環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的發(fā)展與展望

編者按：環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是支撐和保障環(huán)境管理的重要基礎(chǔ)，分析研判本領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢，有利于加快推進我國生態(tài)文明建設(shè)與環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

中國工程院院士王金南團隊在《中國工程科學(xué)》撰文，結(jié)合文獻計量與專利情報分析方法，全面分析評價國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的發(fā)展歷程及最新態(tài)勢。針對我國環(huán)保發(fā)展對環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的重大需求，提出了基于大數(shù)據(jù)融合的多介質(zhì)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)感知技術(shù)、基于新材料與器件的微型智能化環(huán)境要素傳感技術(shù)、基于光譜質(zhì)譜的環(huán)境痕量污染物快速在線監(jiān)測技術(shù)以及基于衛(wèi)星遙感的區(qū)域/全球生態(tài)環(huán)境要素的高分辨率遙感技術(shù)等發(fā)展方向，以期為我國環(huán)境管理與環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供決策依據(jù)。

一、前言

環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是支撐和保障環(huán)境管理的基礎(chǔ)，不僅為環(huán)境污染防治提供決策依據(jù)，也為污染防治效果評估提供先進的技術(shù)手段?！笆濉币詠?，國務(wù)院陸續(xù)出臺《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》，深入實施大氣、水、土壤污染防治三大行動計劃，進一步推動了我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)。2018年5月28日，習(xí)近平總書記在2018年兩院院士大會上強調(diào)，要以關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新為突破口，敢于走前人沒走過的路，努力實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控。

因此，在當(dāng)前背景下，圍繞國家生態(tài)環(huán)境保護與環(huán)境安全的重大需求，深入剖析環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢，思考技術(shù)未來的發(fā)展方向，有望為我國環(huán)境領(lǐng)域科技發(fā)展規(guī)劃及政策提供決策支撐，為我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來優(yōu)先發(fā)展方向提供重要參考。

二、國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測顛覆性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

19世紀(jì)末，英國、美國等國家首先開展環(huán)境監(jiān)測，第二次世界大戰(zhàn)后，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，英美等國多次發(fā)生嚴(yán)重的污染事件，引起了世界的廣泛關(guān)注，自此環(huán)境監(jiān)測技術(shù)開始迅速發(fā)展。基于環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程，可將其分為三個階段。

（一）分光光度和電化學(xué)技術(shù)迅速崛起，初步建立環(huán)境污染物檢測標(biāo)準(zhǔn)

20世紀(jì)50至80年代初，重金屬、有機氯化合物、芳香烴、鹵代烴等污染物成為環(huán)境監(jiān)測的重點，分光光度法和電化學(xué)法迅速崛起，并逐步建立起環(huán)境污染物檢測標(biāo)準(zhǔn)。電化學(xué)法在監(jiān)測水體中重金屬元素時具有選擇性高、分析準(zhǔn)確、可在線監(jiān)測等優(yōu)勢，使環(huán)境監(jiān)測技術(shù)從實驗室檢測走向了現(xiàn)場、原位、在線分析。在這期間，初步建立了各項環(huán)境污染物的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

（二）化學(xué)發(fā)光等技術(shù)快速發(fā)展，逐步形成環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測與分析技術(shù)體系

從20世紀(jì)80年代開始，英國、美國等發(fā)達(dá)國家的環(huán)境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，其研究重點也開始轉(zhuǎn)向PM2.5、機動車尾氣等方面。水體、空氣、土壤、固體廢物中的監(jiān)測組分、監(jiān)測技術(shù)均已明確與完善。與此同時，隨著信息、新能源、生物技術(shù)、新材料技術(shù)的快速發(fā)展，檢測速度更快，監(jiān)測范圍更廣的光學(xué)技術(shù)開始引入環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，并推動了環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的進一步發(fā)展。諸多跨領(lǐng)域的技術(shù)開始應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測當(dāng)中，如化學(xué)發(fā)光法以其高靈敏、高選擇性、儀器簡便等優(yōu)勢在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域迅速發(fā)展，并有效支撐了業(yè)務(wù)化環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

（三）光學(xué)遙測技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，開始構(gòu)建典型區(qū)域大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

進入21世紀(jì)后，由于光電技術(shù)的巨大進步，光學(xué)遙測技術(shù)迅速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進入新的發(fā)展階段。光學(xué)遙測技術(shù)通常能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)測目標(biāo)環(huán)境狀況，避免了取樣、預(yù)處理以及實驗室檢測等繁瑣步驟，極大地提高了環(huán)境監(jiān)測效率。2005年以來，差分吸收光譜（DOAS）、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜（FTIR）、激光雷達(dá)（LIDAR）、衛(wèi)星遙感等光學(xué)遙測技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用。

目前我國環(huán)境監(jiān)測單項技術(shù)已取得重要突破，初步形成了滿足常規(guī)監(jiān)測業(yè)務(wù)需求的技術(shù)體系。研發(fā)的部分高端科研儀器如氣溶膠雷達(dá)、單顆粒氣溶膠飛行時間質(zhì)譜儀等已得到應(yīng)用，并自主構(gòu)建了我國首個大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測系統(tǒng)?；谏铩①|(zhì)譜、色譜的環(huán)境監(jiān)測手段也迅速發(fā)展，共同奠定了我國現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系的基礎(chǔ)。近年來我國在衛(wèi)星遙感、激光雷達(dá)等環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到國際先進水平。

為分析全球環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)總體研究布局，對1930—2017年的發(fā)明專利進行檢索并進行專利技術(shù)聚類分析。可以看出，全球環(huán)境監(jiān)測技術(shù)專利主要集中于化學(xué)發(fā)光、色譜、質(zhì)譜、FTIR、LIDAR、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）等方面。

對近三年（2015—2017年）的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)專利進行聚類分析，可以看出環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)處理、智能監(jiān)測、生物傳感器、三維激光雷達(dá)、無人機等新的技術(shù)特點。

對于專利檢索結(jié)果中的授權(quán)專利，進一步采用Innograophy專利分析平臺來分析環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域的核心專利，如圖1所示。由圖1可知，從2010年開始，中國的核心專利授權(quán)量迅速增長，并在2014年超越美國。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域核心專利國家及地區(qū)分布如圖2所示，我國所擁有的核心專利總數(shù)量已僅次于美國。我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域核心專利的不斷增加標(biāo)志著我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究已取得顯著進步。

三、環(huán)境監(jiān)測顛覆性技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析

環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)與常規(guī)技術(shù)相比，通常在樣品處理方式、數(shù)據(jù)處理速度與精度、監(jiān)測范圍等方面存在顯著優(yōu)勢，隨著科技的發(fā)展，顛覆性技術(shù)也通常會演化為常規(guī)技術(shù)，20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的顛覆性技術(shù)，如分光光度法、電化學(xué)技術(shù)等，已成為當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)。

隨著光學(xué)、電子、信息、生物等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)正向靈敏度高、選擇性強的光學(xué)/光譜學(xué)分析、質(zhì)譜/色譜分析方向發(fā)展；向多監(jiān)測參數(shù)實時、在線、自動化監(jiān)測，以及區(qū)域動態(tài)遙測方向發(fā)展；向環(huán)境多要素、大數(shù)據(jù)綜合信息評價技術(shù)方向發(fā)展。

（一）更高精度

國內(nèi)外已經(jīng)形成了較為完善的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測技術(shù)與方法體系，但在大氣復(fù)合污染形成過程監(jiān)測中的大氣氧化性現(xiàn)場監(jiān)測、納米級顆粒物在線測量、超低排放污染源監(jiān)測，以及水土重金屬在線檢測等方面還存在檢測限低、時間分辨率不高等問題。需進一步提高檢測精度，使光學(xué)監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)機理研究、工業(yè)過程控制、生產(chǎn)安全監(jiān)控。

（二）更多成分

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，需要監(jiān)測的污染物種類快速增加、組分更加復(fù)雜，常規(guī)分析法分析空氣中PM2.5、PM10、總懸浮顆粒物（TSP），以及水中總磷、總氮、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等已經(jīng)不能滿足日益增加的檢測項目需求，亟需發(fā)展大氣自由基、全組分有機物、重金屬、生物氣溶膠、二次有機氣溶膠示蹤物，水體細(xì)菌、浮游植物、有機物、重金屬，以及土壤中殘留農(nóng)藥和其他有機污染物的檢測等。

（三）更大范圍

區(qū)域立體遙測技術(shù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確得到一個區(qū)域的污染狀況。發(fā)展基于區(qū)域立體遙測技術(shù)的區(qū)域排放、輸送總量、排放源清單、污染物成像探測技術(shù)，可為污染源的實時監(jiān)測和治理提供技術(shù)支撐。污染源監(jiān)測是環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)，可對污染源進行快速定位與評估，可對環(huán)境污染事故進行跟蹤調(diào)查，預(yù)報事故發(fā)生點、污染面積與擴散速度及方向，也能夠得到痕量氣體、藻類等監(jiān)測對象的的全球分布與變遷，探究污染對氣候的影響規(guī)律，并為污染物排放控制提供數(shù)據(jù)支持。

（四）更加智慧

未來生態(tài)環(huán)境污染防治工作手段將會更加科學(xué)與智能。發(fā)展多平臺、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，且具有特異選擇性的環(huán)境監(jiān)測儀器，實時獲取環(huán)境多要素監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對海量、分散變化數(shù)據(jù)的深度挖掘、模型分析，利用大數(shù)據(jù)分析區(qū)域、流域污染源與環(huán)境質(zhì)量的相應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建智能管理決策平臺，使環(huán)境管理向精細(xì)化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)主動預(yù)見、大數(shù)據(jù)科學(xué)決策，形成生態(tài)環(huán)境綜合決策科學(xué)化、監(jiān)管精準(zhǔn)化和公共服務(wù)便民化的智慧環(huán)保體系。

四、我國戰(zhàn)略需求分析

我國在快速推進工業(yè)化、現(xiàn)代化的同時，也更加注重環(huán)境質(zhì)量改善。圖3是2009年以來我國環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的相關(guān)政策?！皠?chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念的提出，表達(dá)了我國推進生態(tài)文明建設(shè)的堅定決心，而環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展正是保障生態(tài)文明建設(shè)順利實施的條件之一。

（一）推動生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善

“十三五”以來，我國環(huán)境污染治理已從排放總量控制過渡到環(huán)境質(zhì)量改善階段。在未來一段時間內(nèi)，要堅決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，重點保障飲用水安全，強化土壤污染管控和修復(fù)，開展農(nóng)村人居環(huán)境整治行動。但我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仍存在范圍和要素覆蓋不全、監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提高等問題。通過加快推進環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備發(fā)展，能夠有效支撐我國生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

（二）防范環(huán)境風(fēng)險，保障環(huán)境安全

生態(tài)環(huán)境安全是國家安全的重要組成部分，是經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的重要保障。目前我國環(huán)境安全形勢依然嚴(yán)峻，突發(fā)環(huán)境事件處于高發(fā)期，對人民安全及生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害。我國針對環(huán)境安全的應(yīng)急技術(shù)嚴(yán)重不足，在先進應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域與國際存在較大差距，難以對環(huán)境污染事故進行快速、準(zhǔn)確和全面地監(jiān)測預(yù)警評估，極大地制約了對突發(fā)污染事故的快速處置及正確決策。

（三）應(yīng)對全球環(huán)境變化與科學(xué)評估

隨著環(huán)境問題日益國際化，環(huán)境保護工作已越來越多地與國家的權(quán)益聯(lián)系在一起，只有掌握了環(huán)境監(jiān)測的主動權(quán)，在維護國家的權(quán)益和外交活動中才有更多的發(fā)言權(quán)。目前，我國大氣污染的跨境輸送已引起相關(guān)國家的高度關(guān)注，我國環(huán)保工作面臨的國際壓力日益增大，環(huán)境外交面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，要研發(fā)相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備，為環(huán)境外交提供科學(xué)與技術(shù)支持。

（四）推動我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展

環(huán)保產(chǎn)業(yè)是我國新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，工業(yè)和信息化部制定了《關(guān)于加快推進環(huán)保裝備制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，并指出到2020年我國環(huán)保裝備制造業(yè)產(chǎn)值將達(dá)到1萬億元。但目前我國高端環(huán)境監(jiān)測設(shè)備市場仍被國外企業(yè)所占據(jù)，發(fā)展環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域顛覆性技術(shù)能夠打破歐美企業(yè)對高端環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的壟斷，提升我國環(huán)保企業(yè)的市場競爭力，從而推動我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

五、未來發(fā)展展望

生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計。環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，一方面要緊緊瞄準(zhǔn)國際發(fā)展前沿，另一方面更要緊密結(jié)合我國實際國情，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備，推動產(chǎn)業(yè)化進程，促進生態(tài)環(huán)境防治體系的現(xiàn)代化，為建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國提供強有力的科技支撐與保障。圖4給出了我國未來20年環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的可能發(fā)展方向。

環(huán)境監(jiān)測技術(shù)主要由物理、光學(xué)、信息、電子、材料、化學(xué)等眾多學(xué)科交叉融合而成，在相關(guān)領(lǐng)域顛覆性技術(shù)發(fā)展突破的基礎(chǔ)上，氣、水、土等單項監(jiān)測和綜合監(jiān)測技術(shù)水平將會得到迅速提升，從而產(chǎn)生對環(huán)境科學(xué)研究與業(yè)務(wù)化監(jiān)測有重要影響的顛覆性環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，以下列舉出四項可能的顛覆性技術(shù)方向。

（一）基于大數(shù)據(jù)融合的多介質(zhì)環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)感知技術(shù)

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的突破發(fā)展，為環(huán)保信息化建設(shè)注入了新的活力。該技術(shù)主要利用智能多元化環(huán)境傳感器、深度挖掘和模型分析、智能管理決策和信息技術(shù)等創(chuàng)新，通過大規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用和大數(shù)據(jù)服務(wù)，使環(huán)境管理從粗放型向精細(xì)化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，從被動響應(yīng)向主動預(yù)見轉(zhuǎn)變，從經(jīng)驗判斷向大數(shù)據(jù)科學(xué)決策轉(zhuǎn)變，真正形成源頭防控、過程監(jiān)管、綜合治理、全民共治的環(huán)境管理閉環(huán)，從而實現(xiàn)從“數(shù)字環(huán)?！毕颉爸腔郗h(huán)?！钡目缭健?/p>

（二）基于新材料與器件的微型智能化環(huán)境要素傳感技術(shù)

新材料、新型器件等領(lǐng)域的技術(shù)突破，有望為環(huán)境監(jiān)測技術(shù)帶來革命性突破或現(xiàn)有儀器性能的極大提升，實現(xiàn)微型化、智能化的環(huán)境要素傳感監(jiān)測。比如，基于膠體量子點納米材料，可以制作微型光譜儀，能將原本幾萬美元的成本降至幾美元，從而帶來基于光譜分析原理的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的重大突破?；谖C電系統(tǒng)（MEMS），有望實現(xiàn)氣溶膠質(zhì)量濃度與粒徑譜分布的高靈敏度測量。

（三）基于光譜、質(zhì)譜的環(huán)境痕量污染物快速在線監(jiān)測技術(shù)

基于光譜、質(zhì)譜技術(shù)的高端環(huán)境監(jiān)測儀器能夠為環(huán)境部門在解決復(fù)雜污染問題、有效控制污染源、節(jié)能減排、應(yīng)對環(huán)境變化等方面提供有效的技術(shù)支撐。比如，在高分辨率紫外–可見成像光譜測量、質(zhì)譜分析模塊突破的基礎(chǔ)上，有望實現(xiàn)全揮發(fā)性有機物、重金屬、超細(xì)顆粒物全化學(xué)組分等痕量環(huán)境污染物的高靈敏、高時間分辨率探測，滿足現(xiàn)代環(huán)境科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化監(jiān)測需要，形成較大規(guī)模的高端環(huán)境監(jiān)測儀器產(chǎn)業(yè)。

（四）基于衛(wèi)星遙感的區(qū)域/全球生態(tài)環(huán)境要素的高分辨率遙感技術(shù)

小衛(wèi)星、火箭發(fā)射等領(lǐng)域的技術(shù)突破，有望帶來基于機載和星載平臺的環(huán)境污染物遙感監(jiān)測技術(shù)的重大突破，對于提升大氣環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)作物估產(chǎn)及農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測能力，提高環(huán)境遙感資源綜合應(yīng)用效能等有重要意義。比如，大面陣高量子效率探測器、自由曲面光學(xué)設(shè)計與加工等關(guān)鍵技術(shù)的突破，將顯著提高載荷的空間分辨率與數(shù)據(jù)反演精度，從而實現(xiàn)千米級以內(nèi)空間分辨率的環(huán)境要素區(qū)域分布遙感。

六、結(jié)語

在環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備方面，國內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新能力正逐步加強，技術(shù)儲備和潛力較大，但國產(chǎn)高端環(huán)境監(jiān)測技術(shù)設(shè)備明顯偏少。因此，提高自主創(chuàng)新能力，加強顛覆性技術(shù)的超前布局，是當(dāng)前十分迫切的戰(zhàn)略任務(wù)。針對我國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，研究開發(fā)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域新一代顛覆性技術(shù)，將會有效提升我國生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測能力，推動環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。