【摘要】隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)給生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究帶來了新的機(jī)遇與發(fā)展。本文回顧了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在收集、監(jiān)測(cè)、分析與應(yīng)用方面的發(fā)展現(xiàn)狀。雖然生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究相對(duì)于其他領(lǐng)域起步較晚，但是目前正處于蓄勢(shì)待發(fā)的狀態(tài)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究未來的發(fā)展趨勢(shì)為:一、建立數(shù)據(jù)共享機(jī)制;二、需要跨區(qū)域的不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)甚至不同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)與研究,建立從樣地到區(qū)域甚至到全球多尺度的、系統(tǒng)的觀測(cè)與研究,并且應(yīng)該推進(jìn)觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,進(jìn)一步統(tǒng)一不同生態(tài)環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn),建立國際統(tǒng)一的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范;三、需要開發(fā)針生態(tài)環(huán)境對(duì)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析軟件,尤其應(yīng)該重視地理信息技術(shù)與統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的結(jié)合，特別是過程模型與大數(shù)據(jù)的結(jié)合。最后,雖然生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究相對(duì)薄弱但未來的發(fā)展空間是巨大的,未來生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要應(yīng)該體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境資源管理、生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等方面。
關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù);發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢(shì)
1前言
20世紀(jì)后半葉以來,伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展全球生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。目前全球生態(tài)環(huán)境問題突出表現(xiàn)在環(huán)境污染、土地退化、森林銳減、生物多樣性喪失、水資源枯竭以及氣候變化等方面。而這些問題往往是時(shí)間跨度長、涉及部門廣、過程復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)因素眾多,因此解決起來難度很大。現(xiàn)代社會(huì)面臨的生態(tài)環(huán)境問題首先源于生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在復(fù)雜性,它不僅與地球科學(xué)(如地理學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)、氣象科學(xué)等)有密切的聯(lián)系,還涉及數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科。生態(tài)環(huán)境問題正跨越局域尺度擴(kuò)展至全球尺度,這些都促使生態(tài)學(xué)家們?cè)诟蟮臅r(shí)空尺度、更多的領(lǐng)域收集數(shù)據(jù),進(jìn)而完成更為復(fù)雜的分析[2,3,5]。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)將帶給生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇與發(fā)展。
2生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的定義及特點(diǎn)
2.1大數(shù)據(jù)與生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的定義
維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Bigdata)對(duì)大數(shù)據(jù)的定義為:大數(shù)據(jù)是指利用常用軟件工具捕獲、管理和處理數(shù)據(jù)所耗時(shí)間超過可容忍時(shí)間的數(shù)據(jù)集。國際前沿學(xué)術(shù)期刊《Nature》于2008年出版有關(guān)大數(shù)據(jù)的專刊并將大數(shù)據(jù)定義為:大數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)集的規(guī)模是無法在可容忍的時(shí)間內(nèi)用目前的技術(shù)、方法和理論去獲取、管理、處理的數(shù)據(jù)[5]。作為第一家信息技術(shù)研究和分析的GartnerGroup公司在2012年提出大數(shù)據(jù)的定義為:大數(shù)據(jù)是高容量、高生成速率、種類繁多的信息價(jià)值,同時(shí)需要新的處理形式去確保判斷的作出、洞察力的發(fā)現(xiàn)和處理的優(yōu)化[9]。目前關(guān)于大數(shù)據(jù),人們更多從商業(yè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、信息技術(shù)和數(shù)據(jù)特征等角度來描述,綜合當(dāng)前國內(nèi)外各類關(guān)于大數(shù)據(jù)的定義,可以這樣理解,大數(shù)據(jù)是指通過傳統(tǒng)技術(shù)手段難以有效收集、處理和應(yīng)用的大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。根據(jù)以上大數(shù)據(jù)的概念可見,大數(shù)據(jù)之“大”是相對(duì)的,是以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)為參考的,因此各個(gè)領(lǐng)域在界定大數(shù)據(jù)時(shí)沒有絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。
此外,大數(shù)據(jù)之“大”不僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)量的大,也包括數(shù)據(jù)的高度復(fù)雜性,這包括數(shù)據(jù)來源與構(gòu)成的多樣性、數(shù)據(jù)流動(dòng)的快速性(如實(shí)時(shí)更新)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定性。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的概念在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和政府部門開始流行,但和大數(shù)據(jù)一樣,目前還沒有統(tǒng)一的定義和界定標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)的一部分,是指生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域所涉及的各類大數(shù)據(jù),其具備大數(shù)據(jù)的一般特征。因此按照大數(shù)據(jù)的定義,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)是指通過傳統(tǒng)技術(shù)手段難以有效收集、處理和應(yīng)用的大而復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集。
2.2生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)
生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)作為大數(shù)據(jù)的一個(gè)類別同樣具有五大特征:數(shù)量大(Volume)、種類多(Variety)、價(jià)值大(Value)、快時(shí)效(Velocity)、準(zhǔn)確性(Veracity)。具體體現(xiàn)為以下幾點(diǎn):首先從數(shù)據(jù)規(guī)模和類型來看,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)體量大、類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。從內(nèi)容上包括水、土、氣層等方面的生態(tài)數(shù)據(jù);從地域上來講,包括全球各個(gè)尺度,如大氣、海洋、土壤、植被、森林、濕地等各類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)數(shù)據(jù);從數(shù)據(jù)構(gòu)成上關(guān)聯(lián)物理過程和化學(xué)過程,空間變異性強(qiáng),多樣復(fù)雜,這都導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)來源的多樣性。也由于生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)來源復(fù)雜多樣直接導(dǎo)致其體量大的另一顯著特點(diǎn);其次從數(shù)據(jù)價(jià)值來看,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)無疑具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,如何從海量數(shù)據(jù)中挖掘出最有用的信息是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)面臨的最大挑戰(zhàn);再次從數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化方面來看,由于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的動(dòng)態(tài)變化生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)多表現(xiàn)為流式數(shù)據(jù)特征,實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)尤為重要。
例如,我國已經(jīng)開發(fā)了一些污染物擴(kuò)散預(yù)測(cè)模型,可由于缺乏大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的支持而不能進(jìn)行精確地預(yù)測(cè);最后從數(shù)據(jù)真實(shí)性來看,由于受野外監(jiān)測(cè)條件的限制,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)往往存在一定誤差甚至存在錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。如何從海量數(shù)據(jù)中去偽存真獲取真實(shí)數(shù)據(jù)是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)面臨的又一挑戰(zhàn)。除了上述基本特征，生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)較其他領(lǐng)域大數(shù)據(jù)更加具有數(shù)據(jù)源多樣又復(fù)雜、所在部門分散、監(jiān)測(cè)體系不統(tǒng)一、跨歷史事件長的獨(dú)特特點(diǎn)。
3生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展現(xiàn)狀
早在20世紀(jì)中葉,“大數(shù)據(jù)”的思想已在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域得到體現(xiàn),宏觀生態(tài)學(xué)研究早已認(rèn)識(shí)到了大數(shù)據(jù)的重要性。大數(shù)據(jù)在生態(tài)系統(tǒng)研究方面的應(yīng)用,最早可以追溯到國際地球物理年(1957—1958)和國際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)(1964—1974),當(dāng)時(shí)被稱為大科學(xué)研究,其目的是通過收集大量的數(shù)據(jù)研究大尺度生態(tài)環(huán)境問題,后來這種研究演變成了現(xiàn)在的國際長期生態(tài)研究計(jì)劃(ILTER)。直至目前隨著科技的發(fā)展,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在收集、監(jiān)測(cè)、分析與應(yīng)用方面都相繼取得了初步發(fā)展。
3.1生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的收集與監(jiān)測(cè)
目前國際上已經(jīng)建立了多套覆蓋全球的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),總體來說可分為全球衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)這兩大類。全球尺度的主要觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)包括全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(GEMS)、全球陸地觀測(cè)系統(tǒng)(CTOS)、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(ILTER)、全球通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)以及國際生物多樣性觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(GEO·BON)等。有代表性的國家尺度生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)包括美國的US—LTER生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)、英國的ECN生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)、中國的CERN生態(tài)環(huán)境觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)和日本長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(JALTER)。隨著全球生態(tài)環(huán)境問題日益突出,衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理中的應(yīng)用也越來越廣泛，美國、日本及歐洲的一些國家近年來都在大力發(fā)展生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)。目前在軌運(yùn)行的和計(jì)劃發(fā)展的國內(nèi)外衛(wèi)星傳感器提供數(shù)據(jù)的空間分辨率已從公里級(jí)發(fā)展到亞米級(jí),重復(fù)觀測(cè)頻率從月周期發(fā)展到幾小時(shí),光譜波段跨越了可見光、紅外到微波,光譜分辨率從多波段發(fā)展到超光譜,遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)正走向?qū)崟r(shí)化和精確化,衛(wèi)星遙感應(yīng)用也正在向定量化和業(yè)務(wù)化快速發(fā)展[34]。
在陸地生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)方面,通常采用空間分辨率較高的陸地衛(wèi)星和傳感器,如美國的Landsat/TM系列、法國SPOT/HRV系列、印度IRS-1系列以及高光譜衛(wèi)星如美國的EO-1/ALI及Hyperion等。在海洋衛(wèi)星遙感方面也開展了全球范圍的業(yè)務(wù)化運(yùn)行,代表性的衛(wèi)星平臺(tái)和傳感器有美國的Seastar/SeaWiFS、EOS/MODIS-TERRA&AQUA及歐空局的ENVISAT/MERIS、日本的ADEOS/GLI、印度的IRS/OCM等。另外,覆蓋全球的大氣監(jiān)測(cè)衛(wèi)星傳感器主要有美國的NOAA/AVHRR、EOS/MODIS-TERRA&AQUA&AURA和歐空局的ENVISAT/SCIAMACHY、ERS-2/GOME、METOP-1/GOME-2及日本的ADEOS-Ⅱ/TOMS&TOVS等[37]。全球地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中,其中比較典型的是地面氣象站監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和全球環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等。全球地面氣象站監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)集成了不同國家不同地區(qū)的實(shí)時(shí)天氣觀測(cè)數(shù)據(jù),共包含100多種數(shù)據(jù)來源和35000個(gè)氣象站點(diǎn)。
該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)涉及的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)可追溯到1901年,站點(diǎn)數(shù)量在二十世紀(jì)四十年代和七十年代出現(xiàn)了兩次大幅度的增加,目前已經(jīng)擁有了14000個(gè)每日更新的固定站點(diǎn)。全球地面氣象站監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲取的氣象參數(shù)主要包括風(fēng)速風(fēng)向、溫度、云量、氣壓、可見度、降水以及積雪深度等其它要素(https://www.ncdc.noaa.gov)。全球環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署下屬的全球和地區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的協(xié)調(diào)中心,它系統(tǒng)地收集和分析了各種環(huán)境狀況變化因素的數(shù)據(jù)和環(huán)境在時(shí)間和空間上的變化情況,并在此基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行定期評(píng)價(jià),從而提高對(duì)環(huán)境的管理、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)水平。
該監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要涉及陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染監(jiān)測(cè),如大氣組成和氣候系統(tǒng)、淡水和海岸污染、空氣污染、森林砍伐、臭氧層耗減、溫室氣體增加、酸雨、全球冰蓋范圍變化以及生物多樣性問題等。我國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的研究起步較晚,環(huán)境保護(hù)部最近剛剛發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)總體方案》,但是該方案僅涉及到環(huán)保系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的建設(shè)規(guī)劃,而分布在其它部門的大量生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)并沒有在該方案中得以體現(xiàn)。在生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方面,我國已于1988年開始組建中國陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),覆蓋農(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),觀測(cè)指標(biāo)達(dá)280多個(gè)。其中包括中科院所屬45個(gè)站;國家林業(yè)局所屬森林站105個(gè)、濕地站35個(gè)、荒漠站26個(gè);農(nóng)業(yè)部所屬68個(gè)野外農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站和185個(gè)國家級(jí)草原固定監(jiān)測(cè)站;此外水利部、教育部以及地方政府也擁有上百個(gè)生態(tài)監(jiān)測(cè)站。同時(shí),我國已初步建成包括岸基海洋觀測(cè)系統(tǒng)、離岸海洋觀測(cè)系統(tǒng)、大洋和極地觀測(cè)的海洋生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),其中包括海洋站180多個(gè)、浮/潛標(biāo)50多個(gè)、調(diào)查斷面約120個(gè)、極地科考站4個(gè)。
此外,我國也初步建立了生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)網(wǎng),包括200余個(gè)通量站。在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方面,我國已經(jīng)初步建立了一套網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),涵蓋大氣、水和土壤等領(lǐng)域。其中,大氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)包括1436個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、82個(gè)沙塵暴監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、1011個(gè)酸雨監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、956個(gè)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面、20401個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、301個(gè)近海水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、35000多個(gè)土壤污染監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。此外,在氣象觀測(cè)方面,近年來國家氣象局已管理高達(dá)2000多個(gè)常規(guī)氣象站,3萬多個(gè)自動(dòng)氣象站和39個(gè)沙塵暴監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。
在水利方面,已擁有259個(gè)水文站及1435個(gè)水位站,其中水利衛(wèi)星通信站達(dá)610個(gè);國家水土流失監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)目前由7大流域監(jiān)測(cè)中心站、31個(gè)省級(jí)監(jiān)測(cè)總站和175個(gè)重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)測(cè)站構(gòu)成。在冰凍監(jiān)測(cè)方面,已有冰川監(jiān)測(cè)站4個(gè),凍土監(jiān)測(cè)站160余個(gè)。另外,我國目前已初步建成了綜合資源環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái),包括陸地衛(wèi)星9顆、氣象衛(wèi)星3顆、海洋衛(wèi)星3顆。至今為止,一套天地立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已初步建立,但由于我國幅員遼闊,生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還無法完全滿足生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需要,很多監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有待進(jìn)一步補(bǔ)充完善。首先這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分散于多個(gè)部門,存在著數(shù)據(jù)收集標(biāo)準(zhǔn)不一、質(zhì)量參差不齊和數(shù)據(jù)共享極其困難等問題。另外,上述各類網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段主要側(cè)重于數(shù)據(jù)收集,在數(shù)據(jù)分析、挖掘、存儲(chǔ)和利用等方面還非常薄弱甚至某些領(lǐng)域還是空白。例如在大數(shù)據(jù)的硬件支撐方面(超算和云計(jì)算),我國目前雖然擁有世界上最快的天河2號(hào)計(jì)算機(jī),但由于應(yīng)用軟件開發(fā)滯后,數(shù)據(jù)分析與挖掘能力不足,導(dǎo)致機(jī)器利用率很低,從而無法充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。
3.2生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的集成和分析
雖然大數(shù)據(jù)本身蘊(yùn)含了大量信息但更多有用的信息并不在于原數(shù)據(jù)本身,而在于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析,剖析數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系挖掘其中的潛在價(jià)值。統(tǒng)計(jì)分析是數(shù)據(jù)處理最常用的技術(shù),通常包括數(shù)據(jù)描述性分析、相關(guān)分析、回歸分析、聚類分析以及主成分分析等。除具備數(shù)據(jù)的一般特性外生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)通常還具有地理空間特征,因此空間分析技術(shù)是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的常用分析技術(shù)。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)推動(dòng)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展起到了舉足輕重的作用,各類統(tǒng)計(jì)分析軟件、地理信息軟件等的開發(fā)利用對(duì)于解決復(fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境問題提供了有力的技術(shù)支撐。美國環(huán)保局聯(lián)合美國航空航天局利用衛(wèi)星技術(shù)收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù),以便更好地確定污染源及污染物排放與變化規(guī)律。同時(shí)利用商業(yè)傳感器開發(fā)個(gè)人空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和能夠安裝在各種交通工具上的空氣污染監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)。美國環(huán)保局聯(lián)合企業(yè)研發(fā)力量,通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新推動(dòng)了大數(shù)據(jù)的發(fā)展。
在生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的建設(shè)方面,IBM、惠普、谷歌、微軟等美國IT企業(yè)為政府和公眾提供了全球最先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、搜索服務(wù)和存儲(chǔ)設(shè)備等,幫助政府和研究機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)做出準(zhǔn)確判斷。但是國際上跨部門跨行業(yè)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)目前還比較少見,尤其是在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域。近年來,隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展,大數(shù)據(jù)在生物多樣性保護(hù)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用,很多國家和地區(qū)已經(jīng)或正在建設(shè)生物多樣性信息管理系統(tǒng)。
例如,惠普公司聯(lián)合非盈利環(huán)保組織“保護(hù)國際”(ConservationInternational)于2012年共同啟動(dòng)惠普地球觀察(HPEarthInsights)項(xiàng)目。通過開發(fā)Vertica分析平臺(tái),該項(xiàng)目對(duì)全球高達(dá)3兆兆字節(jié)的生物多樣性和氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。同時(shí),為了提高生物多樣性信息的可視化程度,研發(fā)了野生動(dòng)物圖片索引分析系統(tǒng)(WildlifePictureIndexAnalyticsSystem),用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行訪問。通用的統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)給大數(shù)據(jù)平臺(tái)的信息挖掘提供了有力的手段,但是這些用于數(shù)據(jù)加工的通用分析軟件(如R、SAS、SPASS等)對(duì)于解決復(fù)雜多變的生態(tài)環(huán)境問題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,正是諸多技術(shù)瓶頸使生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的集成和分析方面相對(duì)薄弱。
3.3生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的應(yīng)用
目前大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用,主要體現(xiàn)在全球氣候變化預(yù)測(cè)與區(qū)域大氣污染治理等方面。大數(shù)據(jù)技術(shù)有助于整合海量龐雜的觀測(cè)數(shù)據(jù)及模式數(shù)據(jù)提高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度和管理效率。隨著新的氣象觀測(cè)設(shè)備的普及與應(yīng)用,氣象觀測(cè)己經(jīng)由過去相對(duì)少量的常規(guī)觀測(cè)發(fā)展到如今海量的非常規(guī)觀測(cè),觀測(cè)精度也日益提高。目前氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)已經(jīng)遍布全球,觀測(cè)范圍從地面到幾千米的高空,觀測(cè)手段從最原始的人工觀測(cè)到高科技的雷達(dá)衛(wèi)星[13]。與此同時(shí)為了真實(shí)地模擬全球大氣走向大量的模式數(shù)據(jù)也隨之產(chǎn)生,模式系統(tǒng)一般每天計(jì)算2—4次,通常在整點(diǎn)開始利用整點(diǎn)前采集到的實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,每次計(jì)算要生成大概幾百個(gè)物理量,包括從開始計(jì)算的時(shí)刻至未來240h或更長時(shí)效的一系列二進(jìn)制網(wǎng)格數(shù)據(jù),預(yù)報(bào)時(shí)效通常間隔3h｡
目前氣象網(wǎng)格經(jīng)緯度間距一般在0.25度數(shù)量級(jí),一個(gè)網(wǎng)格文件大小通常在1—2兆,包含幾十萬個(gè)浮點(diǎn)數(shù)值[15]｡譚清海等(2013)針對(duì)氣候模式在超大規(guī)模數(shù)值模擬中產(chǎn)生的Tb至Pb量級(jí)的四維體數(shù)據(jù)的可視化和分析診斷方法,提出了基于Server-Client方式的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)抽取和并行可視化解決方案[32]｡2015年6月,美國宇航局結(jié)合了最新超級(jí)計(jì)算技術(shù)、地球系統(tǒng)模型、工作流管理以及遙感數(shù)據(jù)的協(xié)作及分析平臺(tái),發(fā)布了從1950年到2100年全球氣候變化預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)庫可以在15km的空間分辨率上測(cè)算未來全球各地氣溫與降水情況的變化。
國內(nèi)方面黃剛等(2010)分析了大氣科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),同時(shí)結(jié)合e-Science的大氣科學(xué)數(shù)據(jù)再分析平臺(tái)構(gòu)建了一套新的大氣科學(xué)數(shù)據(jù)的分析和可視化系統(tǒng),并提出數(shù)據(jù)處理算法與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)合的可行方案[26]。賈韶輝(2013)基于大數(shù)據(jù)角度研發(fā)了集成大數(shù)據(jù)的信息與專業(yè)服務(wù)平臺(tái),開展了針對(duì)中國石油氣象與地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警工作[28]｡2015年5月，中國氣象局與阿里云合作,旨在挖掘全球尺度歷史觀測(cè)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等氣象大數(shù)據(jù)的深層價(jià)值。2015年9月，中國科學(xué)院大氣物理研究所等發(fā)布了“地球數(shù)值模擬裝置”原型系統(tǒng),該系統(tǒng)是基于中科院地球系統(tǒng)模式1.0版本的高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng),填補(bǔ)了中國地球系統(tǒng)模式大數(shù)據(jù)實(shí)踐平臺(tái)的空白。
另外,氣候變化觀測(cè)數(shù)據(jù)包含的信息十分豐富可以發(fā)揮出跨行業(yè)的服務(wù)價(jià)值,有可能挖掘出新的信息從而拓展新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域和服務(wù)范圍。例如美國硅谷一家公司利用多年來的降雨、氣溫、土壤狀況等氣象數(shù)據(jù)與歷年農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,預(yù)測(cè)各地農(nóng)場(chǎng)來年產(chǎn)量和適宜種植品種,這些結(jié)果以個(gè)性化保險(xiǎn)服務(wù)的形式向農(nóng)戶出售,從而減少了氣象災(zāi)害給當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶帶來的風(fēng)險(xiǎn)及損失。氣象大數(shù)據(jù)應(yīng)用還可在林業(yè)、海洋、氣象災(zāi)害等方面拓展新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域[25]。
3.4目前生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)研究存在的不足之處
雖然生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的相關(guān)研究已經(jīng)有了很大進(jìn)展但仍存在以下幾點(diǎn)不足:1)缺乏數(shù)據(jù)共享。我國的生態(tài)環(huán)境建設(shè)經(jīng)過多年努力在快速發(fā)展的同時(shí)產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù),可由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式和技術(shù)路線不統(tǒng)一導(dǎo)致嚴(yán)重的數(shù)據(jù)割據(jù),形成了“數(shù)據(jù)孤島”。數(shù)據(jù)共享一直是制約大數(shù)據(jù)發(fā)展的突出問題,沒有數(shù)據(jù)共享,就無法形成“大數(shù)據(jù)”,因此數(shù)據(jù)共享是開展生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)的前提和基礎(chǔ)。2)技術(shù)問題。從基礎(chǔ)架構(gòu)講,傳統(tǒng)信息技術(shù)架構(gòu)存在擴(kuò)展性弱、容錯(cuò)性差、資源利用率低等問題。云計(jì)算是解決這些問題的關(guān)鍵,但目前在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中云計(jì)算技術(shù)普遍僅在IaaS層實(shí)現(xiàn)硬件資源調(diào)配,在市場(chǎng)上少見PaaS和SaaS層的成熟產(chǎn)品和解決方案。在數(shù)據(jù)采集方面,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)除傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外還來源于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、網(wǎng)絡(luò)定位、視頻影像,以及互聯(lián)網(wǎng)上的文本、圖片等信息。如何將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合適的格式和類型,并將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于環(huán)境決策和監(jiān)管還在探討之中。
在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,SQL數(shù)據(jù)庫已不適合用于大規(guī)模非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理,大數(shù)據(jù)所需要配套的分布式數(shù)據(jù)庫與混合型數(shù)據(jù)庫相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步完善,也需要對(duì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。建模分析是大數(shù)據(jù)的核心技術(shù),如何使用新一代的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新,為不同客戶提供個(gè)性化服務(wù),是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)面臨的重要挑戰(zhàn),同時(shí)也正是生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展機(jī)遇。3)應(yīng)用不足。迄今為止,我國生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新應(yīng)用還很有限,大數(shù)據(jù)的威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能發(fā)揮出來,政府綜合運(yùn)用生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的能力較低,沒有形成成熟的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈和有影響力的數(shù)據(jù)企業(yè)。生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)在氣象、水利、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等各部門的應(yīng)用才剛剛起步,跨領(lǐng)域的應(yīng)用寥寥無幾。如何促進(jìn)大數(shù)據(jù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用創(chuàng)新,使大數(shù)據(jù)真正成為提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)管能力現(xiàn)代化的有力手段,是目前世界各國正在探索的課題。
4生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)
4.1在數(shù)據(jù)的搜集與整理方面應(yīng)建立數(shù)據(jù)共享機(jī)制
生態(tài)環(huán)境問題的解決需要長期的數(shù)據(jù)積累,對(duì)這些長期積累數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理是大數(shù)據(jù)科學(xué)中非常關(guān)鍵的一部分。與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)眾多,大致包括地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、專項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)以及科學(xué)研究數(shù)據(jù)等。由于生態(tài)環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性,這些數(shù)據(jù)的來源、監(jiān)測(cè)對(duì)象及收集管理均不統(tǒng)一,而是分布在環(huán)保、國土、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、衛(wèi)生、氣象、海洋等多個(gè)領(lǐng)域。
例如,各類生態(tài)環(huán)境及污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括污染物排放數(shù)據(jù)、空氣環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)、水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)及土壤環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)等;各類農(nóng)業(yè)資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)市場(chǎng)等數(shù)據(jù);森林資源清查數(shù)據(jù)、林業(yè)生態(tài)工程數(shù)據(jù)、自然保護(hù)區(qū)及生物多樣性數(shù)據(jù)等林業(yè)數(shù)據(jù);土地資源、土地利用、礦產(chǎn)資源開發(fā)等數(shù)據(jù);水文水資源、水土流失、水利設(shè)施等數(shù)據(jù);各類地面氣象站、氣象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)以及探空等氣象數(shù)據(jù);海洋生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)資源、近海資源開發(fā)、濱海濕地保護(hù)等海洋數(shù)據(jù)以及各種環(huán)境災(zāi)害數(shù)據(jù)以及與環(huán)境相關(guān)的人體健康等數(shù)據(jù)等等。
5總結(jié)
本文結(jié)合生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)目前的研究現(xiàn)狀,提出了生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)未來的發(fā)展趨勢(shì),而生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展還需要以下幾點(diǎn)保障:完善大數(shù)據(jù)發(fā)展法律法規(guī),制定統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系等體制保障;加強(qiáng)大數(shù)據(jù)新技術(shù)的研發(fā),成立相關(guān)科研機(jī)構(gòu)等技術(shù)保障;培養(yǎng)一批復(fù)合型人才等人才保障;加大生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、計(jì)算機(jī)等數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)設(shè)施投入,設(shè)立生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)專項(xiàng)基金,設(shè)立生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)人才培養(yǎng)專項(xiàng)基金等資金保障。目前,生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展尚在起步階段,需要人們不斷開拓的空間很大,如何高效地處理大數(shù)據(jù)、合理地利用大數(shù)據(jù)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究仍需要不斷地探索與發(fā)現(xiàn)。
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生態(tài)方向論文范文閱讀：林業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展初探
摘要:林業(yè)資源的保護(hù)是我國林業(yè)事業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容，與人類生活有著廣泛的聯(lián)系。尤其是在當(dāng)前森林資源比較匱乏的情況下，做好林業(yè)資源的保護(hù)工作有著現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，將林業(yè)資源的發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相互配合，能夠共同促進(jìn)林業(yè)資源的整體進(jìn)步。本文對(duì)林業(yè)資源的主要功能進(jìn)行簡(jiǎn)要概述，提出合理的措施以提高林業(yè)資源的環(huán)境保護(hù)與林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共同進(jìn)步。
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