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          大數據在生態環境監測與評價中的應用與研究進展

          發布時間:2018/5/15 11:47:22    作者:    瀏覽次數:7917

          隨著信息化的發展,科學技術水平提高,大數據來源日益豐富。我國生態環境監測、氣象監測、水文監測、國土資源監測等每年都積累大量數據。應用于生態環境的大數據主要可分為五類,包括地面監測數據、衛星遙感監測數據、地理信息數據、社會統計數據以及其他數據。地面監測數據主要來源于各地的生態環境在線監測系統。衛星遙感監測數據主要來源于衛星遙感數據和航空遙感數據,包括地形、植被覆蓋等數據,是涉及不同區域、不同時間序列的龐大數據。地理信息數據的來源主要有野外采集、地圖數字化和航天遙感采集、攝影測量等。社會統計資料包括大量經濟社會數據的統計資料,包括人口、經濟等,來自于統計部門?;ヂ摼W上很多與生態環境有關的文字、圖片、視頻等也是大數據來源。

          大數據在解決生態環境問題時形成了生態環境大數據獨一無二的特征,具有“天地空一體”的巨大數據量,類型、來源和格式具有復雜多樣性,需要將動態新數據和歷史數據相結合處理,具有很高的應用價值和不確定性。

          生態環境問題是全人類普遍面臨的問題,其研究需要對海量數據進行收集、整理與分析,這就需要大數據的建設與應用,要推動建立生態環境變化監測網,大氣、河流、海洋、冰川、土壤、植被等廣泛監測,并實現相關數據的整合互聯。生態環境監測的數據獲取可通過生態網絡監測、衛星遙感影像、無人機數據、物聯網技術等手段獲取。

          中國不同部門和單位陸續建立了一批生態環境監測站,開展了不同區域的環境、資源、污染的調查與研究工作。生態環境監測網絡包括中國科學院建立的中國生態系統研究網絡,覆蓋了農田、森林、草原、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特及城市9類生態系統。林業部門建立的中國森林生態系統定位研究網絡(CFERN),覆蓋了濕地、荒漠、竹林和城市生態系統。隨著生態系統網絡的發展,生態站數據采集和傳輸的能力逐漸增強,建立了用無線傳感器網絡,提高了數據觀測自動化水平,并以此為基礎建立了生態傳感網絡服務平臺。

          遙感技術因其具有觀測范圍廣、數據信息量大、精度高、實時性和動態性強等特點,現已成為生態環境監測和評估的主要手段。遙感傳感器可提供多樣化的數據,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、區域生態環境狀況、礦區生態狀況的監測。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、不同時間序列的鹽漬化監測;利用不同遙感影像進行不同區域的土地沙漠化動態監測; 利用多光譜遙感影像進行太湖生態環境監測;利用遙感生態指數,基于Landsat7和Landsat8影像數據進行礦區的生態變化監測。

          無人機遙測系統是一種高精度的現代航空攝影測量技術,在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢,已在生態環境監測方面開始展開應用,是生態環境監測的重要手段之一,采用無人機遙測系統可以很好地完成大范圍水土保持監測任務,是常規監測方法的有力補充 ,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 態現狀的高精度遙感調查,進行地質災害的遙感解譯。

          生態環境監測數據通過在線傳輸,實現標準化處理-質量控制-實時入庫,在空間數據庫基礎上,構建生態環境信息服務系統,通過生態站數據管理系統和綜合中心信息共享平臺,加強了動態觀測數據的質量控制,為科研需求提供數據共享服務,大數據在其中的利用越來越廣泛。

          左羽和龍從霞利用計算機網絡、服務器和存儲器技術構建生態環境監測系統的分布式硬件平臺,在此基礎上采用主流軟件平臺搭建軟件開發環境,采用Geodatabase技術構建生態環境數據庫。

          王亮緒等在數據庫建立基礎上,依托互聯網和地理信息系統技術,組建生態環境數據共享平臺,發掘監測數據的科學價值。

          魏東等將物聯網技術應用于煤電基地生態環境監測,從感知層、傳輸層、支撐層、應用層、用戶層的角度明確生態環境監測技術體系,提高了信息采集效率,改善了信息獲取方式,改善了傳統的環境監測成本和傳輸問題。

          曹騮和吳修將空氣污染數據與 Hadoop 平臺結合,對監測數據進行分析,預測未來氣候變化。

          李新等針對生態監測物聯網應用的幾個核心環節開展關鍵技術的研發,包括生態監測物聯網系統的技術標準、數據記錄傳輸技術、遠程無線組網與傳輸技術和生態監測信息化技術,開發數據全自動采匯、實時共享、可在線應用的生態監測信息系統。

          生態環境大數據是在對生態環境要素連續觀測的基礎上,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據分析技術,實現生態環境大數據的集成分析和信息挖掘。大數據在生態環境評價方面,可以運用其數據分析方面的優勢,進行生態環境質量評價、生態脆弱性評價、生態安全評價、生物多樣性評價,為生態環境的決策管理提供科學依據。

          生態環境質量評價可為區域生態環境的治理、改善以及發展規劃提供重要參考。生態環境質量評價目前已建立了一系列評價指標體系和評價方法,內容包括生態環境遙感信息獲取、評價指標體系構建、不同尺度對象的評價、評價技術手段和方法模型探索幾個方面。2015年頒布的正式版生態環境狀況評價技術規范(HJ192- 2015)規定了生態環境狀況評價指標體系和各指標的計算方法,適用于縣域、省域和生態區的生態環境狀況及變化趨勢評價。

          生態脆弱性已成為當前全球變化研究中的熱點問題,研究重點生態脆弱性的多學科、多尺度的融合,加強自然與人文因素耦合研究,以及生態脆弱性的歷史變化。目前國內對生態脆弱性的評價涉及不同區域和不同尺度,主要包括喀斯特地區、北方農牧交錯帶、濕地、青藏高寒區、流域北方干旱區典型生態脆弱區、自然災害脅迫區、采礦區、重要戰略意義的生態屏障地區、南方水土流失嚴重區域。生態脆弱性評價利用的數據包括遙感數據、行政區統計數據、環境監測數據、土壤數據、氣象數據,不同研究選擇指標體系不同,受人為主觀影響較大,通過指標體系構建,進行生態脆弱性評價和發展趨勢預測,明確生態脆弱現狀、分布區域和發展趨勢。

          生態安全評價以生態風險和生態健康為核心內容,現階段生態安全評價方法有暴露—響應綜合評價模式、綜合指數評價方法、生態承載力分析法、生態模型方法以及景觀生態學方法。生態安全評價主要涉及不同區域、城市、流域、生態功能區等,一般采用壓力-狀態-響應模型進行生態環境質量評價,有的研究利用物元模型對生態經濟區的土地生態安全進行評價。生態安全評價利用的數據包括遙感影像數據、地形數據、土壤數據、水文地質數據、監測數據、統計數據以及社會調查數據,評價單元為柵格或行政單元,遙感和地理信息系統為不同時間序列和空間結構的生態評價提供了大量數據支持。

          生物多樣性監測與評價是生物多樣性保護工作的重要基礎,通過構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。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、生態系統類型多樣性、植被垂直層譜的完整性、物種特有性、外來物種入侵度,確立了生物多樣性綜合評價方法。區域生物多樣性評價標準規定了生物多樣性評價的指標及其權重、數據采集和處理、計算方法、等級劃分等,標準規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。大數據在生物多樣性空間和系統發育模式中的利用推動了海量生物多樣性數據的整合和利用。生物多樣性評價從方法、指標選擇、指標體系構建、區域生物多樣性評價標準逐漸發展為整合數據資源,實現數據庫構建和檢索。

          由于生態環境的復雜性,生態環境監管難度也越來越大。運用大數據的方法作為環境監測與評價的工具,對于環境監管具有重要意義。生態環境評價要關注生態環境影響因素分析,根據指標選取原則選擇普適性指標,分析各指標因素間的內在聯系。通過 綜合評價正確理解不同時空尺度、類型的生態環境質量,實現生態環境質量評價的時空拓展。

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