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新兴交叉学科 | 环境信息科学领域的中国实践 精选

已有 2534 次阅读 2019-11-19 13:59 |系统分类:科研笔记

环境信息科学是一门新兴的交叉学科,其中蕴含了环境科学、环境工程、生态学、信息科学、地理学以及涉及水、土、气、生等学科的原理与方法,也包含着遥感与GIS技术、大数据挖掘技术、物联网等领域的新突破。对于诸多问题的研究与探索需要多学科、多角度、多途径、多方法的联合与协同,共同为环境信息科学相关理论及技术问题的深化研究提供支撑。


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▲ 环境信息科学的理论体系一般构架
(据杜培军等,2007,有修改)


环境信息科学的发展


前文已提到,环境信息科学的发展依赖于环境科学及信息技术等相关分支学科的支撑;依赖于时代创新思维的引导,特别是“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念及知识创新,始终是促进当代科学技术发展与相关学科发展的动力。

 
目前,环境科学已经拥有比较完善的理论体系,是一门研究环境的物理、化学、生物三个部分关系及特征的学科,并提供了综合、定量和跨学科的方法来研究环境系统。由于环境问题与人类活动密切相关,经济、法律和社会科学等相关理论与方法也被用于环境科学的研究中,帮助人们全面系统地了解环境问题的成因及其演变过程。因此,环境科学在一定程度上可以讲是一门研究人类社会发展活动与环境演化规律之间的相互作用关系,寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学。现代环境科学的研究内容从传统的污染及治理逐渐转移到以人类与环境的和谐发展为主,阐述人类在自然环境中的地位与作用、地球环境的形成与演变、当今世界和中国社会发展中所面临的主要环境问题及对策等方面;并涉及环境规划与管理、环境监测与影响评价(EIA)、环境伦理及环境经济等新发展,再延伸到生态文明与人类的共同未来等方面。20世纪70年代末期兴起的另外一门学科——环境统计学,是将数学方法和计算机技术应用于环境科学的一门交叉学科,反映了环境科学向定量化发展的历史进程。环境统计学的特征是在环境科学研究中以定量的精确判断来补充定性描述的不足,以模拟和预测环境现象来代替现状分析与描述,以趋势推演与类推法代替因果关系分析,并以最新的技术手段革新传统的环境科学研究方法。

20世纪80年代以来,耗散结构与自组织理论、协同学和突变论的发展,极大地促进了环境科学的时空维等多元分析理论创新与技术发展。与此同时,人们关注的环境信息系统(EIS)是在计算机支持下对各种环境信息及其相关信息加以系统化和科学化的信息管理体系;EIS的基本功能是为环境信息使用者提供环境信息的获取、处理等数据的管理、查询、共享等多途径的交互访问功能,并为环境管理以及环境决策提供数据依据。20世纪80年代后期,环境科学面临着空间时代和信息时代的挑战和机遇。在信息化背景下,人们对环境问题的日益关注,促使了环境信息科学的孕育与发展。
 
目前,环境信息科学得到了环境研究者、环境保护者以及环境管理者越来越多的关注。然而,国内外学者至今对环境信息科学的概念认识还不完全一致,不同学者侧重的研究范畴也有所不同。Huang和Chang(2003)认为,环境信息科学是多学科集成的新领域。传感器综合技术和通信技术的发展使大尺度地面采样技术成为可能,处理不同特征、不同尺度和环境复杂性的综合模型成为新的挑战,包括不同模拟、优化、评价、预警模型以及相关信息技术与平台的融合,不同技术输入与输出之间的连接,社会经济因子的量化以及大尺度集成模型的算法策略。如前所述,可以认为环境信息科学主要包括两个方面,其一是研究如何运用计算机去认识和解决不同的环境问题;其二是通过认识和分析复杂环境问题及其解决过程,积极地推动计算机科学的应用和发展。美国地质调查局(USGS)的研究报告指出,环境信息科学是为加强对不同复杂程度的环境现象的理解,并提出新的认识,从而形成集物理学、生物学、计算机和信息科学等多学科的研发、实验和应用为一体的一门学科。
 
环境信息科学是由多学科交叉构成的,以计算机技术与信息技术为依托来解决复杂的环境问题的一门学科。随着当代科学技术的快速发展以及环境压力的增大,越来越多的学科及技术方法被融合和运用到解决日益复杂的环境问题当中。USGS的相关研究强调现代计算机技术、人工智能(AI)技术等在环境领域的运用。中国学者杜培军等(2007)按照国内开展的主要研究方向,将环境信息科学交叉学科分为环境科学、环境工程、生态科学、地理科学、计算机科学、信息科学、管理科学、可持续发展、知识工程、计算机智能、基础科学等学科。从这个意义上来讲,环境信息科学并不是独立存在的,而是由与之相关的各种学科领域综合运用以及借助于信息科学技术来解决环境问题而产生的。由于环境问题的复杂性以及科学技术的不断发展体现出的学科融合的特点,通过不同的学科以及不同理念来研究和解决环境问题,已逐渐成为环境信息科学重要的发展方向。
 

环境信息科学领域的中国实践


环境信息科学的发展离不开客观实践的推动,中国环境信息方面的相关工作始于20世纪80年代中期。至今,环境信息领域的发展经历了不同的阶段,即环境信息标准化、省级EIS建设、城市级EIS建设和环境管理广域网建设。不同阶段代表着信息技术发展的不同时期,也是中国EIS研究工作逐步深化和进步的不同阶段。目前,有关部门在全国范围内建设环境管理网络,将省级、城市级EIS和国家环境信息中心连接成一个统一的整体。截至目前,已经完成了省级环境信息中心和原国家环境信息中心的联网工作,并逐步实现全国EIS的联网架构。就这个意义而言,环境信息网络的构建是国家信息基础设施(NII)的重要组成部分,也是国家安全关注的重要领域。

 
环境信息体系的建设在一定程度上保障了环境信息科学相关领域的现实应用。随着中国环境信息网络硬件设施的建设完成,环境信息软件也向标准化、网络化与服务化方向逐步演变,数据采集、传输、处理和共享等环节也在全国不同行政单元、不同行业单元、不同地理单元、不同需求单元逐步开展。
 

环境信息科学理论研究


环境信息科学作为一门充满活力的新学科,信息化、网络化、数字化的快速发展以及环境保护事业的进步,孕育了其技术条件的产生,奠定了行业基础;同时,环境科学原理、信息科技的理论对于环境信息科学的发展具有重要的指导作用。自环境保护作为中国的国策以来,理论指导对推动学科发展与客观实践起到了不可估量的作用。

 
结合中国环境保护与信息化的发展,关于环境信息科学理论的探索一直是人们关注的热点,环境信息科学的学科地位、学科特征、学科目标、学科发展趋势等方面始终是建立科学的环境信息科学理论体系的前提与基础;环境信息机理,包括环境信息要素的构成与分类、环境信息数据结构与转换、环境信息特征及变化、环境信息建模、环境信息表达、环境信息图谱(ENITP)、环境信息可视化(EIV)、环境信息反演与集成等。与此同时,环境信息管理方面,如环境信息管理新理念、环境信息管理模式、EIS、山水林田湖草系统(MWFGLLC)稳定性机制等,也在一定程度上属于环境信息理论研究的重要方面。近年来,在环境信息标准化方面,中国在环境质量、污染源管理等领域建立了有效的环境信息标准,同时在全国范围内推广了一批信息采集软件平台,特别是环境质量检测传输报表和环境统计软件,为促进生态信息管理(EIM)现代化发挥了重要作用。利用这些环境信息软件采集的环境大数据(EBD),为中国EIS建设与环境信息科学研究奠定了坚实的基础。在上述方面,中国学者已经取得了一些卓有成效的研究成果,极大地促进了环境信息科学理论在中国的发展
 

环境信息科学应用探索


应用研究是推动学科发展的重要动力,环境信息科学从产生之日起,就与行业应用密切联系,并形成了具有时代特征与产业特点的应用研究方向。环境信息科学在中国环境保护及信息化快速发展的背景下得以发展,因而形成了不同行政管理部门的应用模式。为了提高中国环境信息管理的现代化水平,同时为管理部门提供科学、及时、准确、直观、有效的信息支持,在原国家环保局(现生态环境部)统一领导下,在20世纪90年代中期利用世界银行贷款项目“中国省级环境信息系统(PEIS)建设”的实施(高朗和程声通,1997),中国政府建成了27个省级环境信息中心,在省级环境保护局建立起了承上启下的数据采集、传输、管理系统。并且,首次引进了网络信息管理、大型关系数据库管理系统、GIS、决策支持系统(DSS)等一系列最新的信息技术,初步提出了比较科学便捷的环境信息解决方案,为以后的EIS建设奠定了基础。

 
原国家环保局(现生态环境部)曾在23个城市的环保局推行城市级环境信息系统(UEIS),推广了城市环保局自动化办公软件、环境监测站数据采集软件和环境数据中心软件。与此同时,充分利用最新的互联网(Internet)技术和浏览器/服务器(B/S)结构,将大系统框架划分成若干个具体的软件功能,在中国多个城市开展UEIS建设工作,推动了环境信息化及环境信息科学的应用。
 
随着信息科技的发展,各类信息技术在环境领域得到快速的研发与应用,环境功能性应用软件层出不穷。针对大气、水体、土壤等各类污染物的监测、分析与评估及预警的应用软件,在环境信息科学研究以及环境行业管理中发挥着重要作用。GIS技术在资源环境领域具有重要的应用价值,极大地促进与丰富了环境功能性软件的创新性研发。目前,组件式GIS(ComGIS)的出现为传统GIS面临的多种问题提供了全新的解决方案。它采用组件对象模型(COM)技术,把GIS的各个功能模块制作成若干个控件,每个控件实现不同的功能(刘光,2003;Zhong et al.,1997)。组件式 GIS基于组件对象平台,具有标准的接口,允许跨语言应用,使得 GIS 软件的可配置性和开放性更强。
 
在已进行的GIS应用中,以国家级生态示范区为例,涉及环境保护、土地资源、水资源、经济、社会等原有的基础数据信息及变化数据信息。如广东省中山市就是以嵌入式GIS开发工具MapX为核心,结合VB程序设计语言进行开发,利用MapX控件实现了直观的信息显示、查询、统计、分析等功能,同时,也实现了图形、图像、报表等的编辑与打印功能(胡鹏等,2002)。在大气污染控制预测评价中,基于MapX组件集成开发大气污染模型的应用范例也不少,如尼尔基库区环境管理信息系统(EMIS)正是结合MapX在环境领域的应用实例(匡文慧等,2005),MapX作为GIS的组件嵌入到VB程序中,利用MapX实现GIS的基本操作、空间分析功能和建立管理环境专题数据层,从而实现对环境模型的操作,实现模型预测可视化,由可视化结果对大气环境污染状况进行评价。数字化、智能化、网络化的发展,极大地开拓了环境信息科学的技术领域,其应用范围、应用对象、应用模式等都在发生着快速变化,并将推动环境信息产业的大发展。


作者简介


王让会,教授(二级),博士生导师,主持或参与了中科院重大项目、国家科技支撑计划、国家973计划以及国际合作项目等研发项目,获得国家及省部级科技成果奖10余项,发表学术论文200余篇,出版专著10余部,获得中国专利及软件著作权20余件。2000年,获得国务院政府特殊津贴,2004年,被遴选为中央直接联系的高级专家。代表性著作有《城市生态资产评估与环境危机管理》《全球变化的区域响应》《遥感及GIS的理论与实践》等。


现任南京信息工程大学应用气象学院副院长,中国环境科学学会环境信息系统与遥感专业委员会委员,中国生态学会污染生态专业委员会委员,中国农业工程学会农业水土工程专业委员会委员,中国遥感应用协会理事,中国卫星导航定位协会理事,中国地理学会环境遥感分会理事,国际景观生态协会中国分会理事,江苏省生态学会常务理事等。担任《遥感技术与应用》《生态与农村环境学报》编委。目前主要从事景观生态规划、环境效应评价及应用气象等领域研究。


曾在中国科学院系统工作20年,曾任中国科学院研究生院(现中国科学院大学)教授、博士生导师,《干旱区地理》副主编、《干旱区研究》编委;参与全国人大、全国政协、中科院、水利部等多部委以及省市地方政府环境保护、水资源利用、高技术发展以及生态文明建设等领域的技术咨询与战略研究。曾多次访问加拿大、日本及欧洲多国。


本文摘编自《环境信息科学:理论、方法与技术》(王让会等著. 北京:科学出版社,2019.8)一书“前言”,有删减,标题为编者所加。


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ISBN 978-7-03-062038-5

责任编辑:王腾飞 沈 旭

 

本书分为上、下两篇,上篇在介绍环境信息科学产生与发展、学科特点及内涵、未来发展前景的基础上,重点阐述环境信息科学研究的原理与方法,环境信息的监测与评价技术、表达与重现技术及管理技术。下篇主要为环境信息科学技术与实践,基于GIS 技术,研发环境监测及应急响应系统;针对大气污染特征及预报预警、宜居健康生态气象监测与评估等问题,进行了典型分析与案例研究;最终分析了生态文明建设(ECC)与环境信息技术应用的关系。本书涉及的环境信息分类、环境遥感监测、环境物联网、环境信息可视化、环境数据挖掘、环境信息图谱、环境信息管理等理念、方法与技术,对于拓展环境信息机理、模拟和智慧环保与“互联网+”应用研究及丰富环境信息科学体系具有重要的理论价值与现实意义。

 

本书可供环境科学、环境工程、生态学、地理学以及遥感与GIS、信息系统研发等专业的研究生学习借鉴,也可供上述领域的管理者、工程技术人员及科研工作者参考。


目录


目录

前言

上篇  环境信息科学研究导论

第1章  绪论3

1.1  环境信息科学的产生与发展3

1.1.1  环境信息科学的孕育3

1.1.2  环境信息科学的发展5

1.1.3  环境信息科学领域的中国实践6

1.2  环境信息科学的学科特点及内涵9

1.2.1  环境信息科学的一般特点9

1.2.2  环境信息科学的构成要素10

1.2.3  环境信息科学的研究内容11

1.2.4  环境信息科学的主要特征12

1.3  环境信息科学的未来发展前景14

1.3.1  学科理论体系不断完善14

1.3.2  环境信息标准化更加科学15

1.3.3  网络化EIS发展更为迅速15

1.3.4  3S一体化应用趋于广泛15

第2章  环境信息科学研究的原理与方法16

2.1  环境信息科学与相关学科的关系16

2.2  环境信息科学的主要原理17

2.2.1  环境容量原理17

2.2.2  环境信息熵原理18

2.2.3  环境稳定性原理21

2.2.4  环境系统耦合原理21

2.2.5  环境要素尺度效应原理22

2.3  环境信息科学的方法与途径23

2.3.1  环境信息监测途径23

2.3.2  环境要素分析评价24

2.3.3  多源环境信息挖掘26

第3章  环境信息的监测与评价技术28

3.1  环境信息界面过程及其信息传输28

3.1.1  环境中三相要素的界面过程29

3.1.2  环境信息传输中的交互作用30

3.2  环境信息的多元监测技术32

3.2.1  遥感监测技术32

3.2.2  ENIOT监测技术37

3.2.3  环境模型仿真技术38

3.2.4  基于信息技术的环境监测39

3.2.5  基于生物技术的环境监测40

3.2.6  基于光电技术的环境监测40

3.3  基于环境信息的ERA及EIA技术43

第4章  环境信息的表达与重现技术45

4.1  环境信息的一般特点45

4.2  环境信息的主要分类46

4.3  环境信息可视化技术47

4.3.1  可视化概念及其背景47

4.3.2  EIV表达原理与方法49

4.3.3  EIV表达技术的趋势52

4.4  环境信息图谱表达技术52

4.4.1  图形图像思维主要特征52

4.4.2  图谱的基本内涵及特征54

4.4.3  ENITP的概念及其表达56

第5章  环境信息管理技术59

5.1  EIM技术研发现状59

5.2  “互联网+”与EIM61

5.2.1  EBD与CC61

5.2.2  EBD挖掘62

5.2.3  SEP与ENIOT64

5.3  GIS与EIM67

5.3.1  主要GIS软件的特点67

5.3.2  GIS在EIM中的应用69

5.4  EIS的技术研发71

5.4.1  基于C/S架构的EIS设计71

5.4.2  基于B/S架构的EIS设计71

5.5  FCSMIS研发72

5.5.1  系统结构总体设计72

5.5.2  FCSMIS的详细设计75

5.5.3  典型范例特征分析76

 

下篇  环境信息科学技术与实践

第6章  基于GIS的环境监测及应急响应83

6.1  环境监测及应急背景83

6.1.1  环境治理作用83

6.1.2  环境治理技术85

6.2  研究方法及途径87

6.2.1  研究对象的概况87

6.2.2  研究内容及途径88

6.3  生态效率评价90

6.3.1  评价方法与过程91

6.3.2  评价结果及分析93

6.4  环境污染评价96

6.4.1  主要污染因素的分析96

6.4.2  指标体系构建与分级96

6.4.3  AHP方法的主要步骤98

6.4.4  基于FCM的EPA模型104

6.5  ERA及应急管理107

6.5.1  环境风险分析107

6.5.2  环境应急管理117

6.6  应急响应系统设计119

6.6.1  系统设计思路及模式119

6.6.2  系统数据库总体设计120

6.6.3  系统模块典型设计122

6.6.4  系统功能实现过程123

第7章  大气污染特征及预报预警126

7.1  大气环境危机管理背景126

7.2  大气环境污染预警研究127

7.2.1  AEQ评价方法的多样性127

7.2.2  大气污染特征预报研究128

7.3  大气环境污染的研究思路130

7.3.1  APC时空分布及模拟研究130

7.3.2  大气污染应急系统的建立131

7.3.3  大气污染预警模式与途径131

7.4  排放源分析及AEQA132

7.4.1  主要排放源132

7.4.2  AEQA134

7.5  大气污染分布特征138

7.5.1  大气污染的时间效应139

7.5.2  GPC分布特征及模拟142

7.6  基于关键气象因子的预报预警机制149

7.6.1  预报预警技术路线150

7.6.2  各类信息数据采集150

7.6.3  分析方法合理选取151

7.6.4  大气污染预报示例154

7.6.5  污染预警机制建立156

第8章  宜居健康生态气象监测与评估158

8.1  宜居健康与美丽乡村158

8.1.1  宜居健康内涵158

8.1.2  BVC客观背景160

8.1.3  BVC产业前景161

8.2  自然要素与人居的关系163

8.2.1  气象要素与人居的关系163

8.2.2  非气象要素与人居关系165

8.3  宜居健康生态气象指标体系构建166

8.4  宜居健康生态气象指标体系分析167

8.4.1  基本气候要素的变化特征167

8.4.2  AEQ的主要特征及其变化170

8.4.3  绿色植被质量的变化特征172

8.4.4  人体健康状况的变化特征174

8.5  宜居健康生态特征的综合评价175

8.5.1  宜居健康生态评价方法与过程175

8.5.2  美丽乡村与宜居健康特征分析179

第9章  ECC与环境信息技术应用182

9.1  区域GDA及实施体系182

9.1.1  GD的现实作用182

9.1.2  GD的重点问题183

9.2  “互联网+”理念与技术的ECC模式185

9.2.1  ECC与环境信息管理186

9.2.2  ECC过程及主要特点188

9.2.3  主要特征及规律192

9.3  持续改善生态环境的若干问题193

9.3.1  持续改善环境的现实作用193

9.3.2  环境伦理与生态文明建设194

9.3.3  环境监测及其环境信息化195

9.3.4  环境治理举措及发展方向196

参考文献197

附录  相关术语中英文对照表208

后记211


(本期编辑:王 芳)


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