河北省生態環境信息數據應用及其對策探析

李歆琰,唐 超,柴彥霄

(1.河北省生態環境保護技術服務中心,河北 石家莊 050000；2.河北會有環?？萍加邢薰?河北 石家莊 050000)

習近平總書記在全國生態環境保護大會上強調,“深化人工智能等數字技術應用,構建美麗中國數字化治理體系,建設綠色智慧的數字生態文明?！敝该髁巳嫱七M美麗中國建設、加快推進人與自然和諧共生的現代化新方向。 當前,世界已全面進入數字時代,數字化快速融入到經濟社會發展各領域全過程。

隨著數字生態文明的提出和發展,我國在推進生態環境治理進程中,運用物聯網、大數據、云計算、人工智能等數字技術不斷探索,生態環境智能監管、在線監測、預警預測能力大幅提升[1]。 傳統的生態環境數據呈現無序性、孤立性,缺乏群體性,數字技術將多種復雜的生態環境數據融合,克服了環境信息數據片面性的缺陷,為更有效保護生態環境提供了系統性數據基礎和科學性環境決策[2-4]。 數字技術在生態環境領域的應用主要表現在大氣、水環境、固廢等方面的生態環境治理,尤其是在環境空氣質量預測、水環境質量監測、土壤環境監測、污染源在線自動監控等方面均取得了顯著的生態效益[5-6]。 基礎數據的真實性和數字技術引入使用的規范性對生態環境數字化治理過程非常關鍵[7],盡管生態環境信息數據在數據資源整合方面取得了較大進步[8],但由于生態環境信息數據具有生態環境領域的特殊性和復雜性,呈現數據來源渠道多、數據內容龐雜、服務對象多、業務化要求高等特點[9],生態環境信息數據在生態環境數據標準體系、資源共享、業務協同、挖掘深度、統籌支撐等方面仍存在一定完善和提升的空間。

1 生態環境信息數據應用現狀

1.1 應用技術

依托數字技術的生態環境信息技術是實現生態環境治理精準化的重要手段。 結合物聯網感知、大數據服務、云計算高效處理等特點,以數據為核心,把數據獲取、傳輸、處理、分析、決策服務形成一體化的創新與智慧模式,可以讓環境管理、環境監測、環境應急、環境執法和科學決策更加精準有效[5,10]。

1.1.1 物聯網技術

物聯網技術是通過各種傳感設備(如射頻設備、定位設備、紅外感應器、激光掃描等),采集聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息,并與互聯網、無線專網進行交互形成傳輸信息的一個巨大網絡。 與傳統的物理設施與IT 設施不同,物聯網能夠通過信息識別和傳輸設備實現對物質的遠程識別、管理和控制。

在生態環境領域,通過把各種傳感器和感應器接入關鍵管道或環境中,實時采集生態環境數據,實現對環境空氣質量、水環境質量、企業污染排放情況等不同污染情景的高效監控。

1.1.2 云計算技術

云計算通過互聯網“云”對各類數據進行存儲管理和快速處理,可以允許用戶隨時隨地訪問服務器讀取數據,為用戶提供便捷的資源。 云計算可以將分散在不同存儲設備和應用程序中的數據整合起來,建立強大的數據共享平臺,使得數據共享更加便捷,數據處理和分析更加高效和精準。

在生態環境領域,云技術的優勢在于可以打破信息孤島,連接各部門間的信息系統,讓各部門的信息數據實現共享、聯動。 在傳統環保數據維護的模式中,政府各級生態環境機關通常是自建機房,實現生態環境數據的存儲與計算。 在這種模式下,各級部門及大氣、水、土壤、固廢處理等不同方面信息數據之間難以共通,形成信息孤島。通過云技術建立政府云計算中心,實現不同部門間高效的信息數據整合共享,實現生態環境污染治理的精準性和有效性。 以江蘇省為例,江蘇省生態環境廳依托物聯網、云計算和移動互聯網等信息化技術,建立了以環保云為代表的大數據監管平臺,實現了全省生態數據的統一匯聚,共整合了環境質量、污染源、環境影響評價、核與輻射等11 個領域的數據資源,初步構建了數據質量監控體系[9]。

1.1.3 大數據技術與人工智能

大數據是以存儲空間大、訪問速度快、類型繁多、應用價值大和真實性高為主要特征的數據集合[11-12]。 大數據技術是從各種各樣的數據中,快速獲得有價值信息的能力。 其核心是用嶄新的思維、技術對海量數據進行整合分析,構建各類數據庫[13-15]。 相較于傳統的處理方式,人工智能可以對大量的數據進行自動化處理,精度相對較高。在生態環境領域,大數據挖掘與分析是環境管理與決策的基礎,人工智能助力智慧生態環境挖掘數據中深層次信息,二者相輔相成,相互依存。

在生態環境領域,利用大數據與人工智能實現環境情況的重現與推演,可應用于大氣環境質量、水環境質量等環境指標的自動化監測與污染情況預測。 例如,生態環境部信息中心聯合微軟共同開發的城市局地大氣主要污染物時空分布大數據模型—U-Air 系統利用大數據與人工智能技術,通過獲取地面監測站的空氣質量數據,并結合交通流、道路結構、氣象條件等數據,實現了1 km×1 km 的高精度空氣質量預報[9]。

1.2 數字技術在生態環境領域的應用

1.2.1 助力生態環境監測

現階段數字技術在我國環境監測網絡系統中發揮了重要作用,可以實現對環境空氣、水環境、污染源及氣象參數等數據的實時動態監測,監測數據經過互聯網實現自動傳輸,與傳統手工監測相比,保證了數據的全面性、實時性和精準性,為生態環境的精準治理提供數據支撐[16-17]。

1.2.2 促進生態環境精準治污

數字技術在水環境、大氣環境、工業污染源等方面的污染分析和預警具有一定的優勢。 在水環境防控與治理方面,在動態監測數據的基礎上,數字技術可通過智能分析工具及時發現水環境污染并及時開展溯源,提高相關部門水環境治理效率[18]。 在大氣環境防治方面,數字技術可通過集成化平臺對大氣自動監測數據、地理信息(矢量化數據)、圖片、視頻等海量不同形式的數據進行分析處理,并實現大氣污染成因與時空擴散途徑的可視化,保障了區域聯防聯控的有效性[19-21]。 在工業企業污染控制方面,數據技術通過對企業地理分布、生產設備和治污設施分表計電數據、污染物在線監測等數據進行分析,可明確工業污染對區域環境質量的影響機制,促進環境污染的精準防控[22]。

1.2.3 模擬預測環境污染

數字技術在環境污染的模擬預測方面應用廣泛,主要是通過先進的環境算法模型與環境質量監測數據、氣象數據、地理信息等相結合開展環境空氣質量、水環境質量等污染情況的預測和預報預警,對于污染情況復雜的地區來說,傳統的“數據分析+人工研判”的預測方式具有局限性,通過數字技術的模擬預測,可以使環境污染的預測預警更加精準[23-25]。

2 典型應用案例——以河北省“三線一單”信息管理平臺為例

河北省按照國家數字生態文明建設發展戰略,加快推進生態環境數字化智慧治理體系建設。目前,物聯網與可視化技術、互聯網“云”服務、大數據、人工智能等現代數字技術為河北省生態環境保護工作提供了有力支撐,生態環境治理體系的系統性、治理能力的科學性、綜合治理的精準性大幅提升。

其中,河北省“三線一單”信息管理平臺依托云計算存儲、大數據挖掘、空間分析等技術結合數據集成平臺,實現對河北省區縣界(包括雄安新區界)的生態空間、環境質量底線、資源利用上線、環境管控單元、準入清單等成果數據進行查詢,并支持多圖層空間展示,實現了“三線一單”成果數據的動態管理和集中展示。

河北省“三線一單”信息管理平臺將“三線一單”空間成果數據結合管控要求進行統計分析,將陸地區域全省167 個縣(市、區)1 921 個管控單元按照管控級別劃分為優先保護單元、重點保護單元、一般管控單元。 陸地管控單元中優先保護單元742 個,占總管控單元38.63%；重點管控單元1 066 個,占總管控單元55.49%；一般管控單元113 個,占總管控單元5.88%。 各地市管控單元分布情況如圖1 所示。 11 個設區市、雄安新區、辛集市、定州市中,石家莊市管控單元數量最多,管控單元數量為226 個；其次為邢臺市,管控單元個數為222 個；辛集市管控單元數量最少,管控單元數量為13 個。

圖1 河北省“三線一單”信息管理平臺各市陸地管控單元數據

該平臺“三線一單”空間成果數據可以從省、市、縣到單個環境管控單元進行橫向對比展示,從全省整體情況、地市情況、行政區到單個環境管控單元,為精細化管控提供數據信息支持,實現“三線一單”成果數據與其他生態環境業務系統的實時共享,有利于扎實推進河北省生態環境治理體系和治理能力現代化,有效改善區域生態環境質量和保障人居環境安全。

3 生態環境信息數據應用存在的不足

目前,河北省在生態環境信息數據方面的研究和應用仍然以環境監測、環境統計、環境評估等各個領域的獨立研究為主。 這種數據應用模式僅僅適用于某一個領域的環境治理工作,存在著一定的局限性和割裂性,導致生態環境保護和治理的效果難以盡如人意。 河北省生態環境信息數據的應用在數據標準體系、資源共享、業務協同、挖掘深度、統籌支撐等方面仍需完善。

3.1 生態環境信息標準規范體系不完善

生態環境信息覆蓋水、大氣、噪聲、海洋等各類監測數據,但是目前生態環境信息數據在采集來源、編碼體系、應用系統等方面沒有統一的標準規范。 由此導致的同一數據由不同部門重復采集、同一類數據存在不同編碼方式、同一業務有多套信息系統等問題,不利于環境數據的深入應用。例如污染物排放量從全國排污許可證管理信息平臺、河北省污染源自動監控系統、生態環境統計業務系統等不同采集渠道獲得的數據是存在客觀差異的。 環境信息標準規范體系尚未健全,不能為決策提供可靠的技術支撐,制約了環境管理效率和環境監管能力。 通過生態環境信息標準體系的規范,可以更好地推動生態環境信息的采集、共享和應用,開發更多信息數據的應用潛能,提高生態環境保護工作效能。

3.2 信息資源共享和業務協同能力不足

多年來,通過不同業務需求,結合物聯網技術與可視化平臺,目前河北省生態環境信息數據的應用已在無人機巡檢、環境領域數據分析、產業評估等方面有了明顯成效,已形成重點地區污染源全域監控、生態環境動態監測等多個信息系統。但生態環境數據涉及大氣、水、土壤、固廢等多領域和多部門,這些應用系統大多都是獨立建設,互不連通,環境信息數據無法得到全面、及時共享,形成“應用孤島”和“數據孤島”。 例如河北省環境空氣質量監測系統、河北省地表水水質自動監測實時數據發布系統、河北省土壤環境監測業務系統、河北省固體廢物動態信息平臺等都是各自為戰,尚未形成多業務協同合力。

3.3 數字化深度挖掘能力欠缺

當前數字技術雖然在城市空氣質量預測預報、重點排污單位在線監測數據超標、突變告警等領域應用較廣泛[26],但智能化應用水平總體不高。 目前河北省生態環境系統在信息數據的應用較為單一,仍以信息存儲、數據表層分析、數據可視化為主,在數據的關聯性分析、智能判斷、模擬預測等方面的應用仍存在空白。 面對多領域及不同表現形式的數據,缺乏深入的數據挖掘和應用,無法滿足新時期生態環境協同治理、精準治理、科學治理的綜合管理需求。 例如河北省入河入淀排污口管理系統主要功能為入河入淀排污口新增、撤銷、修改情況的審核,月度監測數據錄入、審核,平臺功能尚未實現排污口污染物排放動態監控,也未能建立排污口與排放源的關聯性,無法為生態環境管理行政部門提供排污口溯源情況。

3.4 數字化支撐重點業務統籌性欠佳

通常是一個平臺系統對應一項工作內容,針對生態環境業務領域中排污許可、執法督察、減污降碳、環境影響評估等重點工作數字技術支撐缺乏綜合統籌,在關聯指標多維度比對上存在欠缺。例如飲用水水源保護區信息管理平臺主要功能為河北省飲用水水源保護區矢量數據規范化管理、資料電子化及其動態更新。 納入飲用水水源保護區信息管理平臺管理的飲用水水源保護區尚未實現與納入河北省“三線一單”信息管理平臺管理的生態環境分區管控單元、生態環境準入清單進行關聯、比對、矢量疊加。

4 生態環境信息數據應用對策

4.1 樹立數字理念,規范生態環境信息標準體系

深入實施數字化生態文明建設,將數字化理念植入生態環境支撐全過程,以數據為基礎說明環境質量現狀,推動治理精準化、服務便捷化。 進一步規范生態環境信息標準體系,生態環境信息數據在采集來源、編碼體系、應用系統等方面設立統一的標準規范,擴展省、市、縣三級對多類污染源名單比對功能；系統中嵌入填報行業對應的技術指南和系數手冊,從企業端確保數據采集源頭一致,數據邏輯關系準確,壓實企業責任的同時提供技術支持；在國家系統現有數據審核的基礎上,引入省、市、縣三級數據審核,加強數據比對,識別不合理數據,建立生態環境信息數據的宏觀校驗方法和分析研判功能,實現“數出一門、服務多方”的目標。

4.2 利用數字技術,強化信息資源共享和業務協同能力

充分發揮大數據技術和信息化手段作用,實現與國家現有生態環境管理信息化平臺數據互聯共享。 立足河北省重點行業產業、項目信息數據基礎以及生態環境統計數據,碳排放數據庫等資源,建立全省生態環境系統數據研究與應用中心,對全省生態環境質量、環境污染及其防治、生態保護、應對氣候變化、生態環境管理,及其他有關生態環境保護事項等數據源進行分類處理,輸出有效數據產品,客觀、真實、準確體現生態環境保護與經濟發展互動關系,精準開展行業評估,深度進行生態環境形勢分析。

4.3 強化數據分析,做好數據深度挖掘工作

強化生態環境信息數據綜合分析能力。 開展生態環境信息數據綜合分析應用,進一步研究建立區域排放量、行業排放量等生態環境數據與經濟表現、社會發展的響應關系。 推動生態環境信息數據在生態環境保護規劃計劃制定、生態環境形勢分析、考核評估等多領域應用,增強生態環境信息數據生命力,更好服務管理決策。

4.4 強化數字能力建設,統籌支撐各項重點業務

加大科技支撐隊伍建設,引進相關專業人才,提升服務支撐水平[27]。 加強軟、硬件基礎建設,建立滿足當前和長遠高端場景應用的數據模型、溯源推演等系統平臺。 圍繞構建美麗中國數字化治理體系,建設綠色智慧的數字生態文明,推進大氣、水、土壤、固廢、氣候變化、自然生態等數據集成,加快建設省級生態環境主題數據庫。 綜合應用衛星遙感、無人機、大數據、互聯網+等技術手段,著力構建生態環境形勢分析、管控措施評估等全景智能決策支撐體系,進一步強化生態環境信息數據在各項重點業務中的研究與應用。