一、引言

　　在全球環(huán)境問題日益嚴峻的當下，環(huán)境監(jiān)測作為環(huán)境保護的關鍵基礎，其重要性愈發(fā)凸顯。數(shù)字化技術的蓬勃發(fā)展，為環(huán)境監(jiān)測領域帶來了革命性的變革。從實時、精準的數(shù)據(jù)采集，到深度的數(shù)據(jù)分析與科學決策，數(shù)字化技術貫穿于環(huán)境監(jiān)測的各個環(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)測領域數(shù)字化技術及應用的發(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)境保護事業(yè)進步意義深遠。

　　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)測網絡數(shù)智化轉型方案》( 以下簡稱《方案》[1])，作為推進監(jiān)測數(shù)智化轉型的頂層設計，進一步提升技術裝備數(shù)智化能力，推進建成新一代國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡，為各地方政府高標高質高效推動生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)智化轉型提供了遵循、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，加快推進生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)智化轉型，全方位加強人工智能、物聯(lián)網、云計算等數(shù)字技術在環(huán)境監(jiān)測領域的應用，助力快速構建現(xiàn)代化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。

　　二、環(huán)境監(jiān)測領域關鍵數(shù)字化技術

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

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

　　2.1 感知與數(shù)據(jù)采集技術

　　傳感器技術是數(shù)字化環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的基石。當前，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特的納米級結構，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行精準監(jiān)測，檢測下限達到 ppb 級。在水質監(jiān)測方面，多參數(shù)水質傳感器能同時測量酸堿度、溶解氧、化學需氧量、氨氮等多個指標，大大提高了監(jiān)測效率。

　　物聯(lián)網技術則實現(xiàn)了傳感器的互聯(lián)互通，構建起龐大的環(huán)境感知網絡。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)網節(jié)點，涵蓋空氣質量監(jiān)測站、水質監(jiān)測點、噪聲監(jiān)測設備等，這些節(jié)點借助無線通信技術將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)對環(huán)境質量的全方位、實時監(jiān)測。在一些工業(yè)園區(qū)，利用物聯(lián)網技術還能對企業(yè)的污染物排放進行 24 小時不間斷監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)違規(guī)排放行為。

　　2.2 數(shù)據(jù)傳輸與存儲技術

　　在數(shù)據(jù)傳輸領域，無線通信技術的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程、高速傳輸提供了保障。 4G/5G 網絡憑借其高帶寬、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器。在偏遠地區(qū)或對功耗要求較高的場景，低功耗廣域網技術 (LPWAN)，如 LoRa、NB-IoT 等發(fā)揮著重要作用，它們以低功耗、遠距離傳輸?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 技術將分布在各處的傳感器數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點通過其他網絡將數(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)存儲技術應運而生，分布式文件系統(tǒng) ( 如 Hadoop 分布式文件系統(tǒng) HDFS) 和非關系型數(shù)據(jù)庫 ( 如 MongoDB)能夠高效存儲海量、異構的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具備良好的擴展性和容錯能力。數(shù)據(jù)倉庫技術則對多源數(shù)據(jù)進行整合和管理，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

　　人工智能和機器學習算法在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮著關鍵作用。機器學習算法可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深度挖掘，實現(xiàn)模式識別和趨勢預測。利用時間序列分析算法，能夠對空氣質量數(shù)據(jù)進行建模，預測未來一段時間內污染物濃度的變化趨勢，為污染預警提供依據(jù)。深度學習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) 技術為環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)賦予了空間維度。它能夠將環(huán)境數(shù)據(jù)與地理空間信息相結合，直觀展示環(huán)境質量的空間分布特征和變化趨勢。在分析河流污染時，借助 GIS 技術可以清晰地看到污染在河流中的擴散路徑、影響范圍以及與周邊地理環(huán)境的關系，輔助制定針對性的治理方案。

　　三、環(huán)境監(jiān)測領域數(shù)字化應用典型場景

　　在多元化創(chuàng)新技術的融合應用之下，近幾年來，環(huán)境監(jiān)測領域的數(shù)字化進程日趨顯著，數(shù)字化技術深入到大氣、水、土壤等多個關鍵場景，借助物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，實現(xiàn)對環(huán)境的實時、精準監(jiān)測與科學管理。

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

　　3.1 大氣環(huán)境監(jiān)測

　　數(shù)字化技術構建起了全方位、多層次的大氣環(huán)境監(jiān)測體系。在城市中，網格化的空氣質量監(jiān)測站點與移動監(jiān)測設備相結合，實現(xiàn)了對空氣中 PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機物等污染物的實時、精準監(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，能夠對大氣污染來源進行精準溯源。例如，當空氣質量出現(xiàn)異常時，通過模型分析可以快速確定是工業(yè)源、移動源 ( 如機動車尾氣排放 ) 還是揚塵源等導致的污染。

　　大氣污染預測預警系統(tǒng)借助機器學習算法，對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進行分析，預測未來空氣質量變化。一些城市已經實現(xiàn)了提前 3 - 5 天的空氣質量精準預報，為公眾出行和政府決策提供了重要參考。當預測到可能出現(xiàn)重污染天氣時，政府可以提前啟動應急預案，如限制機動車出行、工業(yè)企業(yè)限產停產等，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)字化技術實現(xiàn)了對水質的實時、動態(tài)監(jiān)測。在河流、湖泊、水庫以及飲用水源地等關鍵位置，大量部署水質監(jiān)測傳感器，實時采集水質數(shù)據(jù)。結合 GIS技術，能夠直觀展示水環(huán)境質量狀況及變化趨勢，一旦水質出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會及時發(fā)出預警。例如，2020 年，中科院南京地湖所就曾攜手海康威視采用高光譜水質多參數(shù)監(jiān)測儀和水質監(jiān)測應用軟件一體化方案，實現(xiàn)高效、實時、連續(xù)、無污染監(jiān)測，并通過水質比對分析等功能，為生態(tài)修復、可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與評估提供依據(jù)。通過高光譜水質多參數(shù)監(jiān)測儀，20 秒就能采集葉綠素等多項關鍵水質參數(shù)，并依托水質監(jiān)測應用軟件，匯聚不同點位的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，既能看水質變化趨勢，還能用液位雷達看水位，也能異常預警，助力太湖水環(huán)境精細化管理。

　　物聯(lián)網技術實現(xiàn)了對污水處理廠、工業(yè)企業(yè)排污口等重點污染源的遠程監(jiān)控。監(jiān)管部門可以實時獲取企業(yè)的污水排放數(shù)據(jù)，對超標排放行為及時發(fā)現(xiàn)并處理，確保污水達標排放。一些污水處理廠還利用數(shù)字化技術實現(xiàn)了污水處理過程的自動化控制，根據(jù)進水水質和水量自動調整處理工藝參數(shù)，提高處理效率和出水質量。

　　3.3 土壤環(huán)境監(jiān)測

　　傳統(tǒng)土壤監(jiān)測方法存在采樣點有限、分析周期長等問題，而數(shù)字化技術為土壤環(huán)境監(jiān)測帶來了新突破。利用衛(wèi)星遙感[2] 和無人機搭載的光譜儀，可以對大面積土壤進行快速監(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，及時發(fā)現(xiàn)土壤污染區(qū)域。

　　便攜式土壤監(jiān)測設備結合物聯(lián)網技術，使現(xiàn)場快速檢測和數(shù)據(jù)實時傳輸成為可能。在野外采樣時，工作人員可以使用便攜式設備對土壤的酸堿度、養(yǎng)分含量等指標進行現(xiàn)場檢測，并將數(shù)據(jù)實時上傳至云端，方便后續(xù)分析和管理。一些農業(yè)生產中，利用這些技術實現(xiàn)了精準施肥，根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況合理調整施肥量，減少肥料浪費和環(huán)境污染。

　　四、環(huán)境監(jiān)測領域數(shù)字化技術應用的成果與挑戰(zhàn)

　　4.1 顯著成果

　　數(shù)字化技術的應用使環(huán)境監(jiān)測的范圍得到極大拓展。無論是偏遠的山區(qū)、廣袤的海洋，還是人口密集的城市，都能實現(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)境質量評估提供更準確的數(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，為制定科學的環(huán)境保護政策提供了有力依據(jù)。

　　在環(huán)境管理和決策方面，數(shù)字化技術發(fā)揮了重要作用。實時、準確的監(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，能夠及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題的根源，制定針對性的治理措施，實現(xiàn)精準治污。例如，在大氣污染治理中，根據(jù)污染溯源結果，對重點污染源進行精準管控，有效改善了空氣質量。

　　4.2 現(xiàn)存挑戰(zhàn)

　　盡管數(shù)字化技術在環(huán)境監(jiān)測領域取得了顯著成果，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在技術層面，高精度監(jiān)測設備往往價格昂貴，部署和維護成本高，這限制了其在一些發(fā)展中國家或經濟欠發(fā)達地區(qū)的廣泛應用，導致監(jiān)測網絡覆蓋不足。不同廠商生產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)一的校準機制和數(shù)據(jù)標準，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)測領域數(shù)字化技術的發(fā)展需要既懂環(huán)境科學又熟悉信息技術的復合型人才，但目前這類人才相對匱乏，制約了技術的創(chuàng)新和應用推廣。

　　五、結論

　　環(huán)境監(jiān)測領域數(shù)字化技術及應用的發(fā)展，在數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和應用等方面取得了顯著進展，為大氣、水、土壤等環(huán)境監(jiān)測提供了強有力的支持，提升了環(huán)境監(jiān)測和管理的效率與精準度。然而，在技術成本、數(shù)據(jù)質量、安全隱私和人才培養(yǎng)等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來，需要加大技術研發(fā)投入，降低設備成本，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，加強數(shù)據(jù)安全保護，培養(yǎng)更多復合型人才，推動環(huán)境監(jiān)測領域數(shù)字化技術的持續(xù)創(chuàng)新和廣泛應用，實現(xiàn)環(huán)境保護的智能化、科學化發(fā)展，為人類創(chuàng)造更加美好的生態(tài)環(huán)境。

參考資料：

[1] 生態(tài)環(huán)境部《國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網絡數(shù)智化轉型方案》

[2] 生態(tài)環(huán)境部：專家解讀 | 緊抓數(shù)智化轉型機遇 推動生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測事業(yè)大發(fā)展

[3] 南寧日報：強化數(shù)字賦能環(huán)境治理 用“大數(shù)據(jù)”守護“大生態(tài)”

2025《大安全產業(yè)數(shù)字化調研報告》同步更新中，

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