文摘

随着云计算的快速发展,物联网,和其他技术,信息技术趋势由“大数据”对各个领域产生影响。大数据技术的应用领域的生态环境保护使准确和全面的生态信息收集,数据分析,和开采,生态问题识别,准确和有效的解决方案。以洞庭湖生态区域为例,本文构造一个基于大数据的生态环境信息系统,阐述了其具体应用在水、大气、土壤环境监测和污染控制,旨在为大数据技术的应用提供了参考,在洞庭湖生态环境保护领域的生态区域和更有效地保持在该地区的生态环境质量和安全。

1。介绍

随着云计算的快速发展,物联网,和其他技术,信息技术趋势由“大数据”正在席卷。大数据技术的出现密切相关的实质性改善的能力,现代信息技术在信息交换、存储、处理,等等。因为规模大数据的特点,复杂的数据类型,数据处理速度快,大数据技术已广泛用于金融、电子商务、医疗、公共管理等行业(1),可以提供新思想的监测和分析生态环境问题(2]。

在生态环境领域,大数据技术可以快速收集和获得巨大,multicategory,和multitype数据通过传感器、卫星遥感、互联网和其他技术(1,3),而传统的生态环境数据只能手工收集,消耗大量的人力,物力,和时间,和收集的数据是混乱的,不准确的,孤立的。此外,大数据技术可以处理和分析生态环境数据收集,集中和上传数据到数据库,构建一个完整的生态环境大数据系统和应用价值最大化的生态环境数据通过数据的集成和共享资源。

洞庭湖是中国第二大淡水湖,及其流域跨越湖南和湖北两省,这被称为“土地的鱼和米饭。”作为一个重要的湿地,存储湖泊和淡水储备在长江的中下游,洞庭湖熊生态安全的重大责任,水安全,和国家粮食安全在长江流域4]。然而,由于经济增长和人口增长的巨大压力,生态问题,如洪水灾害,水土流失,洞庭湖地区和湿地退化日益严重的(5]。近年来,许多学者采用各种方法来评估的承载能力6,7,生态风险8,9],生态补偿[10,11),等等,旨在提供参考洞庭湖的生态环境保护。然而,现有的大多数研究采用传统的研究方法,如定性讨论和相关分析。现代信息技术的利用率,特别是大数据技术,非常低。大数据技术应用到生态环境保护不仅扩展了研究领域的空间范围,还提高了可用性,准确性,和数量的数据,使分析结果更有价值。因此,本文构造了一个基于大数据技术的生态环境信息系统为洞庭湖,希望为未来提供参考的洞庭湖生态环境检测和保护。

2。现状及缺陷洞庭湖生态环境信息网络建设的生态区域

2.1。研究区域的概述

洞庭湖生态区域主要位于湖南省,流域面积约25.7公里²,土地面积27260公里²,显示一个u型湖。该地区主要由山脉、平原、丘陵,年平均气温16 - 17°C和年降水量超过1200毫米。亚热带季风气候的特点,如温暖的气候,分明的四季,足够的热量,和高时间沉淀的浓度。洞庭湖有很强的存储管理能力和占长江流域年径流总量的1/3。在18世纪,由于人类活动和自然因素的综合影响,湖泊的演化趋势加剧,湖盆逐渐提高。目前,湖泊盆地分为三个部分:西部,南部,东部,包括自然和人工湿地。在1990年代,一些国家自然保护区和省级自然保护区建于洞庭湖为了保护湿地生态、珍稀鸟类,等等。

2.2。生态环境的现状及缺陷信息网络建设

对生态环境信息网络建设,目前,湖南已经初步建立了一个实时数据发布系统水质和空气质量,使水质和空气质量信息的实时发布的14个城市(县),包括市县在洞庭湖区域内,主要通过生态和环境部门的官方网站的湖南。对水质、地表水质量的系统主要发布实时数据监控,包括水质类别,pH值,水温、溶解氧、导电性(如图1)。对空气质量,主要发布空气质量指数(AQI),空气质量等级,14个城市的主要污染物(县)当天和第二天和排名机能由市(县)、县(城市;区),分别,为了比较不同区域的空气质量(如图2)。

通过发布实时数据的环境质量,包括洞庭湖区域,湖南生态和环境部门的网站实现了数据共享的区域水和大气环境质量和可以提供基本的数据和信息对公众和社会了解区域环境质量。然而,信息网络的建设不是完美的作为一个整体,主要反映在两个方面:(1)信息的能力较低,不够全面,数据是有限的水质和空气质量、土壤质量信息不在,水质和空气质量的指标是不够的;(2)深度数据分析和挖掘是不充分的。公布的信息是,没有全面集成引入区域生态环境质量数据,也不显示相关研究成果。

信息共享平台是共享平台和信息终端的信息系统。只有良好的建设和成熟的应用程序我们真的可以打破信息筒仓效应,充分发挥资源的大量数据的价值。因此,研究人员需要不断地探索和挖掘无方向性,高精度的信息数据,构建一个完整的、系统的生态环境信息系统,不能没有大数据技术的有效利用。虽然大数据领域的技术只是在起步阶段生态环境,作为技术与大规模数据和信息化的心态,它有独特的优点,如巨大的体积,品种、速度,价值,和真实性3,12];有必要充分利用大数据的心态和技术建立系统的生态环境信息系统,推动信息技术的全面发展13]。

3所示。生态环境大数据技术系统

3.1。大数据采集技术

生态环境大数据收集由传感器、卫星遥感、互联网和其他技术手段,随着科学技术的不断发展,相关的技术研究,不断深化和信息化水平的不断提高,生态环境大数据获取变得更加复杂,多样化,和准确的。目前,生态环境大数据主要包括地面监测数据,卫星遥感监测数据、地理信息数据、和社会统计,如表所示1。作为一种重要的大型数据采集技术,卫星遥感技术使用地面遥感、航空遥感空间信息收集和繁殖该地区生态环境现状以三维方式给人们直观和清晰的信息体验。典型的大数据组织和管理模式包括美国宇航局EOSDIS形象大数据网格组织技术(14- - - - - -16),谷歌的全球大规模空间大数据网格组织技术(16- - - - - -18],ArcSDE的空间数据网格索引技术(16,19]。

3.2。大数据处理技术

根据收集到的数据、大数据处理技术采用多种处理方法实现集成、分析、和解释数据,以提供对生态环境保护工作的支持,并敦促相关人员制定可行计划管理的生态环境和生态污染的预防和控制在一个更好的方法。大来自各种数据源的数据,数据类型和处理方法是非常不同的。一些学者[20.]声称数据处理可以分为四个阶段:收集、处理集成、分析、和解释;其他一些学者[21分成四个阶段:预处理后收集、储存、分析和可视化。结合大数据技术的多样化的特征,本文将生态环境大数据流分为三个部分:预处理、深度处理和深度挖掘。

4所示。洞庭湖区域生态环境建设基于大数据的信息系统

4.1。生态环境信息系统的总体框架

洞庭湖区域生态环境建设的信息系统,必须首先确定系统的整体架构,建立一个合理的“骨架”添加“血肉”在此基础上。结合现有的生态环境信息系统和应用程序相关的先进技术,本研究构建一个生态环境信息系统框架由五部分组成:(1)感知网络:关注的改善生态环境监测物联网(物联网)和生态环境建设的物联网管理平台,时代的发展,及时更新感知网络和建立一个新的现代系统;(2)云服务:充分利用大数据技术建立一个生态环境大数据云服务平台,专注于信息基础设施建设,提高网络安全的水平,和实现生态环境的发展业务云平台;(3)数据中心:将原始数据中心升级到生态环境数据资源中心,整理和集成在该地区生态环境数据,标准化的整个过程数据收集、处理和分析,提高数据管理的规章制度;(4)信息平台:建立一个全面的办公信息平台,整合了所有的内容环境监测、监督和服务,标准化的管理部门,和提高工作效率,有效的沟通和各部门之间的信息共享;(5)管理机构:建立全面监督,实时监督和移动监管机构与专业管理人员,有效地管理整个信息系统的工作结构,指导生态环境监督在一个合理的方向,制定合理有效的生态环境监测与污染控制计划。

4.2。生态环境信息系统建设的技术过程

作为一种新的信息技术、大数据还可以辅以传统的科学数据收集方法获得更复杂的、有代表性的数据22]。更重要的是,生态环境大数据可以有机地集成多源异构数据(23]。洞庭湖区域生态环境的大数据流信息系统主要分为三个部分:大数据收集,大数据处理,大数据分析(如图3)。具体分析如下。

4.3。大数据集合

首先,明确数据来源;也就是说,确定数据收集的渠道。第二,收集相关数据通过传感器等技术手段,卫星遥感和物联网。本文使用的数据包括社会统计数据,如数据属于生态环境权威,相关数据环境,和其他城市政府部门数据;卫星遥感数据,如土地利用类型和NPP;地面监测数据,如水质监测数据和污染源监测数据;地理信息数据,如地面海拔、经度、纬度的研究领域;其他数据,如现场采样数据。针对不同的数据来源和数据格式,本文采用ETL软件来收集数据。

ETL、数据仓库技术,用于描述数据提取的过程中,转换和加载从源到目的地。首先,收集相关数据对水环境、土壤环境、大气环境的洞庭湖湿地通过网络下载,官方网站查询,网上购物,等等,建立数据库;然后使用ETL软件表或视图中的数据保持在完好无损的数据源。地面从数据库中提取;ETL引擎是用来完成数据转换和加工;最后,使用SQL语句插入、更新和删除操作,转换和处理数据被加载到目标数据库(24]。

此外,数据收集应组织和一步一步进行,反复和不应收集的数据,以避免数据混乱和增加后续数据处理的工作负载。

4.4。大数据处理

大数据流包括三个部分:预处理、深度处理、深部开采,提供直观、准确、简洁的数据。

大数据预处理是指收集到的数据的简单处理,如集成所有的数据,大致安排数据,删除无效数据和过时的数据。

数据预处理的基础上,根据分类标准进行分类和排序的水环境质量数据,土壤环境质量数据,和大气环境质量数据。马克的数据有重要价值;检查数据错误。如果有不合理的数据和冗余数据,数据需要修改和删除。澄清数据属性,聚合的数据是高度相关的生态环境,并挑选出卑微的相关数据进行单独处理。通过基本的计算方法,初步处理的数据获得初步的计算结果,为后续分析奠定了坚实的基础。

大数据深度挖掘是最复杂和大数据处理流程的重要组成部分。它充分利用大数据、云计算、互联网和其他技术挖掘有效信息,挖掘数据中包含的信息生态环境知识的指导下,并提供直观、准确的,并更有针对性的数据以下数据分析的实时计算和离线计算,以减少数据处理负载,提高数据处理的效率和精度。

4.5。大数据分析

大数据分析是最重要部分的数据处理流程和全面的数据利用率的重要手段。在大数据分析过程中,各种分析方法,类比分析和相关分析等,可以使用。模型可以由各种算法来分析治理、污染、分布、和其他情况下的水环境、土壤环境、大气环境、和其他环境要素,将大量的数据转换成生态相关人员所需的信息,为他们的决策提供支持。数据分析师必须从客观的角度来看,采用专业的数据分析方法,利用各种技术手段来分析数据和充分利用其价值。

5。生态环境信息系统应用于洞庭湖生态区域

生态环境大数据被列为中国国家发展战略的重要组成部分[25]。生态环境已启动了一项生态环境大数据和云环境保护建设计划,和生态环境监测网络系统建立了涉及各种监测项目和已全面覆盖。表中列出的监控网络系统2大气、淡水、海水、声环境、电磁辐射和电离/环境,与大量的人口分布式监视点,包括1940年地表水质量部分(点),1436城市大气环境监测点,和2583个生态环境质量监测26]。地区、福建、内蒙古和山东发起了大数据相关生态环境建设项目(3]。

洞庭湖水安全和防洪具有重要意义,国家粮食安全,生态安全在长江流域4]。2018年12月3日,国家发展和改革委员会等六部委联合发布洞庭湖水环境综合治理计划的崛起,标志着洞庭湖水环境治理一个国家重大计划的计划。洞庭湖区域是“土地的鱼和大米”在长江的中下游,该地区土壤质量密切相关,粮食产量和品质,这是不容忽视的。此外,大气环境质量也是一个重要的部分居民的生活环境质量在湖里区。因此,基于大数据技术的生态环境信息系统是应用于洞庭湖生态区域,评估和监测的水质和土壤和空气PM2.5内容洞庭湖盆地和水质分析的空间分布特征在洞庭湖地区,水污染物的来源,土壤重金属污染,PM2.5的内容,和主要来源的重要参考价值制定水,土壤,空气污染预防和控制计划。

5.1。水环境监测与污染控制系统在洞庭湖生态区域

通过应用大数据技术,可以评估水质和分析洞庭湖的污染来源。

5.1.1。地下水质量的洞庭湖

现场取样的地下水和地表水在一些农业地区,住宅育种领域,居民区,和其他地方在洞庭湖平原。213采样点均匀分布在洞庭湖平原;然后主要的阳离子、阴离子和微量元素在水中测量。我们使用评价指标体系在GB / T14848“地下水质量标准”评价地下水质量。测量结果表明,浅层地下水的PH值在洞庭湖的上游是6.25和8,电导率是40到815μS /厘米。矿化淡水,浅层地下水中的硝酸盐在农业领域和住宅育种领域超过了标准。洞庭湖的浅层地下水上游有一个大面积的金属(铁,锰,和铅)污染和人为污染。

5.1.2中。地下水质量的空间分布在洞庭湖生态区域

“ArcGIS空间分析模块”是用来插入每个采样点的数据。克里格插值方法插值,插值结果如图4。从图可以看出4铁污染在西部和西北地区的洞庭湖平原显然比其他地区更严重,而镉污染地区的东南部和西部地区显然是比其他地区更严重。整个地区的洞庭湖锰和砷污染。大部分地区的水质是分为四个和三类。

5.1.3。分析水污染,在洞庭湖主要污染物的来源

从湖南洞庭湖接受水的流入,子,元,和李(四水)和Songzikou Taipingkou,和Ouchikou(3)长江的河流和湖泊之间形成一个错综复杂的关系,河流和湖泊。一般的水流方向是西洞庭湖⟶南洞庭湖⟶东洞庭湖⟶长江(27]。通过现场收集3湖入口部分(Shahekou、湛江市坡头Wanjiazui似水),五湖体部分(Jiangjiazui Hengling湖,禹贡寺,岳阳塔,和Xiaohezui), 1个出口,户口的水质数据部分(洞庭湖出口)研究洞庭湖水体中的污染物和推断的主要污染物的来源。分析结果表明,污染物总磷(TP)的平均价值在入口处的洞庭湖是0.135 mg / L,总氮(TN)污染物在Yugongmiao部分较高,为2.745 mg / L, TP在湛江市坡头区高污染。内容较低,1.243 mg / L。节以来,禹贡寺坐落在湘江进入洞庭湖,洞庭湖的TN污染可能来自湘江。其次,洞庭湖已经发展农业和人口众多,因此,畜禽养殖业和居民污水排放也TN和TP污染物的主要来源在洞庭湖。

5.2。土壤重金属污染分析洞庭湖生态区域

湘江是洞庭湖供应的主要河流之一。因为湖南湘江流过,有色金属之乡,湘江的水环境提出了更严重的重金属污染特征(28),导致严重的重金属污染在洞庭湖28,29日]。如今,随着重金属污染研究的增加和人民了解重金属污染的危害,越来越多的研究开始关注土壤重金属污染的主题(30.- - - - - -32]。本文通过野外数据收集及相关计算,洞庭湖生态地区土壤重金属污染进行了研究。

15个采样点选择在洞庭湖地区,共有78个表层土壤(0∼30厘米)样本收集,和10个平行样品收集在每个采样点。之后,土壤样本干,地面,消化,和溶解研究铅、Cd、Hg、、和铜金属元素在土壤的洞庭湖生态区域。数据分析结果表明,Cd和重金属元素的平均含量在西洞庭湖,南洞庭湖,东洞庭湖高于土壤环境背景值研究的领域和农田土壤风险筛查价值“土壤环境质量标准(gb15618 - 2018)。平均含量的铅、汞、铜高于农田的土壤风险筛查价值“土壤环境质量标准(gb15618 - 2018)。乳糜泻的最大污染值、Hg、和铜南洞庭湖和Pb的最大污染值在东洞庭湖,表明南洞庭湖和东洞庭湖是重金属污染的关键领域。

5.3。PM2.5监测和来源分析洞庭湖生态区域

由于其特殊的地理和气候条件,产业结构,和城市发展规划限制,洞庭湖遭受严重的PM2.5污染在秋季和冬季。因此,本文以益阳城市,湖南省为例,研究了PM2.5洞庭湖生态区域的分布和原因的基础上,构建大数据生态环境信息系统。

本文使用青岛崂山电子kc - 1000采样器采集空气中PM2.5,每两天取样一次,和采样时间是9:00 n日8:30在n+ 2天。共58有效PM2.5样品收集从2019年9月至12月连续四个月。分析结果表明,益阳市PM2.5质量浓度的秋季和冬季是46±18μg / m³123年,变化范围是13日∼μg / m³,这表明在益阳城市空气中PM2.5的内容相对较高,空气污染更加严重。

益阳城市是城市工业布局的典型特征:“公园在这个城市,这个城市是在公园里,到处都是烟囱。“大量的公司有严重污染,如热电厂、垃圾焚烧发电厂,和烧结砖厂,聚集在传输端口,全年盛行的西北风。尽管有些公司已经实现了清洁生产,污染排放总量相对较大。周围的空气污染更为严重,PM2.5的主要来源。此外,有许多工业锅炉(主要是生物质燃料),窑排放源,稀土冶炼、洗涤剂生产,和其他企业在益阳市区。这些企业排放的大量氮氧化物和微粒污染物。这些企业的污染物排放是PM2.5的主要来源。然而,相关数据表明,PM2.5浓度在益阳城市有逐年下降的趋势,从53μg / m³2018年,43μg / m³2020年(33]。这表明益阳城市采取的一系列措施,以防止和控制PM2.5取得了显著的成果,如清洁能源的发展,促进企业转型升级,整改,关闭高污染企业。

6。结论

随着信息技术的不断发展,大数据技术发挥着越来越重要的作用在生态环境领域。大数据技术的使用有利于实时监控生态环境领域,充分利用有用的生态信息,有效预防和控制生态污染。洞庭湖生态区域,建设基于大数据可以改善生态环境信息系统的建设和实现该地区生态环境管理信息系统打下坚实的基础,后续污染预防和控制工作。与生态环境信息系统基于大数据、生态领域的监测数据可以收集,处理,分析集体制定更有效的环境保护政策,提高环境管理,优化生态环境在洞庭湖生态区域。在未来,有必要建立相对全面的生态环境大数据,建立一个更加成熟的生态环境信息网络,提供更强大的支持治理洞庭湖地区的生态环境。

数据可用性

本文使用的数据是统计数据,采样数据和文献数据。统计数据可以访问http://sthjt.hunan.gov.cn/sthjt/xxgk/index.html。文学可以在文献中引用访问数据。没有任何限制数据访问。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。