当前，我国正处于环境质量改善的关键时期，区域性大气污染、流域性水污染和累积性环境风险仍普遍存在，跨区域、跨部门和多要素的复合型环境污染问题日渐凸显^[1]，传统的环境管理决策手段难以满足新时期环境保护的复杂性、动态性和系统性要求^[2]。同时，新时代我国环境保护要求发生了根本变化，满足人们日益增长的对美好生态环境的需要^[3-4]，环境管理手段和决策体系必须进一步强化以环境质量改善为核心，着力解决最突出的生态环境问题。大数据技术是目前全球最热门的领域之一，被广泛应用于科研教学、环境保护、工程技术、国土安全、生物医药等领域^[5-6]，推动大数据技术及其应用已经成为国家战略。环境大数据是提高我国环境管理信息化水平的重要手段^[2]，将在中国推进环境治理体系和环境治理能力现代化中发挥重要作用。

环境大数据将成为环境管理的重要基础平台，依托环境大数据的综合决策和管理技术，可有效提高环境管理和决策水平，促进跨区域、跨部门、多介质协同的环境综合治理。本文系统回顾了我国环境管理的发展历程和新时代环境管理的新需求，总结了国内外环境大数据技术及其应用进展，分析了我国环境大数据技术在环境管理和决策领域的应用与需求，提出了环境大数据技术的应用前景和展望，以期推动我国环境管理领域大数据技术应用和研发工作，为相关研究工作提供基础支撑。

1 我国环境管理历程回顾与演变 1.1 我国环境管理历程回顾

中华人民共和国成立以来，我国环境管理历程大致可以分为五个阶段：探索阶段(1949—1978年)、起步阶段(1979—1991年)、发展阶段(1992—2002年)、深化阶段(2003—2012年)和综合改革阶段(2013年至今)。

我国环境管理历程及主要特点见表 1。

1.1.1 探索阶段(1949—1978年)

中华人民共和国成立初期，环境污染和生态恶化主要表现为局部个别现象。因此，1972年之前我国并未制定和实施系统的环境保护政策。1973年第一次全国环境保护会议审议通过了《关于保护和改善环境的若干规定》，环境保护的重要性逐渐得到认识。总体而言，这一阶段污染治理水平和绩效不高，环保手段未得到很好的贯彻。大中型项目“三同时”执行率1976年仅为18%，1977—1979年均在40 %左右^[3]。第一批限期治理项目管理比较松懈，大部分项目在限期内没能完成治理目标。直到1985年，除少数项目被撤销外，才完成大部分治理任务^[7]。

1.1.2 起步阶段(1979—1991年)

1979年9月13日，《中华人民共和国环境保护法(试行)》颁布，标志着我国环境保护开始纳入法制轨道，随后颁布施行了一系列环保法律法规，包括《中华人民共和国海洋环境保护法》《中华人民共和国水污染防治法》 《中华人民共和国大气污染防治法》和《征收排污费暂行办法》等，我国环境保护法律体系基本形成。1983年第二次全国环境保护会议明确指出，环境保护是一项基本国策，肯定了环境保护在我国经济和社会发展中的重要地位。此后环境保护作为一项重要内容被写入历年《政府工作报告》中，并正式纳入国民经济和社会发展计划。1989年，第三次全国环境保护会议在环境影响评价制度、“三同时”制度和征收排污费制度的基础上，进一步提出城市环境综合整治定量考核制度、环境目标责任制、排污许可证制度、限期治理制度和集中控制制度，形成了我国环境管理的“八项制度”，作为我国环境管理体系的主体结构，发挥了重要作用。

1.1.3 发展阶段(1992—2002年)

1992年以来，我国逐步形成了强调环境与经济同步、协调、持续发展的可持续发展战略。这一阶段，我国先后制定了《中华人民共和国清洁生产促进法》等5部新法律，修改了《大气污染防治法》等3部法律，国务院制定或修改了20多项环境法规^[8]。1992年开始，水污染物排放许可证发放工作在全国全面铺开，同时开展了大气排污交易政策试点工作。1996年，第四次全国环境保护会议提出保护环境是实施可持续发展战略的关键，确定实施《污染物排放总量控制计划》和《跨世纪绿色工程规划》两大举措。同年，国务院发布了《关于加强环境保护若干问题的决定》，提出“一控双达标”要求，即污染总量控制、环境功能区达标、工业污染源排放污染物达标，自此，污染物排放总量控制成为我国环境保护的一项重大指标体系和定期公布的制度^[9]。1998年，国务院颁布了《建设项目环境保护管理条例》，确立了我国建设项目的环境影响评价制度。2002年，第五次全国环境保护会议提出环境保护是政府的一项重要职能，要贯彻落实《国家环境保护“十五”计划》，探索区域生态环境质量考核和生态保护与建设审计制度、生态破坏限期恢复治理制度和生态环境补偿机制。

1.1.4 深化阶段(2003—2012年)

2003年10月，中共十六届三中全会通过《中共中央关于完善社会主义市场经济体制若干问题的决定》，提出了“五个统筹”和坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，标志着环境保护进入深化发展阶段。2003年，《中华人民共和国环境影响评价法》正式施行，将原来只针对建设项目进行的环境影响评价扩大到对发展规划等战略性活动进行环境影响评价。同年，国家环保总局要求建立循环型企业，开展物质循环利用，支持重点行业中小企业实施清洁生产。2004年，国家环保总局与国家统计局联合启动绿色GDP研究工作，并在全国10个试点省市进行了绿色国民经济核算与环境污染损失调查。2005年12月，国务院先后发布了《促进产业结构调整暂行规定》和《关于落实科学发展观加强环境保护的决定》，首次提出在一定的地区坚持环境优先、保护优先，实行优化开发、限制开发和禁止开发，并要求严格控制污染物排放总量，做到增产不增污。2006年，第六次全国环境保护会议提出要把环境保护摆在更加重要的战略位置，落实环境影响评价、污染物排放总量控制和环境目标责任制。2011年，第七次全国环境保护会议提出要坚持在发展中保护、在保护中发展，进一步完善项目环评、规划环评、区域限批等措施，健全环境保护综合决策机制，探索环境保护税、生态补偿、环境损害赔偿等机制。

1.1.5 综合改革阶段(2013年至今)

党的十八大提出，要将生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，建设美丽中国，实现中华民族的永续发展，这标志着环境保护被提上了新的高度，随之出台了大量新的环境管理政策要求。2014年4月24日，十二届全国人大常委会第八次会议修订了《中华人民共产国环境护保法》(以下简称“新《环保法》”)，该法于2015年1月1日起正式施行。2015年，《中华人民共和国大气污染防治法》修订，将排放总量控制和排污许可的范围扩展到全国，明确分配总量指标，对超总量和未完成达标任务的地区实行区域限批，建立重点区域大气污染联防联控机制。2015年，中共中央、国务院发布了《关于加快推进生态文明建设的意见》和《生态文明体制改革总体方案》，首次提出“绿色化”概念，系统、全面地阐述了我国生态文明体制改革总体要求、理念和原则^[10]。这一阶段，《大气污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》和《土壤污染防治行动计划》相继出台，明确提出空气质量、水环境质量的改善目标和分类管控措施。2016年，国务院办公厅印发了《控制污染物排放许可制实施方案》，提出为推动环境治理基础制度改革、改善环境质量，要将排污许可制建设成为固定污染源环境管理的核心制度。

1.2 我国环境管理需求变化

在60多年的发展历程中，我国环境管理体系实现了从单一到完备、从定性到定量、从抽象到具体的转变，具有明显的阶段性特征。然而，随着我国社会经济的发展，我国社会的主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾，人民对优美生态环境的需要日益增长。同时，党的十八大以来提出将建设生态文明、促进绿色发展、改善生态环境质量作为国家顶层设计和要求；党的十九大确定了新时代“两步走”战略，提出到2035年实现生态环境质量根本好转，美丽中国目标基本实现，也对我国的环境管理提出了更高的要求。因此，我国现阶段的环境管理已全面转向以环境质量改善为核心，强化源头预防和过程管控，实现跨区域、跨行业、多部门、多要素的协同管控要求。

1.2.1 从末端治理走向源头防控

20世纪七八十年代，我国针对污染源通常采取事后监督罚款的办法，由于罚款金额不当等原因，一些企业宁愿承受罚单也不愿治理污染。1980年《关于基建项目、技措项目要严格执行“三同时”的通知》的发布标志着我国环境管理向事前控制转变。1999年《中华人民共和国环境影响评价法》颁布施行，这样工程项目在立项、选址的时候就能评估出对环境的影响，进而控制新污染源的出现，优化环境工程和项目。但以上的环境政策都仅仅局限于某一流程或某一领域，在工业生产的全过程中缺乏系统、整体的环境管控理论。2003年《中华人民共和国清洁生产促进法》的颁布施行，宣告我国环境管理进入全过程控制的新时期^[11]。

1.2.2 从点源治理到区域流域联防联控

我国最初实行的“谁污染、谁治理”着力于点源控制与浓度控制。“九五”期间，全国普遍加强污染治理，开始展开大规模的环境基础设施建设。1996—2005年，我国实施《跨世纪绿色工程规划》，重点是“三河”、“三湖”，“两区”(SO₂污染控制区和酸雨控制区)、“一市”(北京)，“一海”(渤海)，以及三峡库区及其上游、南水北调工程地区等。在这些重点流域和区域，多渠道争取资金(如世界银行、亚洲开发银行、日本国际协力银行、欧洲一些国家的政府贷款、BOT以及国内资金等)，采取综合性措施，加大治理力度。包括实施总量管控制度、排污收费制度和“以气代煤、以电代煤”的能源政策，推动企业达标排放和加快城市环境基础设施的建设，努力使重点地区的环境恶化状况有所改善^[12]。

1.2.3 从局地性、单要素向区域性、多要素综合管理

党的十八大后环境管控在目标设定上有一个重大转变，即从过去总量控制的减排目标转变为以改善环境质量为核心，实现生态环境质量总体改善，这是对环保工作从量变到质变的要求。一方面，随着公众环境关心水平的不断增长，现代环保主义已经成为一种新的社会价值，让环境治理成效与公众真切感受更加贴近已经成为新阶段社会建设和环境治理的共同目标。另一方面，近年来，区域复合型大气污染、流域性水环境污染和累积性环境风险突出，加上城市与农村、生产与生活、不同产业之间的污染交叉，共同决定了过去使用单个或主要污染物指标进行监测、控制的方式已经不能满足当前环境治理的要求^[10]，我国环境污染治理与控制已经从局地性、单要素控制向跨区域、多部门和多介质控制转变。跨区域、跨部门、多介质的协同管理已经成为新时代环境管理的必然要求。

2 环境大数据技术及应用进展 2.1 大数据内涵及关键技术

大数据一般是指无法在可容忍的时间内用传统IT技术和软硬件工具对其进行感知、获取、管理、处理和服务的数据集合，其具有规模大、种类多、处理速度快等特点^[2]。大数据是当今全球最热门的研究领域和新兴产业之一^[13]，在科研教学、环境保护、工程技术、国土安全、生物医药等领域有望实现技术突破和创新。大数据是信息化发展的新阶段，随着信息技术和人类生产生活交汇融合，互联网快速普及，全球数据呈现爆发增长、海量集聚的特点，对经济发展、社会治理、国家管理、人民生活都产生了重大影响^[14]。

大数据技术及应用流程主要包括数据采集挖掘、处理和管理、大数据分析等。①数据采集和挖掘，数据量大、来源多、种类复杂是大数据的重要特征之一，数据采集是大数据技术及应用的重要基础。目前常用的大数据采集技术包括卫星遥感、传感器、射频设别、互联网和移动平台等，基于3S、物联网、网络爬虫等技术实现大数据挖掘和采集。②数据处理和管理，主要是完成对已经采集到的数据进行处理、清洗去噪和校核处理，一般通过聚类或关联分析，结合实际观测数据的校核验证，将无用或错误的离群数据过滤掉；构建并行、高效的大数据管理系统，如分布式文件系统GFS、分布式数据库BigTable，实现对海量数据的统一管理、检索、调用和互联共享。③大数据分析是大数据处理流程最核心的部分，一般包括机器学习、智能算法、统计分析和系统建模等。云计算成为当前大数据分析的最新技术和趋势，以MapReduce、Hadoop等技术平台为代表的云计算平台成为大数据分析的基础平台^[15]，推动大数据技术应用进入以分析即服务(AaaS)为主要标志的Cloud 2.0时代。

典型大数据应用及其比较见表 2。

2.2 大数据应用及其发展趋势

世界各国都把推进大数据技术及其应用作为实现创新发展的战略举措。2012年3月，美国公布了“大数据研发计划”，该计划旨在提高和改进人们从海量和复杂的数据中获取知识的能力，进而加速美国在科学与工程领域发明的步伐，增强国家安全。根据该计划，美国国家科学基金会(NSF)、国立卫生研究院(NIH)、国防部(DOD)、能源部(DOE)、国防部高级研究计划局(DARPA)、地质勘探局(USGS) 6个联邦部门和机构共同提高收集、储存、保留、管理、分析和共享海量数据所需的核心技术，提高大数据技术开发和应用所需人才的供给。该计划还强调，大数据技术事关美国国家安全、科学和研究的步伐，将引发教育和学习的变革。欧盟方面也有类似的举措。过去几年欧盟已对科学数据基础设施投资1亿多欧元，并将数据信息化基础设施作为Horizon 2020计划的优先领域之一。截至2012年1月的预算为5 000万欧元的FP7Call 8专门征集针对大数据的研究项目，仍以基础设施为先导。纵观国际形势，对大数据的研究与应用已引起各国政府的高度重视，并已成为重要的战略布局方向。

大数据技术的兴起推动了新兴产业诞生，产业发展需求与关注点发生了重大转变，众多企业关注的重点转向数据。运用大数据及其处理技术，生物制药、新材料研制生产的流程会发生革命性的变化，可以通过数据处理能力极高的计算机并行处理，同时进行大批量的仿真比较和筛选，大大提高科研和生产效率，甚至使整个行业迈入数字化与信息化的新阶段。大数据已成为与矿物和化学元素一样的原始材料，未来可能形成数据服务、数据探矿、数据化学、数据材料、数据制药等一系列战略性的新兴产业^[14]。

推动大数据技术及其产业化发展已经成为我国重要的国家战略。2017年12月8日，中共中央政治局就实施国家大数据战略进行第二次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调，要推动实施国家大数据战略，加快完善数字基础设施，推进数据资源整合和开放共享，保障数据安全，加快建设数字中国，更好服务我国经济社会发展和人民生活改善。

2.3 环境大数据及应用进展

大数据作为新的技术手段，可极大地提高管理效率，带来环境管理和环境决策的重大变革。利用大数据技术能够对环境管理中看似相互之间毫无关联的信息、碎片化的信息，反映问题某个方面表面现象的信息进行关联分析，从中发现趋势、找准问题、把握规律，实现“用数据说话，用数据管理，用数据决策”，环境管理从粗放型向精细化、精准化转变，从被动应对向主动预见转变，从经验、直觉判断向大数据科学决策转变^[15]。

2012年以来，英国、美国等发达国家相继发布大数据发展战略，环境大数据技术和应用也进入快车道。英国自然环境研究理事会(NERC)已投资超过1 300万英镑支持环境大数据技术及应用研究，主要包括数据存储和高性能计算、气候变化与环境模拟、云计算和环境数据挖掘技术等；计划到2020年将建立环境数据创新中心，进一步促进大数据对应对复杂问题、创新、经济发展等战略决策的支持。美国环境保护署(EPA)通过推动建立数据监测网络、整合并共享数据，建立设施登记系统(facility registry system，FRS)，形成排污设施登记数据库，建立统一的中央数据交换系统(central data exchange，CDX)，使EPA各部门、州政府环保部门、部落或环保团体、企业能够快速传输、交换环境数据，并整合了不同业务系统形成环境数据仓库(enviro facts)，包括大气环境质量、有害固体废弃物、超级基金场地、有毒物质排放清单、饮用水等大部分业务数据。

2016年，环保部发布了《生态环境大数据建设总体方案》，积极开展生态环境大数据建设和应用工作，部分科研院所和大中企业已经开始进行环境大数据系统建设和技术应用，如环保部评估中心的环评管理平台、清华大学环境学院研发的空气质量预测和预报系统，都已经具备环境大数据技术和应用的雏形。整体上看，国内环境大数据系统技术开发与应用仍处于起步探索阶段，多停留在环保部门本身和单一环境要素管理本身，难以发挥大数据系统本身大规模、多样性、高速性和高价值的特点，也很难真正发挥环境大数据系统对环境管理决策的支撑作用。

3 环境管理领域大数据应用展望 3.1 环境大数据技术应用需求分析

环境大数据技术及其应用是顺应我国新时代环境管理决策的重要支撑和创新要求。长期以来，我国环境管理决策受自然地理、经济社会和环境监测等基础数据缺乏的制约，传统的环境系统分析与模拟工具高度依赖这些基础数据。海量数据的出现催生了一种新的科研模式，即面对海量数据，科研人员只需从数据中直接查找或挖掘所需要的信息、知识和智慧，甚至无须直接接触需研究的对象。环境大数据技术已经在全球气候变化预测、生态网络观测与模拟、区域大气污染治理^[16]和环境影响评价^[17]、环境风险管理^[18]等领域得到广泛应用。

环境大数据技术及其应用是深化生态环境治理措施和提升环境管理水平的必然要求。环境大数据是提高我国环境管理信息化水平的重要手段，将在我国推进环境治理体系和环境治理能力现代化中发挥重要作用^[19]。未来20年我国仍将面临突出的生态环境问题，工、农、城和水、气、土等多部门、跨介质污染问题将日趋复杂，到2035年实现环境质量全面达标的压力巨大，环境治理措施和环境管理与综合决策亟需系统优化和理论技术层面的全面创新。环境大数据系统将集成空地一体化感知系统，构建以大数据为核心的环境综合决策系统，为深化环境治理措施和提升环境管理水平提供技术支撑和科学依据。

环境大数据应用及产业化发展是落实国家大数据战略和支撑科技创新发展的战略需要。环境大数据及其应用是国家推动大数据战略的重要组成部分，对于进一步完善数字基础设施、推进数据资源整合和开放共享和建设数字中国具有重要意义，有利于提升我国环境治理水平，服务于美丽中国建设。另外，信息科学、环境系统与控制是国家创新发展战略的重点方向与领域，环境大数据与模拟平台建设是信息科学和环境系统的交叉前沿学科，从而进一步推动环境大数据技术研发和相关产业发展。

3.2 环境大数据技术应用前景展望 3.2.1 环境大数据的应用展望

把大数据的核心理念和关键技术应用到环境领域，对海量环境数据进行采集、整合、存储、分析与应用等。当今环境信息技术的飞速发展促进了环境大数据技术应用，通过声学传感器、生物传感器、化学传感器、RFID技术、卫星遥感、视频感知、光学传感器、人工监察等可感知和采集海量环境数据，为大数据应用于环保提供了基础，而大数据技术又为解决当前复杂的环境问题带来了新的机遇^[2]。利用物联网技术将感知到的环境监测、环境管理数据通过处理和集成，再运用合适的数据分析方法进行加工处理、校核检验等，可以将环境大数据系统运用到环境系统模拟、动态评估和综合决策系统中^[20]。

环境大数据技术与应用将推动我国环境管理向综合化、数字化、信息化和精细化转变。伴随着互联网、环境监测、遥感观测和物联网技术的快速发展，环境数据产生方式正在向自动感知式系统阶段转变，环境大数据系统将通过多源海量数据的采集加工、存储融合，共享交互和综合应用，构建大区域、跨部门、多介质的复杂环境系统的重要信息基础。环境大数据作为新的技术手段和思维方式，可将海量、互相关联的环境信息进行有效链接，实现经济社会活动—污染排放和环境质量的动态响应与适时反馈，使得环境管理逐渐向动态化、数字化、网络化和精细化转变。

3.2.2 环境大数据系统主要功能

数据采集与挖掘。构建与环境监测系统相匹配的数据信息采集平台，实现两者的互联互动，将环境监测系统数据实时动态上传至大数据平台。对系统采集的多介质数据进行加工预处理和智能校核，进行各项数据的空间匹配和网格化赋值计算，实现与环境基础信息数据库的衔接。基于计算机深度学习和智能评估技术，对系统上传的各项数据进行动态评估和反馈，不断优化数据采集方案^[21]。基于高性能计算机技术，实现环境大数据系统的并行批量处理和动态更新，进行大数据挖掘分析和数据展示。

数据处理与管理。基于多源数据采集和互联网大数据挖掘技术，搜集处理研究区域不同空间尺度、长时间序列的自然地理、气象水文和经济产业、社会人口、资源利用、污染排放和环境质量等基础数据，比较分析不同来源口径数据的可靠性和一致性，将不同数据源、不同格式的多源数据加工处理为互相可对应、可识别、可提取与利用的信息，并对不同类型的基础数据进行空间匹配，建立环境基础信息数据库。建立大数据系统高效的数据查询和索引子系统，包括文件系统、数据库和数据处理等功能模块，实现多源数据库系统管理的性能最优化。依托数据存储系统和基础网络设施，通过图形化的配置界面实现分布的、异构的、跨网络的信息资源的交换共享，以统一标准对外提供数据服务，并对数据进行综合、全面的分析与监管。

大数据分析与应用。环境大数据技术及其应用，将进一步深化大数据应用和环境系统分析等领域科学研究，完善环境大数据与模拟平台的理论基础、方法体系和技术框架，对于系统认识区域发展与生态环境保护之间的关系、模拟资源环境承载能力变化与预警、预测生态环境质量变化趋势等具有重要意义。当前，环境大数据分析常见方法包括机器学习、深度学习和云计算等，已被广泛应用于生态环境预测评估和管理决策中^[16]。

环境管理决策与支撑。面向区域环境协同调控和综合决策的需求，结合区域发展战略、环境保护目标、政策制度、标准规范、成本效益、技术进步和环境风险管控等要求，在环境大数据分析的基础上，结合区域环境系统分析和数值模型等工具，研究开发多环境介质综合模拟和协同调控系统，实现区域环境多环境介质协同调控和环境管理决策支撑等功能。

环境大数据系统主要功能如图 1所示。

3.3 环境大数据技术应用难点思考

多源环境大数据获取、处理和安全问题。其复杂性不仅体现为数据样本本身，更体现在多源异构、多实体和多空间之间的交互动态性上，难以用传统的方法描述与度量，处理的复杂度很大^[22-23]，多源数据经过清洗、验证后需要建立统一的数据衔接、融合和集成体系^[24]。此外，由于大数据的来源复杂、信息量大，大数据的安全和隐私问题也备受关注^[15]。

环境大数据的存储、管理和计算能力。大数据的来源与应用广泛，为了将不同时间序列、空间尺度和各种类型的数据收集起来统一整理，就必须搭建统一的数据的集成与管理系统^[15]。为达到低成本、低能耗、高可靠性目标，通常要用到冗余配置、分布化和云计算技术，在存储时要按照一定规则对数据进行分类，同时加入便于日后检索的标签^[23-24]。海量数据存储和大数据分析技术对高性能计算能力的需求不断增加，云计算技术在一定程度上解决了普通用户对高性能计算的需求，但由于资金投入不足和专业技术人员缺乏等影响，环境大数据技术及其应用的普及和推广仍然受到普遍的制约^[22]。

4 结论

本文回顾了我国环境管理历程变化和新时代要求，在总结国内外环境大数据技术应用进展的基础上，提出了我国环境管理领域环境大数据的应用前景和展望。主要结论包括：

(1) 我国环境管理经历了探索、起步、发展、深化和综合改革五个阶段，按照新时代改善生态环境质量的要求，环境管理向跨区域、跨部门和多介质协同的综合管理转变。

(2) 推动大数据技术发展是国家战略，环境大数据应用将推动我国环境管理改革和综合决策水平的提升，有助于科学实施生态环境综合治理工作。

(3) 典型的环境大数据系统包括数据采集与挖掘、数据处理与管理、大数据分析与应用、环境管理决策与支撑等功能，将环境大数据应用于环境综合决策系统将有助于提升环境管理水平。