大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展
隨著信息化的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平提高，大數(shù)據(jù)來源日益豐富。我國(guó)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)等每年都積累大量數(shù)據(jù)。應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境的大數(shù)據(jù)主要可分為五類，包括地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)。地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于各地的生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空遙感數(shù)據(jù)，包括地形、植被覆蓋等數(shù)據(jù)，是涉及不同區(qū)域、不同時(shí)間序列的龐大數(shù)據(jù)。地理信息數(shù)據(jù)的來源主要有野外采集、地圖數(shù)字化和航天遙感采集、攝影測(cè)量等。社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料包括大量經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)資料，包括人口、經(jīng)濟(jì)等，來自于統(tǒng)計(jì)部門。互聯(lián)網(wǎng)上很多與生態(tài)環(huán)境有關(guān)的文字、圖片、視頻等也是大數(shù)據(jù)來源。
大數(shù)據(jù)在解決生態(tài)環(huán)境問題時(shí)形成了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)獨(dú)yi的特征，具有“天地空一體”的巨大數(shù)據(jù)量，類型、來源和格式具有復(fù)雜多樣性，需要將動(dòng)態(tài)新數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)相結(jié)合處理，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和不確定性。
生態(tài)環(huán)境問題是*普遍面臨的問題，其研究需要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理與分析，這就需要大數(shù)據(jù)的建設(shè)與應(yīng)用，要推動(dòng)建立生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，大氣、河流、海洋、冰川、土壤、植被等廣泛監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的整合互聯(lián)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)獲取可通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感影像、無人機(jī)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段獲取。
中國(guó)不同部門和單位陸續(xù)建立了一批生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，開展了不同區(qū)域的環(huán)境、資源、污染的調(diào)查與研究工作。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括中國(guó)科學(xué)院建立的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了農(nóng)田、森林、草原、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特及城市9類生態(tài)系統(tǒng)。林業(yè)部門建立的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)，覆蓋了濕地、荒漠、竹林和城市生態(tài)系統(tǒng)。隨著生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，生態(tài)站數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)哪芰χ饾u增強(qiáng)，建立了用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高了數(shù)據(jù)觀測(cè)自動(dòng)化水平，并以此為基礎(chǔ)建立了生態(tài)傳感網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)。
遙感技術(shù)因其具有觀測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)信息量大、精度高、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)估的主要手段。遙感傳感器可提供多樣化的數(shù)據(jù)，利用不同傳感器所獲取的遙感影像可進(jìn)行土地鹽漬化、沙漠化、區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況、礦區(qū)生態(tài)狀況的監(jiān)測(cè)。例如不同學(xué)者采用多種分類方法和波段組合進(jìn)行不同地區(qū)、不同時(shí)間序列的鹽漬化監(jiān)測(cè)；利用不同遙感影像進(jìn)行不同區(qū)域的土地沙漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)； 利用多光譜遙感影像進(jìn)行太湖生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)；利用遙感生態(tài)指數(shù)，基于Landsat7和Landsat8影像數(shù)據(jù)進(jìn)行礦區(qū)的生態(tài)變化監(jiān)測(cè)。
無人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)是一種高精度的現(xiàn)代航空攝影測(cè)量技術(shù)，在小區(qū)域和飛行困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，已在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面開始展開應(yīng)用，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段之一，采用無人機(jī)遙測(cè)系統(tǒng)可以很好地完成大范圍水土保持監(jiān)測(cè)任務(wù)，是常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的有力補(bǔ)充 ，能夠快速估算礦山排土場(chǎng)邊坡土壤侵蝕速率，進(jìn)行牡蠣礁地理分布和生 態(tài)現(xiàn)狀的高精度遙感調(diào)查，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的遙感解譯。
生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過在線傳輸，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化處理－質(zhì)量控制－實(shí)時(shí)入庫(kù)，在空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境信息服務(wù)系統(tǒng)，通過生態(tài)站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和綜合中心信息共享平臺(tái)，加強(qiáng)了動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，為科研需求提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，大數(shù)據(jù)在其中的利用越來越廣泛。
左羽和龍從霞利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和存儲(chǔ)器技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布式硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上采用主流軟件平臺(tái)搭建軟件開發(fā)環(huán)境，采用Geodatabase技術(shù)構(gòu)建生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。
王亮緒等在數(shù)據(jù)庫(kù)建立基礎(chǔ)上，依托互聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，組建生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，發(fā)掘監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)價(jià)值。
魏東等將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤電基地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，從感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層、用戶層的角度明確生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)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(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)成本和傳輸問題。
曹騮和吳修將空氣污染數(shù)據(jù)與 Hadoop 平臺(tái)結(jié)合，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)未來氣候變化。
李新等針對(duì)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的幾個(gè)核心環(huán)節(jié)開展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，包括生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄傳輸技術(shù)、遠(yuǎn)程無線組網(wǎng)與傳輸技術(shù)和生態(tài)監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)，開發(fā)數(shù)據(jù)全自動(dòng)采匯、實(shí)時(shí)共享、可在線應(yīng)用的生態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)。
生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是在對(duì)生態(tài)環(huán)境要素連續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，集成海量的多源多尺度信息，借助云計(jì)算、人工智能及模型模擬等大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的集成分析和信息挖掘。大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)方面，可以運(yùn)用其數(shù)據(jù)分析方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)、生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)、生態(tài)安全評(píng)價(jià)、生物多樣性評(píng)價(jià)，為生態(tài)環(huán)境的決策管理提供科學(xué)依據(jù)。
生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的治理、改善以及發(fā)展規(guī)劃提供重要參考。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)目前已建立了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，內(nèi)容包括生態(tài)環(huán)境遙感信息獲取、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、不同尺度對(duì)象的評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)技術(shù)手段和方法模型探索幾個(gè)方面。2015年頒布的正式版生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ192- 2015)規(guī)定了生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各指標(biāo)的計(jì)算方法，適用于縣域、省域和生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況及變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)。
生態(tài)脆弱性已成為當(dāng)前變化研究中的熱點(diǎn)問題，研究重點(diǎn)生態(tài)脆弱性的多學(xué)科、多尺度的融合，加強(qiáng)自然與人文因素耦合研究，以及生態(tài)脆弱性的歷史變化。目前國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)涉及不同區(qū)域和不同尺度，主要包括喀斯特地區(qū)、北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶、濕地、青藏高寒區(qū)、流域北方干旱區(qū)典型生態(tài)脆弱區(qū)、自然災(zāi)害脅迫區(qū)、采礦區(qū)、重要戰(zhàn)略意義的生態(tài)屏障地區(qū)、南方水土流失嚴(yán)重區(qū)域。生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)利用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、行政區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)，不同研究選擇指標(biāo)體系不同，受人為主觀影響較大，通過指標(biāo)體系構(gòu)建，進(jìn)行生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，明確生態(tài)脆弱現(xiàn)狀、分布區(qū)域和發(fā)展趨勢(shì)。
生態(tài)安全評(píng)價(jià)以生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)健康為核心內(nèi)容，現(xiàn)階段生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法有暴露—響應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模式、綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法、生態(tài)承載力分析法、生態(tài)模型方法以及景觀生態(tài)學(xué)方法。生態(tài)安全評(píng)價(jià)主要涉及不同區(qū)域、城市、流域、生態(tài)功能區(qū)等，一般采用壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，有的研究利用物元模型對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的土地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。生態(tài)安全評(píng)價(jià)利用的數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及社會(huì)調(diào)查數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)單元為柵格或行政單元，遙感和地理信息系統(tǒng)為不同時(shí)間序列和空間結(jié)構(gòu)的生態(tài)評(píng)價(jià)提供了大量數(shù)據(jù)支持。
生物多樣性監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)是生物多樣性保護(hù)工作的重要基礎(chǔ)，通過構(gòu)建生物多樣性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行生物多樣性狀況評(píng)價(jià)和變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，可以為生物多樣性保護(hù)措施提供依據(jù)。我國(guó)相繼開展了生物多樣性評(píng)價(jià)方面的研究工作，萬本太等提出了生物多樣性綜合評(píng)價(jià)的5個(gè)指標(biāo)，即物種豐富度、生態(tài)系統(tǒng)類型多樣性、植被垂直層譜的完整性、物種*性、外來物種入侵度，確立了生物多樣性綜合評(píng)價(jià)方法。區(qū)域生物多樣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了生物多樣性評(píng)價(jià)的指標(biāo)及其權(quán)重、數(shù)據(jù)采集和處理、計(jì)算方法、等級(jí)劃分等，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了生物多樣性評(píng)價(jià)的指標(biāo)和方法，整體上提高了我國(guó)生物多樣性保護(hù)的管理能力。大數(shù)據(jù)在生物多樣性空間和系統(tǒng)發(fā)育模式中的利用推動(dòng)了海量生物多樣性數(shù)據(jù)的整合和利用。生物多樣性評(píng)價(jià)從方法、指標(biāo)選擇、指標(biāo)體系構(gòu)建、區(qū)域生物多樣性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐漸發(fā)展為整合數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建和檢索。
由于生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，生態(tài)環(huán)境監(jiān)管難度也越來越大。運(yùn)用大數(shù)據(jù)的方法作為環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的工具，對(duì)于環(huán)境監(jiān)管具有重要意義。生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)要關(guān)注生態(tài)環(huán)境影響因素分析，根據(jù)指標(biāo)選取原則選擇普適性指標(biāo)，分析各指標(biāo)因素間的內(nèi)在聯(lián)系。通過 綜合評(píng)價(jià)正確理解不同時(shí)空尺度、類型的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的時(shí)空拓展。
