告和應(yīng)急處理工作，以保證整個(gè)智慧環(huán)保體系安全高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

智慧環(huán)保體系需要統(tǒng)籌兼顧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)、國(guó)家電子政務(wù)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求較高。因此，智慧環(huán)保體系必須以環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建設(shè)一個(gè)完整、多方面、多層次的安全保障體系，其中全方位、易于管理和維護(hù)的安全防御體系是智慧環(huán)保體系建設(shè)的保障。

智慧標(biāo)準(zhǔn)體系的最終目標(biāo)是保障智慧環(huán)保體系正常、合理的運(yùn)行，最根本宗旨是滿足人們對(duì)美好生態(tài)環(huán)境的需求，因此整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系需要政府把關(guān)，通過(guò)政府出面統(tǒng)籌完成信息的整合，為智慧環(huán)保體系建成統(tǒng)一可行的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 智慧環(huán)保體系在環(huán)境治理中的應(yīng)用

城市是環(huán)境治理的平臺(tái)，智慧環(huán)保體系需要以城市為依托，有針對(duì)性地對(duì)城市土壤、大氣、水體、噪聲等要素建設(shè)完善的監(jiān)管體系。目前，智慧環(huán)保在城市治理上的應(yīng)用尚屬探索階段。由于智慧環(huán)保的城市治理的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、模式等方面存在不足，需要將智慧環(huán)保體系由以人工監(jiān)測(cè)管理為主的環(huán)保模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐晕锫?lián)網(wǎng)為主的智慧模式，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)環(huán)境管控，提高城市環(huán)境質(zhì)量，減少環(huán)境能源和資源的浪費(fèi)，提高整體環(huán)境能效。智慧環(huán)保的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、模式能夠?yàn)橹腔郗h(huán)保城市治理的推進(jìn)提供良好的范例和可行的路徑，為將來(lái)全面推進(jìn)智慧環(huán)保體系建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的社會(huì)和技術(shù)基礎(chǔ)。城市環(huán)境治理是整個(gè)城市建設(shè)的重要模塊，智慧環(huán)境治理作為智慧城市建設(shè)的嘗試和創(chuàng)新，其應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)效果對(duì)未來(lái)智慧城市發(fā)展方向和治理水平具有直接影響，對(duì)城市治理具有重要的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。污染源監(jiān)控管理信息系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理系統(tǒng)、核安全與輻射管理信息系統(tǒng)和環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)是目前應(yīng)用智慧環(huán)保體系最多的幾個(gè)環(huán)境行業(yè)。

3.1 污染源監(jiān)控管理信息系統(tǒng)

環(huán)境質(zhì)量好壞直接影響人類健康和生態(tài)環(huán)境安全，保證環(huán)境質(zhì)量良好、減少和控制環(huán)境污染是人類在自然界生存及與自然和諧相處的保障。保證環(huán)境質(zhì)量的前提是隨時(shí)隨地掌握環(huán)境質(zhì)量情況，而污染源監(jiān)控工作是了解環(huán)境質(zhì)量狀況的根本性手段。然而，常規(guī)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)目前面臨著樣品采集困難、數(shù)據(jù)更新不及時(shí)等問題。環(huán)境污染源自動(dòng)監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)能有效解決這一問題。通過(guò)常規(guī)環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息通信技術(shù)的結(jié)合，將高密度的傳感器和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布置到環(huán)境空間中，能隨時(shí)獲取海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取和環(huán)境監(jiān)測(cè)。例如，南京市建鄴區(qū)的水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能根據(jù)區(qū)內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及要求分配不同采樣點(diǎn)。監(jiān)測(cè)位點(diǎn)設(shè)置方面，在保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性的同時(shí)，根據(jù)區(qū)內(nèi)莫愁湖和南湖湖泊水系分布現(xiàn)狀，將監(jiān)測(cè)位點(diǎn)設(shè)置在河面4個(gè)方向。監(jiān)測(cè)指標(biāo)方面，遵循“代表性指標(biāo)必須要監(jiān)測(cè)，其他指標(biāo)酌情考慮”的原則有針對(duì)性地選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)參數(shù)指標(biāo)。通過(guò)建立完整的智慧環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，解決了以往人工采樣的低效率問題[26]。Yan等[27]通過(guò)建設(shè)自動(dòng)采樣傳感器獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)，再通過(guò)向科研人員和專業(yè)人士收集信息，將水質(zhì)監(jiān)測(cè)和先進(jìn)數(shù)據(jù)技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，以支持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估，并將所有的數(shù)據(jù)分解、合成進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，用于評(píng)估與水質(zhì)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。最后，從大數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的角度，探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)中水質(zhì)評(píng)價(jià)的技術(shù)障礙和機(jī)遇。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能屏蔽人工檢測(cè)受到的天氣、排污等因素影響，實(shí)時(shí)獲取水體質(zhì)量變化，對(duì)突發(fā)事件做出預(yù)警，減少重大環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的可能性。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也一直在發(fā)展進(jìn)步。智慧環(huán)保大氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析，再根據(jù)分析結(jié)果提供空氣污染精細(xì)化服務(wù)，同時(shí)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)平臺(tái)和手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，方便用戶實(shí)時(shí)查看和監(jiān)管數(shù)據(jù)。圖5 展示了智慧環(huán)保大氣環(huán)境系統(tǒng)架構(gòu)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效提高了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和信息透明度。公眾能隨時(shí)隨地查看大氣質(zhì)量，有利于公眾深入了解大氣質(zhì)量變化對(duì)其生活的影響，同時(shí)，公眾會(huì)更加配合未來(lái)科研工作者開展的實(shí)地調(diào)查工作。

圖5 智慧環(huán)保大氣環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)[27]Fig.5 Schematic diagram of the architecture of intelligent environmental protection atmospheric environment real-time monitoring and analysis service platform

3.2 生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理系統(tǒng)

生態(tài)監(jiān)測(cè)是利用物理、化學(xué)、生態(tài)學(xué)手段，對(duì)生態(tài)環(huán)境中的特定地域范圍生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)系統(tǒng)中各要素的類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行定期、系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)[28-29]。一般來(lái)說(shuō)，生態(tài)監(jiān)測(cè)根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的空間尺度可以分為宏觀和微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)。宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)的對(duì)象是某特定生態(tài)系統(tǒng)。在宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，研究人員應(yīng)用生態(tài)效果圖技術(shù)、遙感技術(shù)，輔以專業(yè)的信息處理分析系統(tǒng)，構(gòu)建科學(xué)合理的地理信息系統(tǒng)，最終獲取生態(tài)系統(tǒng)信息，了解生態(tài)系統(tǒng)的變化，對(duì)任何可能的突發(fā)緊急事件采取緊急措施。微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象的地域等級(jí)可以包括幾個(gè)生態(tài)系統(tǒng)組成的景觀生態(tài)區(qū)，也可以是代表單一的生態(tài)類型。微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)需要大量工作基站，采用物理、化學(xué)和生物學(xué)方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各組成成分進(jìn)行分析并提取數(shù)據(jù)信息。微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)是宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)又是微觀生態(tài)監(jiān)測(cè)的主導(dǎo)方向，一個(gè)完整的生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備宏觀和微觀2種尺度生態(tài)監(jiān)測(cè)方案。如圖6所示，生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析服務(wù)平臺(tái)首先通過(guò)野外傳感器對(duì)生態(tài)環(huán)境中各種參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)自動(dòng)處理和分析后交予數(shù)據(jù)使用門戶，由管理者進(jìn)行進(jìn)一步分析和操作。

圖6 智慧環(huán)保生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)[38]Fig.6 Schematic diagram of intelligent environmental protection ecological environment real-time monitoring and analysis service platform architecture

同常規(guī)的環(huán)境生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，遙感技術(shù)與生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合不僅能夠提高生態(tài)監(jiān)測(cè)的效率，更重要的是能解決一些常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法解決的問題。例如，薇甘菊是一種入侵性極強(qiáng)的雜草，20世紀(jì)80年代初入侵我國(guó)后造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。盡管我國(guó)學(xué)者一直在研究其生長(zhǎng)特性、入侵機(jī)制和防控策略[30-31]，但是防控效果不理想，區(qū)域性的爆發(fā)時(shí)有發(fā)生且難以監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)具有一定的時(shí)空分辨率，能有效區(qū)分環(huán)境中入侵物種和本土物種[32]。孫中宇等[33]提出了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)識(shí)別和監(jiān)測(cè)薇甘菊爆發(fā)點(diǎn)，通過(guò)連接無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、可見光相機(jī)和影像處理系統(tǒng)成功建立低空遙感系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于低空獲取高分辨率的紅綠藍(lán)波段影像，并利用波段運(yùn)算、深度學(xué)習(xí)和影像分割對(duì)薇甘菊進(jìn)行識(shí)別，最終確定薇甘菊爆發(fā)點(diǎn)。某一區(qū)域尺度上對(duì)薇甘菊的擴(kuò)散機(jī)制、預(yù)警防控研究主要依賴于空間上識(shí)別和定量化，而無(wú)人機(jī)遙感因其特殊的分辨率能有效進(jìn)行入侵植物識(shí)別和定量研究[34]，有望推動(dòng)區(qū)域尺度上預(yù)警、防控入侵植物的研究。除了單一入侵物種研究之外，生態(tài)監(jiān)測(cè)的區(qū)域也可以覆蓋整個(gè)植被范圍。受氣候條件影響，植物生長(zhǎng)狀況變化較為明顯，及時(shí)開展植被生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，了解植被生長(zhǎng)狀況是生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的重要組成部分[35]。信息化在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也逐漸增多。在完善的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的支持下，農(nóng)民可以簡(jiǎn)單地使用數(shù)字操作系統(tǒng)，在短時(shí)間內(nèi)提高農(nóng)作物產(chǎn)量并降低成本。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能通過(guò)已有的數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)田肥料用量和植物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行精確估算，降低農(nóng)藥過(guò)量施用對(duì)土壤造成的危害[36]。錢拴等[37]采集MODIS衛(wèi)星與NDVI數(shù)據(jù)，相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，植被類型、土地質(zhì)地和利用方式等數(shù)據(jù)進(jìn)行植被覆蓋率和初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)的估算，并構(gòu)建植被生態(tài)質(zhì)量變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)模型。利用該模型對(duì)比2017年植被生態(tài)質(zhì)量指數(shù)和多年均值，繪制全國(guó)地理空間植被綜合生態(tài)質(zhì)量指數(shù)多年變化趨勢(shì)圖，較為直觀地展示了我國(guó)年植被生態(tài)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的分布格局，也反映了植被-氣候帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)

近年來(lái)，我國(guó)環(huán)境緊急突發(fā)事件頻發(fā)，如2005年松花江水污染事件，“8·12”天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故，廣西鎘污染事件，“11·24”甘肅銻泄漏事件等，這些突發(fā)事件嚴(yán)重威脅了人體健康。如何妥善處置各類突發(fā)環(huán)境事件，扎實(shí)完成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控工作，減少突發(fā)事件中人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并做出合理的應(yīng)急方案是當(dāng)前應(yīng)對(duì)環(huán)境突發(fā)事件的最主要目標(biāo)。

智慧環(huán)保體系下環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)能在第一時(shí)間給出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，做出最為合理的人員調(diào)配和物資分配。環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)需要搭建一套應(yīng)對(duì)突發(fā)環(huán)境事故的管理系統(tǒng)和平臺(tái)，對(duì)重點(diǎn)河流、工廠園區(qū)等地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最終目標(biāo)是提高政府部門應(yīng)對(duì)環(huán)境突發(fā)事件的能力，增強(qiáng)部門間聯(lián)動(dòng)，以最快速度對(duì)突發(fā)事件做出響應(yīng)[39]。環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)主要由8個(gè)系統(tǒng)組成(圖7)。

圖7 環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)Fig.7 Environmental emergency information management system

數(shù)據(jù)交換平臺(tái)是整個(gè)突發(fā)事件應(yīng)急信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括環(huán)境數(shù)據(jù)信息和管理部門的管理數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)將應(yīng)急管理涉及的部門納入到同一個(gè)大的數(shù)據(jù)獲取及交流網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)部門間交流，實(shí)現(xiàn)多部門、多層次的協(xié)同合作。

預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)是對(duì)可能發(fā)生的環(huán)境突發(fā)事件的信息進(jìn)行預(yù)警分級(jí)的直接平臺(tái)。預(yù)警系統(tǒng)包括信息監(jiān)測(cè)和報(bào)告生成、隱患分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)警分級(jí)和發(fā)布的功能。通過(guò)信息監(jiān)測(cè)生成報(bào)告，工作人員能直接獲取地區(qū)基本信息及可能出現(xiàn)的不正常參數(shù)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)事故嚴(yán)重性進(jìn)行分級(jí)，決策人員可以通過(guò)事故預(yù)警分級(jí)采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，并通報(bào)公眾以減少公眾恐慌。

數(shù)據(jù)預(yù)案系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)共同作用能對(duì)突發(fā)事件做出合理可行的決策。環(huán)境應(yīng)急管理信息系統(tǒng)能在突發(fā)事件發(fā)生后迅速作出反應(yīng)，提出切實(shí)可行的應(yīng)急方案。而數(shù)據(jù)預(yù)案系統(tǒng)能按照預(yù)警分級(jí)、事件預(yù)案類別、分析模型提前做出一套預(yù)警方案，這套預(yù)警方案會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)條件的改變而做出調(diào)整，由于環(huán)境突發(fā)事件具有不確定性，所以數(shù)據(jù)預(yù)案系統(tǒng)可以作為突發(fā)事件發(fā)生后管理決策的參考。傳統(tǒng)的決策系統(tǒng)很多時(shí)候需要依靠決策者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷，而處理復(fù)雜的環(huán)境突發(fā)事件時(shí)，決策的影響因素增加，這就要求決策者在指定決策時(shí)需要考慮更多要素。當(dāng)前，環(huán)境突發(fā)事件越來(lái)越復(fù)雜，僅靠決策者經(jīng)驗(yàn)和直覺判斷并不能做出一份相對(duì)完善的應(yīng)急管理決策，借助決策支持系統(tǒng)，以信息和計(jì)算機(jī)、仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)空間數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，結(jié)合能支撐決策活動(dòng)的智能人機(jī)系統(tǒng)，能提供更為科學(xué)合理的應(yīng)急管理決策和方案。

指揮調(diào)度系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急決策指揮數(shù)據(jù)的發(fā)布、實(shí)時(shí)會(huì)議溝通及數(shù)據(jù)信息反饋和顯示。整個(gè)應(yīng)急指揮系統(tǒng)能為所有參與突發(fā)事件應(yīng)急管理的決策者及工作人員提供便利的、實(shí)時(shí)交流的平臺(tái)。環(huán)境應(yīng)急事故現(xiàn)場(chǎng)處理是指揮調(diào)度的目標(biāo)。工作人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整指揮決策，而現(xiàn)場(chǎng)處置與反饋系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)情況，有利于指揮調(diào)度系統(tǒng)指導(dǎo)工作人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行決策調(diào)整，因此現(xiàn)場(chǎng)處置與反饋系統(tǒng)作為應(yīng)急管理系統(tǒng)中決策和現(xiàn)場(chǎng)行動(dòng)的連接系統(tǒng)，需要具有較高的機(jī)動(dòng)性和響應(yīng)能力。災(zāi)后評(píng)估系統(tǒng)一般從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境3個(gè)方面對(duì)危險(xiǎn)物質(zhì)和災(zāi)害損失進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，災(zāi)后評(píng)估系統(tǒng)需要對(duì)自然生態(tài)環(huán)境所遭受的污染及生態(tài)破壞程度、經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失進(jìn)行評(píng)估，再根據(jù)災(zāi)害分級(jí)建設(shè)相應(yīng)的損失補(bǔ)償機(jī)制。

培訓(xùn)演練系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)貫穿于整個(gè)環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)。其功能是通過(guò)模擬實(shí)際情況，加強(qiáng)應(yīng)急平臺(tái)相關(guān)工作人員對(duì)應(yīng)急管理系統(tǒng)和突發(fā)事件處理的熟悉度。通過(guò)應(yīng)急事件培訓(xùn)演練系統(tǒng)，相關(guān)人員可以深入了解自身在整個(gè)環(huán)境應(yīng)急信息管理系統(tǒng)的崗位職責(zé)，有利于增強(qiáng)整個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)的協(xié)作性。

3.4 核安全與輻射信息管理系統(tǒng)

核技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域[40-42]，然而核素不穩(wěn)定產(chǎn)生的電離輻射和不當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施都有可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。核輻射波及的范圍較大，放射物質(zhì)一旦進(jìn)入湖泊、河流等生態(tài)環(huán)境中，會(huì)嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類健康，因此核安全問題更應(yīng)受到重視。構(gòu)建合理可靠的核安全與輻射信息管理系統(tǒng)，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)放射性污染源進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，避免核設(shè)施破壞及放射性物質(zhì)泄漏，或是在事故發(fā)生后第一時(shí)間做出相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，是目前核科學(xué)技術(shù)發(fā)展亟待解決的重要問題。核安全與輻射信息管理系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集獲取、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和核輻射應(yīng)急處理決策3個(gè)部分。首先，對(duì)已有的核資源進(jìn)行實(shí)際考察，根據(jù)核資源數(shù)量和分布建立基本的數(shù)據(jù)庫(kù)。為了獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，建設(shè)移動(dòng)源污染監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化計(jì)算管理。其次，建立以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。建設(shè)一個(gè)相對(duì)完善和自動(dòng)預(yù)警的全國(guó)性輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)核輻射事故的最根本措施。這一系統(tǒng)能第一時(shí)間感應(yīng)環(huán)境變化，對(duì)突發(fā)事件做出響應(yīng)，并及時(shí)給應(yīng)急管理部門提供信息，極大地提高了應(yīng)急管理部門應(yīng)對(duì)突發(fā)核輻射事故的反應(yīng)速度。最后，建立核安全突發(fā)事件的應(yīng)急決策系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建適合我國(guó)情況的核輻射突發(fā)事件應(yīng)急系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)可能出現(xiàn)的核輻射突發(fā)事件做出分析和預(yù)警，為決策者做出合理科學(xué)的應(yīng)急防護(hù)措施提供技術(shù)支持，是核輻射應(yīng)急決策系統(tǒng)最主要的目標(biāo)。劉占陽(yáng)等[43]建立了以濱海核電站海上γ輻射劑量率為基礎(chǔ)的智能化自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在無(wú)人值守的情況下為核電站提供實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能有效提高管理層對(duì)核電站信息的掌握程度和速度，對(duì)可能產(chǎn)生的問題做出最快響應(yīng)。核輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)作為智慧環(huán)保體系的一環(huán)，能有效減少環(huán)境突發(fā)事件產(chǎn)生的可能，同時(shí)，完善了智慧環(huán)保在環(huán)境管理系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4 智慧環(huán)保體系在環(huán)境治理中應(yīng)用面臨的困難及發(fā)展方向

環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是制約整個(gè)智慧環(huán)保體系發(fā)展的重要因素。以土壤監(jiān)測(cè)為例，各省(區(qū)、市)地勢(shì)和地理資源各有特點(diǎn)[44]，人為采樣難度大、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，因此土壤自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在土壤監(jiān)測(cè)中尤其重要。相較大氣和水體，旱地土壤和濕地在測(cè)定時(shí)更為復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求也更高。FDR土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀是新研發(fā)的土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要是通過(guò)土壤的介電特性來(lái)反演土壤水分含量，其構(gòu)造合理，精度較高[45]，可以適用于小范圍內(nèi)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)。土壤作為不均勻的介質(zhì)，取樣點(diǎn)的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致其數(shù)據(jù)具有較大誤差，為了降低這種誤差，一般在土壤環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)時(shí)需要充分混合土壤樣品，但自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)是確定的，這就造成環(huán)境土壤樣品自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差相對(duì)較大。因此，提高土壤樣品自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度成為當(dāng)前土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)面臨的問題。環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作是環(huán)境污染治理、環(huán)境管理的基礎(chǔ)，及時(shí)、迅速地掌握環(huán)境質(zhì)量狀況需要強(qiáng)大的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持。環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀精度的提高是整個(gè)環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確及時(shí)開展工作的重要起點(diǎn)，也是整個(gè)智慧環(huán)保體系工作的基礎(chǔ)。

越來(lái)越多的生態(tài)大數(shù)據(jù)項(xiàng)目的建立增加了環(huán)境信息風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能[46]。智慧環(huán)保體系需要以大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為依托，海量環(huán)境信息貫穿了整個(gè)智慧環(huán)保體系，如何保證環(huán)境信息安全，防止數(shù)據(jù)泄露是智慧環(huán)保的重要議題之一。例如，環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果大多數(shù)是可公開的，對(duì)保密要求低，但是一些環(huán)境行業(yè)的數(shù)據(jù)具有敏感性，如自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、國(guó)家重點(diǎn)文物等地的環(huán)境數(shù)據(jù)需要進(jìn)行保密[47]，這就涉及信息泄露，網(wǎng)絡(luò)安全的問題。為了滿足環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)安全要求，需要在局域網(wǎng)各連接口建立安全可靠的鏈接并定時(shí)更新維護(hù)，提高對(duì)信息安全的重視程度。整體來(lái)說(shuō)，智慧環(huán)保體系網(wǎng)絡(luò)安全要求如下：需要高效的網(wǎng)絡(luò)管理軟件完成對(duì)海量環(huán)境信息的處理；需要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直觀準(zhǔn)確地了解環(huán)境數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際運(yùn)行情況；需要網(wǎng)絡(luò)管理軟件對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)警，以保證管理人員及時(shí)做出響應(yīng)，保障環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[48]。

我國(guó)智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊，推動(dòng)智慧環(huán)保體系的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化是推動(dòng)環(huán)保和經(jīng)濟(jì)同時(shí)發(fā)展的重要措施。自2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要的通知》，2016年國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)《“互聯(lián)網(wǎng)+”綠色生態(tài)三年行動(dòng)實(shí)施方案》以來(lái)，智慧環(huán)保已經(jīng)成為蓬勃發(fā)展的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求巨大，各省(區(qū)、市)對(duì)環(huán)保尤其是智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重視度逐漸提高，大大推動(dòng)了智慧環(huán)保體系向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)智慧環(huán)保建設(shè)仍是以政府為主導(dǎo)、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)為輔的模式[49]。如衢州市智慧環(huán)保體系是典型的政府購(gòu)買服務(wù)、企業(yè)組織運(yùn)行、公眾參與的三位一體智慧環(huán)保建設(shè)模式[50]，同時(shí)也是目前應(yīng)用較為廣泛的智慧環(huán)保產(chǎn)業(yè)商業(yè)化模式。政府購(gòu)買服務(wù)的商業(yè)化模式增加了政府資金缺口，加大了政府壓力，不利于一些經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)推行智慧環(huán)保政策，因此如何增加智慧環(huán)保和環(huán)境治理的商業(yè)化模式，推動(dòng)企業(yè)參與智慧環(huán)保體系建設(shè)，減輕政府負(fù)擔(dān)是智慧環(huán)保在環(huán)境治理應(yīng)用上的關(guān)鍵問題之一。

未來(lái)，智慧環(huán)保體系發(fā)展的方向主要是深度和廣度2個(gè)方面。廣度就是擴(kuò)大智慧環(huán)保體系的應(yīng)用范圍。當(dāng)前，智慧環(huán)保體系涵蓋了水體(地表水和地下水)[51]、土壤[52]、大氣[53]、噪聲[54]等多個(gè)方面，涉及環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)、污染源監(jiān)測(cè)、環(huán)境應(yīng)急系統(tǒng)處理及環(huán)境突發(fā)事件處理等多個(gè)層面。海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)，核輻射和電磁輻射安全管理及化學(xué)廢物、危險(xiǎn)品安全管理等其他環(huán)境管理的重要組成部分尚未得到重視。固體廢物和化學(xué)危險(xiǎn)廢物處理一直是實(shí)驗(yàn)室、化工產(chǎn)業(yè)面臨的重要問題。固體廢物，尤其是危險(xiǎn)廢物處理不當(dāng)極容易產(chǎn)生安全事故，通過(guò)智慧環(huán)保體系中的危險(xiǎn)廢物運(yùn)輸自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)危險(xiǎn)廢物的運(yùn)輸路線及運(yùn)輸過(guò)程中的性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以保證化工企業(yè)管理人員隨時(shí)掌握危險(xiǎn)廢物在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)、物理變化，并能在發(fā)現(xiàn)異常變化的第一時(shí)間做出應(yīng)對(duì)，降低事故發(fā)生的可能性及危害性。深度就是通過(guò)提高智慧環(huán)保體系自身的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，提升整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用水平。監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)始終是智慧環(huán)保體系發(fā)展的制約因素。提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度能從根本上提高智慧環(huán)保體系網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的感知能力，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能保證整個(gè)系統(tǒng)正確的運(yùn)行，有效的環(huán)境信息安全管理系統(tǒng)能保障整個(gè)系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行。