編者按：環(huán)境監測技術(shù)是支撐和保障環(huán)境管理的重要基礎，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(jìn)我國生態(tài)文明建設與環(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，結合文獻計量與專(zhuān)利情報分析方法，全面分析評價(jià)國內外環(huán)境監測領(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)境監測技術(shù)的重大需求，提出了基于大數據融合的多介質(zhì)環(huán)境與生態(tài)系統感知技術(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(xiàn)監測技術(shù)以及基于衛星遙感的區域/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)展規劃提供決策依據。

一、前言

環(huán)境監測技術(shù)是支撐和保障環(huán)境管理的基礎，不僅為環(huán)境污染防治提供決策依據，也為污染防治效果評估提供先進(jìn)的技術(shù)手段?！笆濉币詠?lái)，國務(wù)院陸續出臺《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規劃》《生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )建設方案》，深入實(shí)施大氣、水、土壤污染防治三大行動(dòng)計劃，進(jìn)一步推動(dòng)了我國生態(tài)環(huán)境監測技術(shù)體系建設。2018年5月28日，習近平總書(shū)記在2018年兩院院士大會(huì )上強調，要以關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng )新為突破口，敢于走前人沒(méi)走過(guò)的路，努力實(shí)現關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控。

因此，在當前背景下，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(lái)的發(fā)展方向，有望為我國環(huán)境領(lǐng)域科技發(fā)展規劃及政策提供決策支撐，為我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來(lái)優(yōu)先發(fā)展方向提供重要參考。

二、國內外環(huán)境監測顛覆性技術(shù)發(fā)展現狀

19世紀末，英國、美國等國家首先開(kāi)展環(huán)境監測，第二次世界大戰后，隨著(zhù)工業(yè)的迅速發(fā)展，英美等國多次發(fā)生嚴重的污染事件，引起了世界的廣泛關(guān)注，自此環(huán)境監測技術(shù)開(kāi)始迅速發(fā)展?；诃h(huán)境監測技術(shù)的發(fā)展歷程，可將其分為三個(gè)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)境污染物檢測標準

20世紀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)境監測的重點(diǎn)，分光光度法和電化學(xué)法迅速崛起，并逐步建立起環(huán)境污染物檢測標準。電化學(xué)法在監測水體中重金屬元素時(shí)具有選擇性高、分析準確、可在線(xiàn)監測等優(yōu)勢，使環(huán)境監測技術(shù)從實(shí)驗室檢測走向了現場(chǎng)、原位、在線(xiàn)分析。在這期間，初步建立了各項環(huán)境污染物的檢測標準。

（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(dòng)監測與分析技術(shù)體系

從20世紀80年代開(kāi)始，英國、美國等發(fā)達國家的環(huán)境質(zhì)量明顯好轉，其研究重點(diǎn)也開(kāi)始轉向PM2.5、機動(dòng)車(chē)尾氣等方面。水體、空氣、土壤、固體廢物中的監測組分、監測技術(shù)均已明確與完善。與此同時(shí)，隨著(zhù)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，監測范圍更廣的光學(xué)技術(shù)開(kāi)始引入環(huán)境監測領(lǐng)域，并推動(dòng)了環(huán)境監測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。諸多跨領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)始應用到環(huán)境監測當中，如化學(xué)發(fā)光法以其高靈敏、高選擇性、儀器簡(jiǎn)便等優(yōu)勢在環(huán)境監測領(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(dòng)監測網(wǎng)絡(luò )建設。

（三）光學(xué)遙測技術(shù)獲得廣泛應用，開(kāi)始構建典型區域大氣環(huán)境綜合立體監測網(wǎng)絡(luò )

進(jìn)入21世紀后，由于光電技術(shù)的巨大進(jìn)步，光學(xué)遙測技術(shù)迅速發(fā)展，環(huán)境監測技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。光學(xué)遙測技術(shù)通常能夠遠距離監測目標環(huán)境狀況，避免了取樣、預處理以及實(shí)驗室檢測等繁瑣步驟，極大地提高了環(huán)境監測效率。2005年以來(lái)，差分吸收光譜（DOAS）、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）、傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）、激光雷達（LIDAR）、衛星遙感等光學(xué)遙測技術(shù)獲得廣泛應用。

目前我國環(huán)境監測單項技術(shù)已取得重要突破，初步形成了滿(mǎn)足常規監測業(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、單顆粒氣溶膠飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等已得到應用，并自主構建了我國首個(gè)大氣環(huán)境綜合立體監測系統?；谏?、質(zhì)譜、色譜的環(huán)境監測手段也迅速發(fā)展，共同奠定了我國現代環(huán)境監測技術(shù)體系的基礎。近年來(lái)我國在衛星遙感、激光雷達等環(huán)境監測技術(shù)領(lǐng)域已達到國際先進(jìn)水平。

為分析全球環(huán)境監測領(lǐng)域技術(shù)總體研究布局，對1930—2017年的發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行檢索并進(jìn)行專(zhuān)利技術(shù)聚類(lèi)分析?？梢钥闯?，全球環(huán)境監測技術(shù)專(zhuān)利主要集中于化學(xué)發(fā)光、色譜、質(zhì)譜、FTIR、LIDAR、激光誘導擊穿光譜（LIBS）等方面。

對近三年（2015—2017年）的環(huán)境監測技術(shù)專(zhuān)利進(jìn)行聚類(lèi)分析，可以看出環(huán)境監測技術(shù)領(lǐng)域呈現出數據處理、智能監測、生物傳感器、三維激光雷達、無(wú)人機等新的技術(shù)特點(diǎn)。

對于專(zhuān)利檢索結果中的授權專(zhuān)利，進(jìn)一步采用Innograophy專(zhuān)利分析平臺來(lái)分析環(huán)境監測技術(shù)領(lǐng)域的核心專(zhuān)利，如圖1所示。由圖1可知，從2010年開(kāi)始，中國的核心專(zhuān)利授權量迅速增長(cháng)，并在2014年超越美國。環(huán)境監測領(lǐng)域核心專(zhuān)利國家及地區分布如圖2所示，我國所擁有的核心專(zhuān)利總數量已僅次于美國。我國環(huán)境監測技術(shù)領(lǐng)域核心專(zhuān)利的不斷增加標志著(zhù)我國環(huán)境監測技術(shù)研究已取得顯著(zhù)進(jìn)步。

三、環(huán)境監測顛覆性技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析

環(huán)境監測領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)與常規技術(shù)相比，通常在樣品處理方式、數據處理速度與精度、監測范圍等方面存在顯著(zhù)優(yōu)勢，隨著(zhù)科技的發(fā)展，顛覆性技術(shù)也通常會(huì )演化為常規技術(shù)，20世紀50年代發(fā)展起來(lái)的顛覆性技術(shù)，如分光光度法、電化學(xué)技術(shù)等，已成為當前環(huán)境監測領(lǐng)域的常規技術(shù)。

隨著(zhù)光學(xué)、電子、信息、生物等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，環(huán)境監測領(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；向多監測參數實(shí)時(shí)、在線(xiàn)、自動(dòng)化監測，以及區域動(dòng)態(tài)遙測方向發(fā)展；向環(huán)境多要素、大數據綜合信息評價(jià)技術(shù)方向發(fā)展。

（一）更高精度

國內外已經(jīng)形成了較為完善的環(huán)境標準、監測技術(shù)與方法體系，但在大氣復合污染形成過(guò)程監測中的大氣氧化性現場(chǎng)監測、納米級顆粒物在線(xiàn)測量、超低排放污染源監測，以及水土重金屬在線(xiàn)檢測等方面還存在檢測限低、時(shí)間分辨率不高等問(wèn)題。需進(jìn)一步提高檢測精度，使光學(xué)監測技術(shù)應用于光化學(xué)反應機理研究、工業(yè)過(guò)程控制、生產(chǎn)安全監控。

（二）更多成分

隨著(zhù)工業(yè)的迅速發(fā)展，需要監測的污染物種類(lèi)快速增加、組分更加復雜，常規分析法分析空氣中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(mǎn)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，水體細菌、浮游植物、有機物、重金屬，以及土壤中殘留農藥和其他有機污染物的檢測等。

（三）更大范圍

區域立體遙測技術(shù)和衛星遙感技術(shù)能夠快速準確得到一個(gè)區域的污染狀況。發(fā)展基于區域立體遙測技術(shù)的區域排放、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(shí)時(shí)監測和治理提供技術(shù)支撐。污染源監測是環(huán)境監測的重要內容，通過(guò)衛星遙感技術(shù)，可對污染源進(jìn)行快速定位與評估，可對環(huán)境污染事故進(jìn)行跟蹤調查，預報事故發(fā)生點(diǎn)、污染面積與擴散速度及方向，也能夠得到痕量氣體、藻類(lèi)等監測對象的的全球分布與變遷，探究污染對氣候的影響規律，并為污染物排放控制提供數據支持。

（四）更加智慧

未來(lái)生態(tài)環(huán)境污染防治工作手段將會(huì )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)境監測儀器，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境多要素監測數據，通過(guò)對海量、分散變化數據的深度挖掘、模型分析，利用大數據分析區域、流域污染源與環(huán)境質(zhì)量的相應關(guān)系，構建智能管理決策平臺，使環(huán)境管理向精細化、精準化轉變，實(shí)現主動(dòng)預見(jiàn)、大數據科學(xué)決策，形成生態(tài)環(huán)境綜合決策科學(xué)化、監管精準化和公共服務(wù)便民化的智慧環(huán)保體系。

四、我國戰略需求分析

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

（一）推動(dòng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續改善

“十三五”以來(lái)，我國環(huán)境污染治理已從排放總量控制過(guò)渡到環(huán)境質(zhì)量改善階段。在未來(lái)一段時(shí)間內，要堅決打贏(yíng)藍天保衛戰，重點(diǎn)保障飲用水安全，強化土壤污染管控和修復，開(kāi)展農村人居環(huán)境整治行動(dòng)。但我國生態(tài)環(huán)境監測網(wǎng)絡(luò )仍存在范圍和要素覆蓋不全、監測數據質(zhì)量有待提高等問(wèn)題。通過(guò)加快推進(jìn)環(huán)境監測技術(shù)與設備發(fā)展，能夠有效支撐我國生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò )建設。

（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(huì )持續健康發(fā)展的重要保障。目前我國環(huán)境安全形勢依然嚴峻，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)境安全的應急技術(shù)嚴重不足，在先進(jìn)應急監測技術(shù)領(lǐng)域與國際存在較大差距，難以對環(huán)境污染事故進(jìn)行快速、準確和全面地監測預警評估，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）應對全球環(huán)境變化與科學(xué)評估

隨著(zhù)環(huán)境問(wèn)題日益國際化，環(huán)境保護工作已越來(lái)越多地與國家的權益聯(lián)系在一起，只有掌握了環(huán)境監測的主動(dòng)權，在維護國家的權益和外交活動(dòng)中才有更多的發(fā)言權。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。因此，要研發(fā)相應的環(huán)境監測技術(shù)及設備，為環(huán)境外交提供科學(xué)與技術(shù)支持。

（四）推動(dòng)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(jìn)環(huán)保裝備制造業(yè)發(fā)展的指導意見(jiàn)》，并指出到2020年我國環(huán)保裝備制造業(yè)產(chǎn)值將達到1萬(wàn)億元。但目前我國高端環(huán)境監測設備市場(chǎng)仍被國外企業(yè)所占據，發(fā)展環(huán)境監測領(lǐng)域顛覆性技術(shù)能夠打破歐美企業(yè)對高端環(huán)境監測設備的壟斷，提升我國環(huán)保企業(yè)的市場(chǎng)競爭力，從而推動(dòng)我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

五、未來(lái)發(fā)展展望

生態(tài)文明建設是關(guān)系中華民族永續發(fā)展的根本大計。環(huán)境監測領(lǐng)域技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，一方面要緊緊瞄準國際發(fā)展前沿，另一方面更要緊密結合我國實(shí)際國情，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的先進(jìn)環(huán)境監測技術(shù)與設備，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境防治體系的現代化，為建設生態(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(lái)20年環(huán)境監測技術(shù)的可能發(fā)展方向。

環(huán)境監測技術(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)展突破的基礎上，氣、水、土等單項監測和綜合監測技術(shù)水平將會(huì )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)化監測有重要影響的顛覆性環(huán)境監測技術(shù)，以下列舉出四項可能的顛覆性技術(shù)方向。

（一）基于大數據融合的多介質(zhì)環(huán)境與生態(tài)系統感知技術(shù)

大數據、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(guò)大規模的系統應用和大數據服務(wù)，使環(huán)境管理從粗放型向精細化、精準化轉變，從被動(dòng)響應向主動(dòng)預見(jiàn)轉變，從經(jīng)驗判斷向大數據科學(xué)決策轉變，真正形成源頭防控、過(guò)程監管、綜合治理、全民共治的環(huán)境管理閉環(huán)，從而實(shí)現從“數字環(huán)?！毕颉爸腔郗h(huán)?！钡目缭?。

（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)境監測技術(shù)帶來(lái)革命性突破或現有儀器性能的極大提升，實(shí)現微型化、智能化的環(huán)境要素傳感監測。比如，基于膠體量子點(diǎn)納米材料，可以制作微型光譜儀，能將原本幾萬(wàn)美元的成本降至幾美元，從而帶來(lái)基于光譜分析原理的環(huán)境監測技術(shù)的重大突破?；谖C電系統（MEMS），有望實(shí)現氣溶膠質(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(xiàn)監測技術(shù)

基于光譜、質(zhì)譜技術(shù)的高端環(huán)境監測儀器能夠為環(huán)境部門(mén)在解決復雜污染問(wèn)題、有效控制污染源、節能減排、應對環(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(jiàn)成像光譜測量、質(zhì)譜分析模塊突破的基礎上，有望實(shí)現全揮發(fā)性有機物、重金屬、超細顆粒物全化學(xué)組分等痕量環(huán)境污染物的高靈敏、高時(shí)間分辨率探測，滿(mǎn)足現代環(huán)境科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化監測需要，形成較大規模的高端環(huán)境監測儀器產(chǎn)業(yè)。

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

小衛星、火箭發(fā)射等領(lǐng)域的技術(shù)突破，有望帶來(lái)基于機載和星載平臺的環(huán)境污染物遙感監測技術(shù)的重大突破，對于提升大氣環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監測、農作物估產(chǎn)及農業(yè)災害監測能力，提高環(huán)境遙感資源綜合應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)設計與加工等關(guān)鍵技術(shù)的突破，將顯著(zhù)提高載荷的空間分辨率與數據反演精度，從而實(shí)現千米級以?xún)瓤臻g分辨率的環(huán)境要素區域分布遙感。

六、結語(yǔ)

在環(huán)境監測技術(shù)與設備方面，國內的技術(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)境監測技術(shù)設備明顯偏少。因此，提高自主創(chuàng )新能力，加強顛覆性技術(shù)的超前布局，是當前十分迫切的戰略任務(wù)。針對我國經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的戰略需求，研究開(kāi)發(fā)環(huán)境監測領(lǐng)域新一代顛覆性技術(shù)，將會(huì )有效提升我國生態(tài)環(huán)境綜合監測能力，推動(dòng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。