一、引言

在全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的當(dāng)下，環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其重要性愈發(fā)凸顯。數(shù)字化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域帶來了革命性的變革。從實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集，到深度的數(shù)據(jù)分析與科學(xué)決策，數(shù)字化技術(shù)貫穿于環(huán)境監(jiān)測的各個(gè)環(huán)節(jié)，成為推動智慧環(huán)保和保障生態(tài)安全的核心力量。深入探究環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，對于把握行業(yè)發(fā)展趨勢、解決現(xiàn)存問題、推動環(huán)境保護(hù)事業(yè)進(jìn)步意義深遠(yuǎn)。

2025 年年初，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的《國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)智化轉(zhuǎn)型方案》( 以下簡稱《方案》[1])，作為推進(jìn)監(jiān)測數(shù)智化轉(zhuǎn)型的頂層設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升技術(shù)裝備數(shù)智化能力，推進(jìn)建成新一代國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為各地方政府高標(biāo)高質(zhì)高效推動生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)智化轉(zhuǎn)型提供了遵循、指明了方向。

方案提到，要充分發(fā)揮生態(tài)環(huán)境數(shù)字化先行優(yōu)勢，加快推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)智化轉(zhuǎn)型，全方位加強(qiáng)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等數(shù)字技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，助力快速構(gòu)建現(xiàn)代化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。

二、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)

當(dāng)下，伴隨著前沿科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和更新迭代，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)呈現(xiàn)出豐富多樣的形態(tài)，形成了一個(gè)涵蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析及決策支持的完整技術(shù)體系。

▲ 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)，制圖：a&s Research

2.1 感知與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳感器技術(shù)是數(shù)字化環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的基石。當(dāng)前，傳感器正朝著微型化、低功耗、高靈敏度和多參數(shù)集成的方向發(fā)展。例如，納米傳感器憑借其獨(dú)特的納米級結(jié)構(gòu)，能夠檢測到痕量污染物，像石墨烯氣體傳感器可對空氣中極微量的有害氣體進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測，檢測下限達(dá)到 ppb 級。在水質(zhì)監(jiān)測方面，多參數(shù)水質(zhì)傳感器能同時(shí)測量酸堿度、溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮等多個(gè)指標(biāo)，大大提高了監(jiān)測效率。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了傳感器的互聯(lián)互通，構(gòu)建起龐大的環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。在城市中，通過在不同區(qū)域部署大量的環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，涵蓋空氣質(zhì)量監(jiān)測站、水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)、噪聲監(jiān)測設(shè)備等，這些節(jié)點(diǎn)借助無線通信技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量的全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)測。在一些工業(yè)園區(qū)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能對企業(yè)的污染物排放進(jìn)行 24 小時(shí)不間斷監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)違規(guī)排放行為。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲技術(shù)

在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，無線通信技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、高速傳輸提供了保障。 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)憑借其高帶寬、低延遲的特性，使大量監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠快速、穩(wěn)定地傳輸至后臺服務(wù)器。在偏遠(yuǎn)地區(qū)或?qū)囊筝^高的場景，低功耗廣域網(wǎng)技術(shù) (LPWAN)，如 LoRa、NB-IoT 等發(fā)揮著重要作用，它們以低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)不丟失。例如，在山區(qū)的生態(tài)監(jiān)測中，通過 LoRa 技術(shù)將分布在各處的傳感器數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過其他網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，數(shù)據(jù)存儲面臨著巨大挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，分布式文件系統(tǒng) ( 如 Hadoop 分布式文件系統(tǒng) HDFS) 和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 ( 如 MongoDB)能夠高效存儲海量、異構(gòu)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具備良好的擴(kuò)展性和容錯能力。數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)則對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和管理，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺。

2.3 數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，實(shí)現(xiàn)模式識別和趨勢預(yù)測。利用時(shí)間序列分析算法，能夠?qū)諝赓|(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)污染物濃度的變化趨勢，為污染預(yù)警提供依據(jù)。深度學(xué)習(xí)算法在圖像和視頻分析方面表現(xiàn)卓越，通過對衛(wèi)星遙感圖像或監(jiān)控視頻的分析，可識別污染源、監(jiān)測土地利用變化、評估生態(tài)系統(tǒng)健康狀況等。

地理信息系統(tǒng) (GIS) 技術(shù)為環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)賦予了空間維度。它能夠?qū)h(huán)境數(shù)據(jù)與地理空間信息相結(jié)合，直觀展示環(huán)境質(zhì)量的空間分布特征和變化趨勢。在分析河流污染時(shí)，借助 GIS 技術(shù)可以清晰地看到污染在河流中的擴(kuò)散路徑、影響范圍以及與周邊地理環(huán)境的關(guān)系，輔助制定針對性的治理方案。

三、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化應(yīng)用典型場景

在多元化創(chuàng)新技術(shù)的融合應(yīng)用之下，近幾年來，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程日趨顯著，數(shù)字化技術(shù)深入到大氣、水、土壤等多個(gè)關(guān)鍵場景，借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測與科學(xué)管理。

▲ 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化應(yīng)用典型場景，制圖：a&s Research

3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測

數(shù)字化技術(shù)構(gòu)建起了全方位、多層次的大氣環(huán)境監(jiān)測體系。在城市中，網(wǎng)格化的空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)與移動監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對空氣中 PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等污染物的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)監(jiān)測。利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，通過整合氣象數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)、工業(yè)排放數(shù)據(jù)等多源信息，能夠?qū)Υ髿馕廴緛碓催M(jìn)行精準(zhǔn)溯源。例如，當(dāng)空氣質(zhì)量出現(xiàn)異常時(shí)，通過模型分析可以快速確定是工業(yè)源、移動源 ( 如機(jī)動車尾氣排放 ) 還是揚(yáng)塵源等導(dǎo)致的污染。

大氣污染預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測未來空氣質(zhì)量變化。一些城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了提前 3 - 5 天的空氣質(zhì)量精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，為公眾出行和政府決策提供了重要參考。當(dāng)預(yù)測到可能出現(xiàn)重污染天氣時(shí)，政府可以提前啟動應(yīng)急預(yù)案，如限制機(jī)動車出行、工業(yè)企業(yè)限產(chǎn)停產(chǎn)等，以減輕污染影響。

　3.2 水環(huán)境監(jiān)測

在水環(huán)境監(jiān)測方面，數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對水質(zhì)的實(shí)時(shí)、動態(tài)監(jiān)測。在河流、湖泊、水庫以及飲用水源地等關(guān)鍵位置，大量部署水質(zhì)監(jiān)測傳感器，實(shí)時(shí)采集水質(zhì)數(shù)據(jù)。結(jié)合 GIS技術(shù)，能夠直觀展示水環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢，一旦水質(zhì)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會及時(shí)發(fā)出預(yù)警。例如，2020 年，中科院南京地湖所就曾攜手?？低暡捎酶吖庾V水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測儀和水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用軟件一體化方案，實(shí)現(xiàn)高效、實(shí)時(shí)、連續(xù)、無污染監(jiān)測，并通過水質(zhì)比對分析等功能，為生態(tài)修復(fù)、可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與評估提供依據(jù)。通過高光譜水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測儀，20 秒就能采集葉綠素等多項(xiàng)關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)，并依托水質(zhì)監(jiān)測應(yīng)用軟件，匯聚不同點(diǎn)位的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，既能看水質(zhì)變化趨勢，還能用液位雷達(dá)看水位，也能異常預(yù)警，助力太湖水環(huán)境精細(xì)化管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對污水處理廠、工業(yè)企業(yè)排污口等重點(diǎn)污染源的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)管部門可以實(shí)時(shí)獲取企業(yè)的污水排放數(shù)據(jù)，對超標(biāo)排放行為及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，確保污水達(dá)標(biāo)排放。一些污水處理廠還利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了污水處理過程的自動化控制，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和水量自動調(diào)整處理工藝參數(shù)，提高處理效率和出水質(zhì)量。

3.3 土壤環(huán)境監(jiān)測

傳統(tǒng)土壤監(jiān)測方法存在采樣點(diǎn)有限、分析周期長等問題，而數(shù)字化技術(shù)為土壤環(huán)境監(jiān)測帶來了新突破。利用衛(wèi)星遙感[2] 和無人機(jī)搭載的光譜儀，可以對大面積土壤進(jìn)行快速監(jiān)測，獲取土壤的光譜信息，分析土壤的成分、肥力狀況以及是否存在污染等。例如，通過對土壤光譜數(shù)據(jù)的分析，可以檢測出土壤中重金屬元素的含量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤污染區(qū)域。

便攜式土壤監(jiān)測設(shè)備結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使現(xiàn)場快速檢測和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸成為可能。在野外采樣時(shí)，工作人員可以使用便攜式設(shè)備對土壤的酸堿度、養(yǎng)分含量等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，方便后續(xù)分析和管理。一些農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施肥，根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況合理調(diào)整施肥量，減少肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染。

四、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的成果與挑戰(zhàn)

4.1 顯著成果

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用使環(huán)境監(jiān)測的范圍得到極大拓展。無論是偏遠(yuǎn)的山區(qū)、廣袤的海洋，還是人口密集的城市，都能實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。監(jiān)測精度也大幅提升，能夠檢測到更微量的污染物，為環(huán)境質(zhì)量評估提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過對長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，揭示了環(huán)境變化的趨勢和規(guī)律，為制定科學(xué)的環(huán)境保護(hù)政策提供了有力依據(jù)。

在環(huán)境管理和決策方面，數(shù)字化技術(shù)發(fā)揮了重要作用。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)[3] 為環(huán)境執(zhí)法提供了有力證據(jù)，提高了執(zhí)法效率和公正性。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題的根源，制定針對性的治理措施，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治污。例如，在大氣污染治理中，根據(jù)污染溯源結(jié)果，對重點(diǎn)污染源進(jìn)行精準(zhǔn)管控，有效改善了空氣質(zhì)量。

4.2 現(xiàn)存挑戰(zhàn)

盡管數(shù)字化技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域取得了顯著成果，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，高精度監(jiān)測設(shè)備往往價(jià)格昂貴，部署和維護(hù)成本高，這限制了其在一些發(fā)展中國家或經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足。不同廠商生產(chǎn)的傳感器在測量原理、精度、數(shù)據(jù)格式等方面存在差異，缺乏統(tǒng)一的校準(zhǔn)機(jī)制和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使得不同來源的數(shù)據(jù)難以直接對比和整合分析，影響了數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。

數(shù)據(jù)安全與隱私問題也日益凸顯。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)包含大量敏感信息，如企業(yè)的排污數(shù)據(jù)、特定區(qū)域的生態(tài)狀況等，一旦泄露可能會對企業(yè)、社會和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。隨著數(shù)據(jù)共享和開放程度的提高，如何保障數(shù)據(jù)的安全性和隱私性成為亟待解決的問題。此外，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展需要既懂環(huán)境科學(xué)又熟悉信息技術(shù)的復(fù)合型人才，但目前這類人才相對匱乏，制約了技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用推廣。

　五、結(jié)論

環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和應(yīng)用等方面取得了顯著進(jìn)展，為大氣、水、土壤等環(huán)境監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的支持，提升了環(huán)境監(jiān)測和管理的效率與精準(zhǔn)度。然而，在技術(shù)成本、數(shù)據(jù)質(zhì)量、安全隱私和人才培養(yǎng)等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來，需要加大技術(shù)研發(fā)投入，降低設(shè)備成本，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全保護(hù)，培養(yǎng)更多復(fù)合型人才，推動環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)字化技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的智能化、科學(xué)化發(fā)展，為人類創(chuàng)造更加美好的生態(tài)環(huán)境。