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数字环保树勇技术与方法
数字环保树勇技术与方法
发布时间:2014.08.15  浏览次数:
 

 数字环保实用技术与方法
西安交通大学  林宣雄 (写于2004年)

第一章    数字环保概述
    1998年1月31日,时任美国副总统的戈尔在美国加利福尼亚科学中心发表了“数字地球 :二十一世纪认识地球的方式”的演讲,引起了全世界的注意。从此无数的科学家对数字地球的内涵、外延及实现技术和方法进行了广泛、深入、持久的研究,出现了一系列关于数字地球的文章,并且沿袭数字地球的概念进行了延伸和专题研究,形成了一系列研究结果。
    地球是人类赖以生存的星球,人类在自己生存、繁衍、进化的漫长过程中,逐渐对地球的性状特征有了了解,人类就是在对地球的逐步认识的过程中,发展了自己,并把建立在地球上的文明推进到了今天的程度。浩瀚的星河体系中,地球是唯一承载生命的星体,它的内部结构和外部表现以及呈现出来的自然规律对于人类极其重要,古往今来,无数文人学者,怀着极其敬畏的心情,研究地球,描述地球,为人类利用地球、开发地球和保护地球提供了有益的参考,然而不管研究的个体或者研究的群体,他们穷其一生或者从古至今的全部研究的综合,都不足以全面透彻地描述地球,只有到了今天,利用现代科学技术的数字地球方法才有可能第一次系统的、全面的描述地球。数字地球方法也是第一次可以精确地、定量化地刻划地球的方法,这种精确的、定量化的地球特征(资源)属性的刻划和文字的、定性的地球规律性的描述构成了人类对于地球的全部知识。数字地球方法是人类描述地球的最新方法,将为人类利用地球、开发地球和保护地球提供全面的、精确的、体系化的参考。
    什么是数字地球和数字地球方法呢?数字地球就是信息化地球,它包括全部地球资料的数字化、网络化、智能化和可视化的处理在内,是一个以信息高速公路(NII,GII)为基础,以空间数据基础设施(NSDI,GSDI)为依托而更加广泛的概念。数字地球从数字化、数据建模、系统仿真、决策支持一直到虚拟现实,是一个开放的复杂的巨系统,是一个全球综合信息的数据系统工程,其特点是空间性、数字性和整体性。数字地球的主要支撑技术有:计算机及网络技术、卫星遥感(RS)技术、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS) 、虚拟现实(VR)技术、海量数据存储与处理技术、卫星图像智能处理技术、大型数据库技术等等。数字地球方法很简单,就是用这些技术刻划描述地球的方法。
    当理解了数字地球概念和内涵后,衍生出一些专题化的概念并赋予相应的内涵就不难了。数字地球研究显然是一个全域研究,当拆分数字地球研究为若干个(领)域时,就形成了数字地球的专题研究,数字环保就是这样的专题之一。
    环境保护是人类作用于地球的一项专业活动,把这样的活动信息化就是数字环保,数字环保就是信息化环保,而用数字地球技术实现数字环保就是数字环保技术,其过程就是数字环保工程。数字环保的出现将使目前对环保分散的、局域性的研究更趋于系统性、整体性和协调性。
第一节    环境保护与数字环保
    环境保护是一项政策性、技术性很强的工作,只有在国家环境保护法律框架下,依赖科学技术进步才能做好。随着经济的多元化迅猛发展,呈现出的环境问题错综复杂,给人们对环境问题的认知和判断决策造成了巨大的困难,尤其是当这种问题具有无序性、海量性、交错性和无限时域性时,超出了人类的认知判断能力就是必然的了。环境保护问题是人类在经济发展过程中碰到的新问题,处理这种关联性与渐变性极强、时空跨度极大的环境问题需要新思路、新方法、新技术和新体系,数字环保是源自数字地球的、近十年人类最新研究成果,是解决环境问题的最新且最有效的途径和方法。
    从抽象的层面看,我国的环境保护有四大环节,这四大环节就是环境治理、环境监控、环境管理和环境决策,它们构成一个闭合的、双回路的循环体系(图1.1),这个循环体系就是中国环境保护的大循环体系,任何国家的环境保护要有效,必须要构成有效的循环体系。目前我国的环境保护尚没有构成有效的循环,这是我国环境保护的薄弱所在,也是困难和压力所在,使之有效循环起来是我国环境保护工作努力的方向。

从图1.1可以看出,我国环保大循环中有三个环节都直接与环保信息化有关,这就说明推行数字环保将对我国的环境保护起到极其重要的作用,这同时也说明数字环保是我国环境保护工作奋斗的方向,因此大力地、全面地在我国推行和实施数字环保是环保领域的当务之急。

第二节    我国数字环保的发展
    我国的环境保护历史不长,基本上是在改革开放以后才得到重视和发展的,较之于其它领域,无论是从理论层面还是从技术层面来看,基本上还处在初步发展阶段。环境保护在应用科学技术方面由于受投入的制约,动作和进展都不大,落后于其它领域,其信息化水平不高,环保信息化只是当数字地球提出以后,尤其是数字环保被提出之后,才进入了快速发展的时期。
    数字地球提出后,引起了全世界的强烈反响,我国的学者也纷纷加入了研究的行列,并衍生出了一系列专题研究,数字环保就是这样的专题之一。数字环保的提出应该追溯到2000年,当时还是作为一种理念和口号提出的,没有为其注入明确的内容和翔实的技术细节,业界同仁基本上也是将其视作口号和理念权且听之,甚至带有某些怀疑,视其为时髦的口号,没有引起业界学术权威和环保最高官员的重视,数字环保经历了最初的自发发展过程,后来随着数字地球研究的强劲,带动了数字环保的发展,人们认识到数字环保对环境保护的重要性和实施的现实可能性,业界的学者展开了比较系统的研究,研究结果得到了业界行政官员的重视,终于2002年写入了我国环保“十五”计划中,数字环保得到了正式的认可,有了学术和官方的双重地位,数字环保的研究开始步入了健康发展的轨道。
    数字环保的研究内容广泛,综合性极强,并有相当的纵深,是一个跨学科的系统工程,不可能一蹴而就。数字环保的工程实现一般会滞后理论研究,但又相辅相成,呈现交错的特征。研究与实现决定了我国数字环保发展的速度和轨迹。 我们可以从一般意义上来概括我国数字环保的发展阶段。
    我国数字环保的发展可以划分为三个阶段(图1.2)。第一阶段为概念阶段,这个阶段在学术上基本上停留在概念的提出、诠释和内涵的确定上,缺乏创新和体系;第二阶段为数字环保体系建立和相应基础设施建设阶段,这个阶段将会对数字环保的内涵进行深度的挖掘和提炼,形成体系,从而使数字环保有明确的内容,合理科学的体系;第三阶段为数字环保的深度实现阶段,这个阶段是数字环保全面地、有计划地实施的阶段。应该说,我国数字环保的发展基本上越过了第一阶段,进入了第二阶段,目前这个阶段至少要持续五到八年的时间,而第三阶段则要持续十五到二十年的时间。

    数字环保是把最新的现代科学技术应用到环境保护的一次伟大尝试,是从理论和技术两个方面推进我国环境保护的重大举措,数字环保将在我国环保发展史上留下重要的篇章。

第三节    数字环保内容体系
    数字环保是一个内容丰富、涵盖广泛、开放的、复杂的巨系统,是一个包含两个基础设施、七大技术、三个处理、三个过程的集合(图1.3),这个集合构成其内容体系。


图1.3 数字环保的内容体系
从图1.3可以看出,信息基础设施是数字环保的基础的基础,缺失了这个基础便无以实现数字环保,空间数据基础设施是实现数字环保的关键,而七大技术是实现数字环保的支撑,三个处理是实现数字环保的辅助,而三个过程则是实现数字环保的目的,毫无疑问,实施数字环保工程的目的就是为环境决策服务的,这是它的终极目标。数字环保的内容体系给出了实现数字环保的基本框架,循此,我们可以根据轻重缓急、经济能力、现实条件进行总体规划,并设计分步实施的方案,这是第六节涉及的内容。
    内容体系是从一般的意义上勾勒实现数字环保的框架,是一个概念框架,并没有与实际的基础设施建设过程、应用过程、决策支持过程相结合,它涉及的是概念层次,而第六节的数字环保规划则是数字环保的实施层次,这两者是有区别的,但又是相互联系的。
    从这个内容体系或者说概念框架出发,我们就可以形成实现数字环保的实际抽象模型(图1.4),也就是数字环保的实施模型,这个模型是第六节数字环保规划的基础。

    环保信息基础设施EPNII是跨地域的,环保空间数据基础设施EPNSDI也是跨地域的,而环保业务应用系统是地域分布的,但纵向上是垂直层级共享的,体现了纵向上的贯通,符合环保行政管理的纵向贯通性,即政令的畅通和信息的共享,而环境信息共享系统和环境决策支持系统是高层次、高聚合、全收敛的高级应用形态,是数字环保的精髓所在。

第四节    数字环保信息管理规则与体系
    数字环保的实施将在海量数据的基础上,经过加工、处理并分类形成海量的信息,信息是数据经过加工而形成的,这个加工的过程就是应用程序的功能体现(图1.5)。某种意义上,信息的有用性、效率或者说信息的效用或效能将决定数字环保实施的成功与否。显然,建立信息管理规则和体系是确保信息效用或效能的前提,因而建立信息管理规则和体系是极为重要的。

由图1.5可知,应用程序建立在数据集合之上,并产生信息集合,当然也有很多应用是建立在信息集合之上的,这种情况,应用程序产生的信息集合是新信息集合。
    信息管理的目的是充分发挥实施数字环保后产生的巨量信息的效用,让信息在环境管理和决策中发挥作用。那么信息管理的内容是什么呢?从图1.5可以看出,信息是由应用程序产生的,也就是由各环保业务应用系统产生的,因而信息管理有三方面的内容:⑴数据库规划,⑵应用系统规划,⑶信息标准的制定。数据库规划要考虑信息的分布形式,是全集中还是全分布,抑或是集中分布相结合。环境信息是国家信息,要标准统一,因而全分布是不可行的,而根据中国的国情做到全集中又是不现实的,同时也是没有必要的,中国的环保行政管理模式决定了集中分布式的信息分布格局是最合理、可行的。中国的环保行政管理模式是一个金字塔模式(图1.6),这样,数据库便可被规划为四级,即:⑴国家级(中央级),⑵省级(中枢级),⑶县地市级(中心级),⑷企业级(基础级),每一级根据专题和分类又由若干个数据库构成,它们构成数据库集合(图1.7)。每一级基本上只有两大类数据库,这就是分类数据库和专题数据库,也就是按专题和分类进行层级数据库规划设计,除了企业级之外,每一级数据库的元素相差不大,但数据粒度(Granulate )不同,愈往上愈宏观,愈往下愈微细。为每一级规划了数据库之后,就需要为每一级规划相应的应用系统,应用系统产生信息存储在相应的数据库中(图1.8)。每一层数据库数量不等(n,m,k,l的值可以相等也可以不等),但对应用系统来说,除了企业级比较特殊之外,国家级、省级和县地市级的应用系统有相当的对应性,体现了环保业务指导的垂直性。有了以上两个规划,还需要信息标准的制定,这是极为重要的,舍此前面两个规划就没有意义。信息标准的制定也要按照层级来进行,国家级信息标准,省级信息标准,县地市级信息标准,分成三级,要确定每一级数据库的种类,数据库的字段和字典。制定信息标准是基础性工作,做好了就为应用系统的开发奠定了良好的基础,这样可以有效克服信息的交叉性、重叠性和矛盾性,保证信息的效用或效能。



    数字环保信息管理的内容如上所述,那么信息管理的规则就是维护并确保全国环境信息一盘棋的格局,全国的环境数据库规划和每层环境数据库规划要严格一致,全国的环境应用规划和每层环境应用规划也要严格一致,而这两个纵横向规划又是建立在信息标准之上的。这个信息标准可以概括为层级数据库,数据库集合,数据库字段和数据字典,它构成数字环保信息管理的信息标准体系(图1.9)。

    遵循信息管理规则和体系就能为数字环保积累巨量有用的信息,避免信息垃圾的出现,为我国环境保护提供宝贵的信息资源。

第五节    数字环保需求分析方法和要点
    数字环保是被环保界广泛接受并努力实施的浩大工程,其成功实施将极大地推动我国的环境保护工作。那么如何实施好数字环保工程呢?
    毫无疑问,充分挖掘数字环保的需求是成功实施数字环保的基本前提,那么什么是数字环保的需求呢?数字环保是一个复杂的系统工程,牵涉面广,应用的技术众多,应用系统繁杂,如何提炼其需求呢?数字环保的需求分析本身就是一项复杂、困难的工作。
    我们知道,对于一个具体的应用工程,抓准抓全其需求就等于成功了一半,众多应用工程失败的重要原因之一就是因为需求没搞准,或者是因为工程进展过程中需求发生了变化,而设计还是针对变化前的需求。这里就提出了一个通常遇到的问题:如何确定稳定的需求和不稳定的需求。稳定的需求是指不随时间而变化的需求,这里有三种表述:①同一时间组织内不同个体对其认知是相同或一致的,②组织内任一个体在不同时间对其认知是相同或一致的,③组织内不同个体不同时间对其认知是相同或一致的。解决不稳定需求问题是最困难的工作,工程的成败系于此。应用工程的风险在于如何甄别不稳定的需求,把不稳定的需求当作稳定的需求当然导致工程的失败(这种事件的概率很大,教训不胜枚举),把稳定需求错认定为不稳定需求当然影响工期(这种事件概率不是很大)。不稳定的需求有两类:①需求本身是稳定的,存在明确的定义,只是人们的认知由于各种复杂的因素导致歧义,这类不稳定的需求只要完成一个去伪存真的过程就可以了,当然这种过程有时是耗时的、费力的;②需求是时间和人们主观意识的函数,不存在明确的定义,这种需求在相当时间内难以稳定,在组织内个体间认知难以收敛,前者主要表征为业务变化的需求,后者主要表征为决策者需求(不同的决策者有不同的思维习惯、决策方法和决策过程),处理这种不稳定需求的做法就是在规定的时间内强制稳定,在不同的个体间强制收敛,这是取舍,这是折衷,实现的方法有很多,这里不再赘述。不稳定的需求是项目工程把握中最需重要的,最不可以掉以轻心。 对于项目工程需求方面,我们通常碰到的一个普遍现象就是,开始需求是模糊的,继而需求是膨胀的,无休无止,使得项目经理或主管难以确定工期(Dead line),从而导致工程延期(Delay )。这种现象在软件应用工程上尤其明显。数字环保工程是一个复杂、重要的国家工程,其中有许多重要的、庞大的环保业务应用系统,充分注意分析其不稳定需求是极为重要的,是确保成功、避免风险的关键所在,因此在展开本小节之前就对此作了强调。
    既然数字环保是一个大系统、复杂系统、综合系统,因而简单系统需求分析方法不完全适合数字环保需求分析。基于此,我们需要应用总分、分总的分析方法,只有这样才能把握数字环保的需求分析,否则形成的需求难以涵盖需要的功能,实现的功能难以满足应用的实际,从而使巨资投入的数字环保工程没有达到建设目标和应有的效果。
    综上,我们来考虑数字环保的需求时,就有三问:⑴什么是数字环保的总需求和分需求,⑵什么是数字环保的宏观需求和微观需求,⑶什么是数字环保的稳定需求和不稳定需求,这三问构成数字环保需求分析的思路框架(图1.10)。

    数字环保的总需求分析着力于全国层面的数字环保构架,解决国家级环保信息基础设施(EPNII)建设和国家级空间数据基础设施(EPNSDI)建设问题(金环工程的国家级网络),包括建设规模、投入和时间考虑等。分需求分析着力于区域级数字环保的构架,解决区域级环保信息基础设施建设和区域级环保空间数据基础设施建设问题(金环工程的区域级网络),包括区域级网络按东西南北中分布或按省/自治区为单位分布的必要性、可行性等。总分需求分析解决的是数字环保基础性、平台性需求问题,是基础需求,和业务需求、管理需求和决策需求有区别。这里仅仅是从需求层面涉及数字环保基础设施规划问题,详细的内容请见第六节。
    宏观需求和微观需求涉及的均是基础设施之上的应用系统需求,可以分为三级:国家环保应用系统、省级环保应用系统和县地市级环保应用系统。宏观需求反映的是这三级的决策需求,微观需求反映的是这三级的管理和业务需求。三级的宏微观需求均有可能出现不稳定的需求,这是必须高度重视的。
    图1.10仅仅反映了需求的两个层次和两个大类,即总分两个层次和宏微观两个大类。总分两个层次的需求比较简单,分析起来不复杂,复杂的是宏微观两个大类的需求。这两个大类的需求又有很多的层次,至少包括国家级、省级和县地市级三个层次,而宏观类需求的每一层次又有两个方面,即环保局和政府两个方面,微观类需求牵涉面更广,更复杂,会与环保的业务紧密相关,环保的业务范围广,而且在扩大变化,因而微观类需求的分析会更耗费时间和精力。
    数字环保的需求庞杂,不论在哪个层次都不会简单,不遵循一定的方法就很难厘清。本节给出了两大层次和两大分类的分析思路,事实上只有采用分层分类的方法才能把数字环保的需求分析清楚,从而使建立在需求分析基础之上的应用系统发挥作用。
    数字环保需求分析的要点就是站在数字环保全国一盘棋的高度,不论在哪一个层次,都要注意纵向上的上下连接,横向上的内(环保局)外(政府)兼顾,并进行分层分类,这样才能把需求做好,把数字环保工程实施好。

第六节    数字环保规划

第七节    数字环保整体解决方案
    数字环保是一个综合的、极其复杂的大型信息系统,其间会使用各种各样的技术和方法,会涉及基础平台的构架和应用系统的规划,以及综合决策支持系统的设计等等内容,会涉及一系列技术问题和应用难题,对于这样大型复杂的系统工程,认真考虑整体解决思路,提出整体解决方案,对于实施好数字环保工程将极具裨益。
    如何来考虑数字环保的整体解决方案呢?又如何来提出数字环保的整体解决方案呢?这是首先要解决的问题,这也是方法学(Methodology)问题。
    数字环保的实施无论从时间跨度、地域跨度、内容跨度、技术跨度等均是史无前例的,其整体性考虑和实施的地域板块性、分层性、时间顺序性和内容交错性等考虑是必须结合起来的,显而易见,以下几个方面是这种考虑的思维框架:①地理上的全国总架构和几大板块考虑(环保基础设施方面),②内容上的全国总架构和主分系统考虑(应用方面),③分层考虑和层级同一系统之间的数据衔接,④全国数据库的总架构和层级数据库的设计和分布,⑤每一层级的整体解决方案(国家级、省级、县地市级),⑥七大技术的指标确立和支撑平台选择(如GIS的比例范围、RS分辨率、GPS的定位精度、数据库的处理速度和存储容量等的确定,以及提供包含这些技术的系统的厂家选择等),⑦通信协议标准、数据交换协议标准、软硬数据接口协议标准、状态检测控制标准、数据备份和安全标准、系统之间互操作(Interoperation )标准等,⑧应用结构模型设计(如数据层、业务层、业务逻辑层、表示层等设计确定),⑨系统建模和仿真及专家库知识库设计⑩基础设施建设和应用系统开发验收标准。

    数字环保的信息基础设施平台构建是个基础性工作,要考虑布局和建设的先后顺序,遵循整体规划、分步实施的原则,开始的时候可以粗布局,然后逐渐细化、丰满,达致全国成网,图1.11是其逻辑构架。
    根据图1.11,可以依据整体考虑和轻重缓急先设一个国家中心和若干个区域分中心,形成一个粗框架,然后逐步走密,最终形成全国环保信息高速公路(EPNII)。基础设施的建设既可以专网之路,也可以借助现有网络走VPN(虚拟专网)之路。前者建设经费巨大,但效果好,后者建设费用较低,但依附于它网,缺失独立性,应用的展开将有可能受到限制。第三条道路就是将这两条路结合起来,主干走专网,区域网或部分区域网走VPN,主干网的敷设和VPN的使用同时进行,根据需要逐渐较少VPN的比重,这要根据应用要求、投资可能性和现实可能性进行折衷选择决策。
    图1.12是环保业务系统的逻辑构架,图中的业务分系统是建立在环保信息基础设施(EPNII)之上的基于广域网(WAN)的应用系统,构成金字塔纵向应用分布结构(图1.13),数据按金字塔进行分布和收敛,而层级应用系统(图中未画出)是基于局域网(LAN)的。层级应用系统基于亚铃模型(Dumbbell Model)展开(图1.14),强调应用和数据的对称性、应用的集成性及数据的共享性。
    图1.11、图1.12、图1.13和图1.14勾勒出了数字环保信息基础设施和应用总体方案的总体框架,循此可以进行细化,派生出基于环保信息高速公路的一系列应用。

    此外,环保空间数据基础设施(EPNSDI)的构架应该充分考虑国外商用卫星、国内专用卫星,特别是环保专用小卫星的利用,充分考虑分辨率的交叉互补,建构长期提供数据源和通道的环保空间数据基础设施,确保通道的足够容量、数据更新的足够频度,使数字环保不但反映环境的全面性,也满足环保的动态性要求,以充分发挥数字环保在我国环境保护中的作用。



第八节    数字环保的实施
    数字环保工程是国家工程,完成了整体规划,确定了整体解决方案之后,剩下的就是按部就班的实施了。和别的国家工程一样,数字环保工程的实施也面临着三个问题,这就是:①谁建设,②谁应用,③谁管理。这三个问题一开始就要想好、想透,落实到位,否则这种耗时耗钱的工程将难收成效,使决策造成的浪费不可估量。凡事预则立,不预则废,事前把这三个问题作充分考虑,把建设主体、应用主体和管理主体确定清楚就可以避免后续一系列问题(图1.15),确保工程实施的顺利进行,并收到预期的效果。

    数字环保工程的建设主体是谁呢?显然建设主体有三个层次:①数字环保工程建设的国家主体,②数字环保工程建设的地方省级主体,③数字环保工程建设的地方地市级主体。这里牵涉到国家财政、国务院和国家环保总局,地方财政、地方政府和地方环保局,而地方这一层次又可细分为两到三个更细的层次,即省、地市或省、地市、县。经费的统一预算和分担,建设的分段进行和衔接,工程的总指挥和分段负责,工程的分集成和总集成,工程的分调试和总调试,工程的分验收和总验收等等,这些都是必须一开始就要考虑清楚的,要非常明确,切切不可含糊不清,一定得把这种前期工作量下足,以避免另起炉灶、推倒重来,避免决策失误造成重大损失,当然,还不可缺少对过程的监督,以避免由于失察造成的损失。
    数字环保工程的应用主体更加复杂,毫无疑问,将有无数的应用个体接触、应用数字环保系统,这里会有四类应用人员:①业务操作人员,②管理人员,③决策人员,④系统维护管理人员。把系统维护管理人员单独考虑,其余三类应用人员构成应用的三大需求,即业务需求,管理需求和决策需求,又考虑到国家、省、县地市三级,那么数字环保应用就有三大类别、九个层次(图1.16)。应用主体的类别和层次划分主要目的在于弄清应用需求,使数字环保工程的最重要部分—应用落实到位,从而发挥数字环保的效用。

    管理主体是确保数字环保工程建设好、长期运行应用好的保障,确切地说,管理主体应该是运行维护管理主体(简称管理主体)。从图1.15可以看出,它和建设主体、应用主体都发生关系,应用主体中的系统维护管理人员属于管理主体的一部分,是很重要的一部分但不是全部。管理主体的考虑要涉及三个方面:①管理机构设立,②管理人员选择确定,③管理经费预算和保障。通常建设主体不能代替管理主体,但管理主体中有建设主体中的人员,管理机构应该是第三方的,应主要由多层次的专业人员组成,依赖他们承担数字环保系统的运行维护管理工作。
    数字环保工程是一个重要而庞大的系统工程,要强调基础、应用和管理,基础设施是基础,应用是根本,运行维护管理是保障。


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