互联网时代的环境大数据

本书系统阐述了环境大数据的概念、战略规划、平台搭建、关键技术、案例应用，以及产业发展。全文共分为三大部分，第一部分为概述，介绍"互联网+”与大数据、环境大数据；第二部分为技术篇，介绍了环境大数据的平台构建、数据分析、数据采集、组织管理、分析预测、共享与服务、信息安全、运行保障；第三部分为应用篇，介绍行业案例和产业发展。

刘锐，中科宇图资源环境科学研究院院长、首席科学家、中科宇图天下科技有限公司副总裁。作者曾在美国弗吉尼亚大学、弗吉尼亚州林业部等机构担任多个重要研究领导职务，主持20多项科研项目和工程技术项目。作为引进人才归国后，曾在北京师范大学地理学与遥感科学学学院任教授和博导。作者是环境遥感和计算机技术领域的资深研究人员，兼具学术研究、企业管理，以及政府工作等多重背景。

第一章 “互联网+”与大数据 1
第一节互联网时代与“互联网+” 2
一、互联网与互联网思维 2
二、“互联网+”的提出与时代要求 10
三、互联网思维与政府转型 25
第二节“大数据”的定义、特征与应用 28
一、“大数据”与“大数据时代” 28
二、“大数据”的基本特征 29
三、“大数据”的发展形势和重要意义 31
四、现阶段我国大数据发展的目标与任务 33
第三节 大数据驱动“互联网+” 41
一、互联网+与物联网、云计算、大数据、工业4．0的关系 41
二、大数据对“互联网+”的驱动作用 44
第二章 环境大数据概述 47
第一节 环境大数据的相关概念 48
一、信息资源 48
二、环境信息 48
三、“大数据”与“环境大数据” 49
四、环境信息资源中心 50
第二节 环境大数据的来源 51
一、环境政务与业务数据 52
二、基于互联网和社会化获取的信息资源 57
第三节 发展环境大数据的作用与意义 58
第三章 环境大数据资源中心的构建及关键技术 60
第一节环境大数据资源中心的构建 61
一、业务支撑 62
二、基础数据 64
三、基础设施 66
四、安全保障 67
第二节环境大数据资源中心的关键技术 67
一、环境大数据基础平台的关键技术 69
二、环境大数据应用分析平台的关键技术 79
第四章 环境大数据的采集体系 94
第一节 基于物联网的环境数据多元感知体系 95
一、卫星遥感环境监测数据 95
二、航空遥感环境监测数据 106
三、地面环境监测数据 114
第二节 环境政务与业务数据集成 127
一、环境大数据集成需求 127
二、环境大数据集成目标 128
三、环境大数据集成类型 129
四、环境大数据集成思路 131
五、环境大数据集成方案 135
第三节 互联网环境数据信息的汇聚 141
一、互联网信息的环境数据来源 142
二、互联网环境信息的采集方案 142
第四节 环境大数据采集、传输及处理量估算 151
一、采集信息量存储估算 151
二、数据处理能力估算 158
三、应用系统数据存储估算 161
四、高性能计算集群运算能力估算 163
五、基础通信接入网络宽带估算 163
第五章 环境大数据的组织管理 165
第一节环境大数据的数据标准 166
一、国内外大数据标准化工作进展 166
二、环境大数据标准化工作现状 171
三、环境大数据标准体系 172
四、未来环境大数据标准建设的重点工作 177
第二节环境大数据资源目录体系构建 178
一、环境大数据资源目录体系概述 178
二、环境大数据资源目录体系分类 181
三、环境大数据资源目录体系支撑技术 186
四、环境大数据资源目录体系技术架构 188
第三节环境大数据的管理 189
一、环境大数据管理的意义 189
二、环境大数据的存储 190
三、环境大数据的分析与应用 191
四、环境大数据的更新与维护 192
第六章 环境大数据的分析与应用 194
第一节大数据在环保领域的应用需求 195
一、环境管理工作对环境大数据的需求 195
二、环境科技工作对环境大数据的需求 198
三、环境产业发展对环境大数据的需求 200
四、公众参与对环境大数据的需求 201
第二节环境大数据在环境监测中的应用实例 202
一、环境监测面临的问题 202
二、监测系统架构和硬件 203
三、云端矫正技术框架 206
四、小结与展望 210
第三节环境大数据在环境评价中的应用实例 210
一、水环境大数据分析背景概述 210
二、水环境大数据研究方法与技术路线 211
三、系统应用实例 212
四、结论 220
第四节环境大数据在环境预测中的应用实例 220
一、环境预测的现状及问题 220
二、预测系统的架构 221
三、小结与展望 227
第五节环境大数据在工业能源分析中的应用实例 229
一、工业能源环境大数据分析背景概述 229
二、大数据分析模型开发 230
三、基于大数据的工业能效评估模型的构建 235
四、基于大数据的K-means聚类分析的应用与实现 237
五、小结与展望 245
第七章 环境大数据的服务 247
第一节环境大数据的服务概述 248
第二节环境大数据的服务需求 250
一、国家战略的需求 250
二、环保行业部门的需求 254
三、行业企业的需求 257
四、科学研究的要求 260
五、社会数据的公众化需求 268
第三节环境大数据的服务产品 274
一、一次数据产品 274
二、二次数据产品 275
三、环境保护指示性指标产品 277
四、环境大数据产品列表 278
第四节环境大数据的服务方式 280
一、环境管理业务数据共享服务 280
二、环境专业领域百科信息服务 282
三、环境保护决策支持服务 285
第五节环境大数据的商业模式 286
一、环境大数据的价值主张 286
二、环境大数据的客户细分 288
三、环境大数据的关键业务 290
四、环境大数据的核心资源 292
五、环境大数据的成本结构 294
第六节环境大数据服务平台建设案例 296
一、国内外发展现状与趋势 296
二、环境大数据服务平台建设思路 298
三、环境大数据服务平台建设内容 299
第八章 环境大数据的网络硬件支撑与信息安全保障体系 304
第一节环境大数据硬件支撑体系 305
一、物理资源建设 305
二、虚拟资源建设 311
三、整体管理架构 313
第二节信息安全保障体系 319
一、加强信息安全建设的重要意义 319
二、信息安全管理体系建设的具体目标 323
三、信息安全建设方法论 324
四、充分的现状调研和风险评估过程 326
五、设计建立信息安全保障体系总体框架 327
六、设计建立信息安全保障体系组织架构 328
七、设计建立信息安全保障体系管理体系 329
第九章 环境大数据资源中心业务化运行的保障机制 331
第一节CIO制度 334
一、CIO概述 334
二、国内外CIO制度的发展现状 340
三、CIO的组织结构 344
四、CIO与环境大数据的发展变革 349
第二节环境信息资源共享共建机制 350
一、环境数据共享与服务体系概述 350
二、必要性与意义 354
三、环境数据共享与服务体系技术框架和运营模式设计 357
第三节环境大数据的质量保障与审核机制 359
一、环境大数据的质量保障机制 359
二、环境大数据的审核机制 370
第十章 环境大数据的产业发展 378
第一节大数据产业发展概况 379
一、大数据产业概述 379
二、大数据产业链解析 380
三、全球大数据产业发展现状与预测 382
四、我国大数据产业发展现状与预测 388
五、我国大数据行业的误区 398
第二节环境大数据产业发展现状 401
一、环境大数据应用“含苞待放” 401
二、大数据助力环境保护 406
三、大数据平台实现环境监测智能化 408
四、环保领域迎来大数据互联时代 409
第三节环境大数据产业发展存在的问题 411
第四节环境大数据产业发展展望 413
一、环境大数据可以解决的问题 413
二、开展环境保护大数据应用的基本思路 414
参考文献 417

序——魏复盛

我国政府一直高度重视环境质量的改善，党的“十七大”把环境保护摆上了重要的战略位置，党的“十八大”则把生态文明建设提升到“五位一体”总体布局的战略高度。“十八大”提出大力推进生态文明建设，建设美丽中国，实现中华民族永续发展。在互联网和移动互联网广泛应用的时代，环境质量数据量、污染源数据量和生态环境数据量迅猛增长，如何建设环境大数据，如何利用环境大数据为环境保护事业提供服务，是我阅读该书时最希望了解的答案。“互联网+环境保护”为新时代“智慧环保”体系建设提供有益参考，对于提高环境保护与管理决策的应用服务能力，推动互联网与生态文明建设深度融合具有十分重要的意义。

作为环境保护领域的新名词，许多学者对“互联网+环境保护”、环境大数据概念的理解仍比较抽象。该书系统阐述了“互联网+环境保护”与大数据的发展历程、理论基础、技术方法与应用案例等方面的知识，深入浅出地阐述了环境大数据的丰富内涵，并从实践角度介绍了我国环境大数据的产业发展。

“互联网+环境保护”是基于相关技术发展而提出的一系列技术的组合，如网络爬虫、分布式文件系统、数据挖掘、机器学习、环境模型、大数据可视化等，这些技术的发展都为环境大数据的建设提供了技术保障和支持，然而这些技术与环境大数据的结合还存在于理论与实践之间，离真正的落地实践还存在一定的距离。目前，我国在环境大数据发展和应用方面已具备一定的基础。然而，现阶段我国的环境大数据应用存在政府数据开放共享不足、缺乏顶层设计和统筹规划、法律法规建设滞后、创新应用领域不广等问题，各项工作基础相对薄弱。本书的出版，为指导我国在环境大数据建设与应用工作方面提供了有益参考。全书展现了“互联网+环境保护”建设的全貌，可为环保工作者的进一步探索开辟视野，是对环保工作经验的分享。该书内容丰富，技术科学、实用、可行，案例翔实，相信读者会从作者的论述中汲取到环境大数据建设丰富的理论方法和宝贵的先进经验。

前言

信息技术与经济社会的交汇融合引发了数据迅猛增长。大数据是以容量大、类型多、存取速度快、应用价值高为主要特征的数据集合，正快速发展为对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，从中发现新知识、创造新价值、提升新能力的新一代信息技术和服务业态。自2009年联合国制订了“数据脉动”计划开始，2010年英国发起了“数据权”运动，2012年美国实施了“大数据”战略，“大数据”时代的序幕渐渐拉开。而今，数据已成为国家基础性战略资源，大数据正日益对全球生产、流通、分配、消费活动，以及经济运行机制、社会生活方式和国家治理能力产生重要影响。全球范围内，运用大数据推动经济发展、完善社会治理、提升政府服务和监管能力正成为趋势，有关发达国家相继制定实施大数据战略性文件，大力推动大数据发展和应用。2014年新加坡等地提出“大数据治国”理念；同年全国两会时，“大数据”第一次出现在政府工作报告中；2015年9月，国务院印发《促进大数据发展行动纲要》，系统部署了我国的大数据发展工作。大数据已成为推动经济转型发展的新动力，重塑国家竞争优势的新机遇，也是提升政府治理能力的新途径。

目前，我国在大数据发展和应用方面已具备一定的基础。我国互联网、移动互联网用户规模居全球第一，拥有丰富的数据资源和应用市场优势，大数据部分关键技术研发取得突破，涌现出一批互联网创新企业和创新应用，一些地方政府已启动大数据相关工作。但同时也应该看到，现阶段我国的大数据应用存在政府数据开放共享不足、产业基础薄弱、缺乏顶层设计和统筹规划、法律法规建设滞后、创新应用领域不广等问题，亟待解决。坚持创新驱动发展，加快大数据部署，深化大数据应用，已成为稳增长、促改革、调结构、惠民生和推动政府治理能力现代化的内在需要和必然选择。

提到大数据，不得不提“互联网+”。“互联网+”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，推动技术进步、效率提升和组织变革，提升实体经济创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态。在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网与各领域的融合发展具有广阔前景和无限潜力，已成为不可阻挡的时代潮流，正对各国经济社会发展产生着战略性和全局性的影响。国务院2015年7月4日印发了关于积极推进“互联网+”行动的指导意见。该意见明确了我国推动“互联网+”的11项重点行动。其中，“互联网+”绿色生态重点行动中，明确要求“推动互联网与生态文明建设深度融合，完善污染物监测及信息发布系统，形成覆盖主要生态要素的资源环境承载能力动态监测网络，实现生态环境数据互联互通和开放共享。充分发挥互联网在逆向物流回收体系中的平台作用，促进再生资源交易利用便捷化、互动化、透明化，促进生产生活方式绿色化”。

在“互联网+”这一时代背景下，我们编写了《互联网时代的环境大数据》一书，旨在面向环境保护与管理决策的应用服务需要，探讨以大数据技术为驱动“互联网+环境保护”的技术体系与产业生态，为推动互联网与生态文明建设深度融合，建设新时代的“智慧环保”体系提供有益的参考。《互联网时代的环境大数据》作为数字环保的系列图书之一，是一本讲述环境大数据理论与实践的专业读物。本书共10章，分为4个部分。第一部分为第1～3章，为本书的绪论部分，重点阐述了互联网+、大数据、环境大数据的理念、内涵、基本概念，以及体系构成。第二部分为第4～7章，是本书的主体部分，重点阐述了环境大数据的数据采集、数据的组织管理、数据的分析应用和共享服务4个方面，这4个方面构成了环境大数据治理体系的核心。第三部分为第8章和第9章，重点阐述了环境大数据体系建设支撑与保障体系，设计安全、运行维护，以及部分体制、机制问题。第四部分为第10章，着重分析了“互联网+环境保护”的产业发展问题，探讨环境保护如何对打造大众创业、万众创新和增加公共产品、公共服务“双引擎”。

本书继承了中国科学院、中国环境科学研究院、北京师范大学、中科宇图科技股份有限公司、中科宇图资源环境科学研究院多年来在环境信息化领域的研究和实践成果。本书由中科宇图资源环境科学研究院、中科宇图科技股份有限公司、北京师范大学、中国科学院遥感与数字地球研究所等多家单位的专家共同编制。在此，对编写和出版本书做出贡献，以及关心本书的所有人员致以衷心的感谢！由于互联网+、环境大数据还是一个全新的领域，涉及的专业知识较广，加之编写时间仓促，书中难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。