河北省生态环境信息数据应用及其对策探析

李歆琰,唐 超,柴彦霄

(1.河北省生态环境保护技术服务中心,河北 石家庄 050000；2.河北会有环保科技有限公司,河北 石家庄 050000)

习近平总书记在全国生态环境保护大会上强调,“深化人工智能等数字技术应用,构建美丽中国数字化治理体系,建设绿色智慧的数字生态文明。”指明了全面推进美丽中国建设、加快推进人与自然和谐共生的现代化新方向。 当前,世界已全面进入数字时代,数字化快速融入到经济社会发展各领域全过程。

随着数字生态文明的提出和发展,我国在推进生态环境治理进程中,运用物联网、大数据、云计算、人工智能等数字技术不断探索,生态环境智能监管、在线监测、预警预测能力大幅提升[1]。 传统的生态环境数据呈现无序性、孤立性,缺乏群体性,数字技术将多种复杂的生态环境数据融合,克服了环境信息数据片面性的缺陷,为更有效保护生态环境提供了系统性数据基础和科学性环境决策[2-4]。 数字技术在生态环境领域的应用主要表现在大气、水环境、固废等方面的生态环境治理,尤其是在环境空气质量预测、水环境质量监测、土壤环境监测、污染源在线自动监控等方面均取得了显著的生态效益[5-6]。 基础数据的真实性和数字技术引入使用的规范性对生态环境数字化治理过程非常关键[7],尽管生态环境信息数据在数据资源整合方面取得了较大进步[8],但由于生态环境信息数据具有生态环境领域的特殊性和复杂性,呈现数据来源渠道多、数据内容庞杂、服务对象多、业务化要求高等特点[9],生态环境信息数据在生态环境数据标准体系、资源共享、业务协同、挖掘深度、统筹支撑等方面仍存在一定完善和提升的空间。

1 生态环境信息数据应用现状

1.1 应用技术

依托数字技术的生态环境信息技术是实现生态环境治理精准化的重要手段。 结合物联网感知、大数据服务、云计算高效处理等特点,以数据为核心,把数据获取、传输、处理、分析、决策服务形成一体化的创新与智慧模式,可以让环境管理、环境监测、环境应急、环境执法和科学决策更加精准有效[5,10]。

1.1.1 物联网技术

物联网技术是通过各种传感设备(如射频设备、定位设备、红外感应器、激光扫描等),采集声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息,并与互联网、无线专网进行交互形成传输信息的一个巨大网络。 与传统的物理设施与IT 设施不同,物联网能够通过信息识别和传输设备实现对物质的远程识别、管理和控制。

在生态环境领域,通过把各种传感器和感应器接入关键管道或环境中,实时采集生态环境数据,实现对环境空气质量、水环境质量、企业污染排放情况等不同污染情景的高效监控。

1.1.2 云计算技术

云计算通过互联网“云”对各类数据进行存储管理和快速处理,可以允许用户随时随地访问服务器读取数据,为用户提供便捷的资源。 云计算可以将分散在不同存储设备和应用程序中的数据整合起来,建立强大的数据共享平台,使得数据共享更加便捷,数据处理和分析更加高效和精准。

在生态环境领域,云技术的优势在于可以打破信息孤岛,连接各部门间的信息系统,让各部门的信息数据实现共享、联动。 在传统环保数据维护的模式中,政府各级生态环境机关通常是自建机房,实现生态环境数据的存储与计算。 在这种模式下,各级部门及大气、水、土壤、固废处理等不同方面信息数据之间难以共通,形成信息孤岛。通过云技术建立政府云计算中心,实现不同部门间高效的信息数据整合共享,实现生态环境污染治理的精准性和有效性。 以江苏省为例,江苏省生态环境厅依托物联网、云计算和移动互联网等信息化技术,建立了以环保云为代表的大数据监管平台,实现了全省生态数据的统一汇聚,共整合了环境质量、污染源、环境影响评价、核与辐射等11 个领域的数据资源,初步构建了数据质量监控体系[9]。

1.1.3 大数据技术与人工智能

大数据是以存储空间大、访问速度快、类型繁多、应用价值大和真实性高为主要特征的数据集合[11-12]。 大数据技术是从各种各样的数据中,快速获得有价值信息的能力。 其核心是用崭新的思维、技术对海量数据进行整合分析,构建各类数据库[13-15]。 相较于传统的处理方式,人工智能可以对大量的数据进行自动化处理,精度相对较高。在生态环境领域,大数据挖掘与分析是环境管理与决策的基础,人工智能助力智慧生态环境挖掘数据中深层次信息,二者相辅相成,相互依存。

在生态环境领域,利用大数据与人工智能实现环境情况的重现与推演,可应用于大气环境质量、水环境质量等环境指标的自动化监测与污染情况预测。 例如,生态环境部信息中心联合微软共同开发的城市局地大气主要污染物时空分布大数据模型—U-Air 系统利用大数据与人工智能技术,通过获取地面监测站的空气质量数据,并结合交通流、道路结构、气象条件等数据,实现了1 km×1 km 的高精度空气质量预报[9]。

1.2 数字技术在生态环境领域的应用

1.2.1 助力生态环境监测

现阶段数字技术在我国环境监测网络系统中发挥了重要作用,可以实现对环境空气、水环境、污染源及气象参数等数据的实时动态监测,监测数据经过互联网实现自动传输,与传统手工监测相比,保证了数据的全面性、实时性和精准性,为生态环境的精准治理提供数据支撑[16-17]。

1.2.2 促进生态环境精准治污

数字技术在水环境、大气环境、工业污染源等方面的污染分析和预警具有一定的优势。 在水环境防控与治理方面,在动态监测数据的基础上,数字技术可通过智能分析工具及时发现水环境污染并及时开展溯源,提高相关部门水环境治理效率[18]。 在大气环境防治方面,数字技术可通过集成化平台对大气自动监测数据、地理信息(矢量化数据)、图片、视频等海量不同形式的数据进行分析处理,并实现大气污染成因与时空扩散途径的可视化,保障了区域联防联控的有效性[19-21]。 在工业企业污染控制方面,数据技术通过对企业地理分布、生产设备和治污设施分表计电数据、污染物在线监测等数据进行分析,可明确工业污染对区域环境质量的影响机制,促进环境污染的精准防控[22]。

1.2.3 模拟预测环境污染

数字技术在环境污染的模拟预测方面应用广泛,主要是通过先进的环境算法模型与环境质量监测数据、气象数据、地理信息等相结合开展环境空气质量、水环境质量等污染情况的预测和预报预警,对于污染情况复杂的地区来说,传统的“数据分析+人工研判”的预测方式具有局限性,通过数字技术的模拟预测,可以使环境污染的预测预警更加精准[23-25]。

2 典型应用案例——以河北省“三线一单”信息管理平台为例

河北省按照国家数字生态文明建设发展战略,加快推进生态环境数字化智慧治理体系建设。目前,物联网与可视化技术、互联网“云”服务、大数据、人工智能等现代数字技术为河北省生态环境保护工作提供了有力支撑,生态环境治理体系的系统性、治理能力的科学性、综合治理的精准性大幅提升。

其中,河北省“三线一单”信息管理平台依托云计算存储、大数据挖掘、空间分析等技术结合数据集成平台,实现对河北省区县界(包括雄安新区界)的生态空间、环境质量底线、资源利用上线、环境管控单元、准入清单等成果数据进行查询,并支持多图层空间展示,实现了“三线一单”成果数据的动态管理和集中展示。

河北省“三线一单”信息管理平台将“三线一单”空间成果数据结合管控要求进行统计分析,将陆地区域全省167 个县(市、区)1 921 个管控单元按照管控级别划分为优先保护单元、重点保护单元、一般管控单元。 陆地管控单元中优先保护单元742 个,占总管控单元38.63%；重点管控单元1 066 个,占总管控单元55.49%；一般管控单元113 个,占总管控单元5.88%。 各地市管控单元分布情况如图1 所示。 11 个设区市、雄安新区、辛集市、定州市中,石家庄市管控单元数量最多,管控单元数量为226 个；其次为邢台市,管控单元个数为222 个；辛集市管控单元数量最少,管控单元数量为13 个。

图1 河北省“三线一单”信息管理平台各市陆地管控单元数据

该平台“三线一单”空间成果数据可以从省、市、县到单个环境管控单元进行横向对比展示,从全省整体情况、地市情况、行政区到单个环境管控单元,为精细化管控提供数据信息支持,实现“三线一单”成果数据与其他生态环境业务系统的实时共享,有利于扎实推进河北省生态环境治理体系和治理能力现代化,有效改善区域生态环境质量和保障人居环境安全。

3 生态环境信息数据应用存在的不足

目前,河北省在生态环境信息数据方面的研究和应用仍然以环境监测、环境统计、环境评估等各个领域的独立研究为主。 这种数据应用模式仅仅适用于某一个领域的环境治理工作,存在着一定的局限性和割裂性,导致生态环境保护和治理的效果难以尽如人意。 河北省生态环境信息数据的应用在数据标准体系、资源共享、业务协同、挖掘深度、统筹支撑等方面仍需完善。

3.1 生态环境信息标准规范体系不完善

生态环境信息覆盖水、大气、噪声、海洋等各类监测数据,但是目前生态环境信息数据在采集来源、编码体系、应用系统等方面没有统一的标准规范。 由此导致的同一数据由不同部门重复采集、同一类数据存在不同编码方式、同一业务有多套信息系统等问题,不利于环境数据的深入应用。例如污染物排放量从全国排污许可证管理信息平台、河北省污染源自动监控系统、生态环境统计业务系统等不同采集渠道获得的数据是存在客观差异的。 环境信息标准规范体系尚未健全,不能为决策提供可靠的技术支撑,制约了环境管理效率和环境监管能力。 通过生态环境信息标准体系的规范,可以更好地推动生态环境信息的采集、共享和应用,开发更多信息数据的应用潜能,提高生态环境保护工作效能。

3.2 信息资源共享和业务协同能力不足

多年来,通过不同业务需求,结合物联网技术与可视化平台,目前河北省生态环境信息数据的应用已在无人机巡检、环境领域数据分析、产业评估等方面有了明显成效,已形成重点地区污染源全域监控、生态环境动态监测等多个信息系统。但生态环境数据涉及大气、水、土壤、固废等多领域和多部门,这些应用系统大多都是独立建设,互不连通,环境信息数据无法得到全面、及时共享,形成“应用孤岛”和“数据孤岛”。 例如河北省环境空气质量监测系统、河北省地表水水质自动监测实时数据发布系统、河北省土壤环境监测业务系统、河北省固体废物动态信息平台等都是各自为战,尚未形成多业务协同合力。

3.3 数字化深度挖掘能力欠缺

当前数字技术虽然在城市空气质量预测预报、重点排污单位在线监测数据超标、突变告警等领域应用较广泛[26],但智能化应用水平总体不高。 目前河北省生态环境系统在信息数据的应用较为单一,仍以信息存储、数据表层分析、数据可视化为主,在数据的关联性分析、智能判断、模拟预测等方面的应用仍存在空白。 面对多领域及不同表现形式的数据,缺乏深入的数据挖掘和应用,无法满足新时期生态环境协同治理、精准治理、科学治理的综合管理需求。 例如河北省入河入淀排污口管理系统主要功能为入河入淀排污口新增、撤销、修改情况的审核,月度监测数据录入、审核,平台功能尚未实现排污口污染物排放动态监控,也未能建立排污口与排放源的关联性,无法为生态环境管理行政部门提供排污口溯源情况。

3.4 数字化支撑重点业务统筹性欠佳

通常是一个平台系统对应一项工作内容,针对生态环境业务领域中排污许可、执法督察、减污降碳、环境影响评估等重点工作数字技术支撑缺乏综合统筹,在关联指标多维度比对上存在欠缺。例如饮用水水源保护区信息管理平台主要功能为河北省饮用水水源保护区矢量数据规范化管理、资料电子化及其动态更新。 纳入饮用水水源保护区信息管理平台管理的饮用水水源保护区尚未实现与纳入河北省“三线一单”信息管理平台管理的生态环境分区管控单元、生态环境准入清单进行关联、比对、矢量叠加。

4 生态环境信息数据应用对策

4.1 树立数字理念,规范生态环境信息标准体系

深入实施数字化生态文明建设,将数字化理念植入生态环境支撑全过程,以数据为基础说明环境质量现状,推动治理精准化、服务便捷化。 进一步规范生态环境信息标准体系,生态环境信息数据在采集来源、编码体系、应用系统等方面设立统一的标准规范,扩展省、市、县三级对多类污染源名单比对功能；系统中嵌入填报行业对应的技术指南和系数手册,从企业端确保数据采集源头一致,数据逻辑关系准确,压实企业责任的同时提供技术支持；在国家系统现有数据审核的基础上,引入省、市、县三级数据审核,加强数据比对,识别不合理数据,建立生态环境信息数据的宏观校验方法和分析研判功能,实现“数出一门、服务多方”的目标。

4.2 利用数字技术,强化信息资源共享和业务协同能力

充分发挥大数据技术和信息化手段作用,实现与国家现有生态环境管理信息化平台数据互联共享。 立足河北省重点行业产业、项目信息数据基础以及生态环境统计数据,碳排放数据库等资源,建立全省生态环境系统数据研究与应用中心,对全省生态环境质量、环境污染及其防治、生态保护、应对气候变化、生态环境管理,及其他有关生态环境保护事项等数据源进行分类处理,输出有效数据产品,客观、真实、准确体现生态环境保护与经济发展互动关系,精准开展行业评估,深度进行生态环境形势分析。

4.3 强化数据分析,做好数据深度挖掘工作

强化生态环境信息数据综合分析能力。 开展生态环境信息数据综合分析应用,进一步研究建立区域排放量、行业排放量等生态环境数据与经济表现、社会发展的响应关系。 推动生态环境信息数据在生态环境保护规划计划制定、生态环境形势分析、考核评估等多领域应用,增强生态环境信息数据生命力,更好服务管理决策。

4.4 强化数字能力建设,统筹支撑各项重点业务

加大科技支撑队伍建设,引进相关专业人才,提升服务支撑水平[27]。 加强软、硬件基础建设,建立满足当前和长远高端场景应用的数据模型、溯源推演等系统平台。 围绕构建美丽中国数字化治理体系,建设绿色智慧的数字生态文明,推进大气、水、土壤、固废、气候变化、自然生态等数据集成,加快建设省级生态环境主题数据库。 综合应用卫星遥感、无人机、大数据、互联网+等技术手段,着力构建生态环境形势分析、管控措施评估等全景智能决策支撑体系,进一步强化生态环境信息数据在各项重点业务中的研究与应用。