編者按：環(huán)境監(jiān)測技術是支撐和保障環(huán)境管理的重要基礎，分析研判本領域顛覆性技術的發(fā)展態(tài)勢，有利于加快推進我國生態(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》撰文，結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)測領域顛覆性技術的發(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)測技術的重大需求，提出了基于大數(shù)據(jù)融合的多介質環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)感知技術、基于新材料與器件的微型智能化環(huán)境要素傳感技術、基于光譜質譜的環(huán)境痕量污染物快速在線監(jiān)測技術以及基于衛(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(jù)，也為污染防治效果評估提供先進的技術手段?！笆濉币詠?，國務院陸續(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)絡建設方案》，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)測技術體系建設。2018年5月28日，習近平總書記在2018年兩院院士大會上強調(diào)，要以關鍵共性技術、前沿引領技術、現(xiàn)代工程技術、顛覆性技術創(chuàng)新為突破口，敢于走前人沒走過的路，努力實現(xiàn)關鍵核心技術自主可控。

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(jiān)測技術領域顛覆性技術的發(fā)展態(tài)勢，思考技術未來的發(fā)展方向，有望為我國環(huán)境領域科技發(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)測顛覆性技術發(fā)展現(xiàn)狀

19世紀末，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)生嚴重的污染事件，引起了世界的廣泛關注，自此環(huán)境監(jiān)測技術開始迅速發(fā)展?；诃h(huán)境監(jiān)測技術的發(fā)展歷程，可將其分為三個階段。

（一）分光光度和電化學技術迅速崛起，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(jiān)測的重點，分光光度法和電化學法迅速崛起，并逐步建立起環(huán)境污染物檢測標準。電化學法在監(jiān)測水體中重金屬元素時具有選擇性高、分析準確、可在線監(jiān)測等優(yōu)勢，使環(huán)境監(jiān)測技術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)境污染物的檢測標準。

（二）化學發(fā)光等技術快速發(fā)展，逐步形成環(huán)境質量自動監(jiān)測與分析技術體系

從20世紀80年代開始，英國、美國等發(fā)達國家的環(huán)境質量明顯好轉，其研究重點也開始轉向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)測技術均已明確與完善。與此同時，隨著信息、新能源、生物技術、新材料技術的快速發(fā)展，檢測速度更快，監(jiān)測范圍更廣的光學技術開始引入環(huán)境監(jiān)測領域，并推動了環(huán)境監(jiān)測技術的進一步發(fā)展。諸多跨領域的技術開始應用到環(huán)境監(jiān)測當中，如化學發(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)測領域迅速發(fā)展，并有效支撐了業(yè)務化環(huán)境質量自動監(jiān)測網(wǎng)絡建設。

（三）光學遙測技術獲得廣泛應用，開始構建典型區(qū)域大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測網(wǎng)絡

進入21世紀后，由于光電技術的巨大進步，光學遙測技術迅速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測技術進入新的發(fā)展階段。光學遙測技術通常能夠遠距離監(jiān)測目標環(huán)境狀況，避免了取樣、預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)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）、傅立葉轉換紅外光譜（FTIR）、激光雷達（LIDAR）、衛(wèi)星遙感等光學遙測技術獲得廣泛應用。

目前我國環(huán)境監(jiān)測單項技術已取得重要突破，初步形成了滿足常規(guī)監(jiān)測業(yè)務需求的技術體系。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間質譜儀等已得到應用，并自主構建了我國首個大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測系統(tǒng)。基于生物、質譜、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)測技術體系的基礎。近年來我國在衛(wèi)星遙感、激光雷達等環(huán)境監(jiān)測技術領域已達到國際先進水平。

為分析全球環(huán)境監(jiān)測領域技術總體研究布局，對1930—2017年的發(fā)明專利進行檢索并進行專利技術聚類分析?？梢钥闯?，全球環(huán)境監(jiān)測技術專利主要集中于化學發(fā)光、色譜、質譜、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(jiān)測技術專利進行聚類分析，可以看出環(huán)境監(jiān)測技術領域呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)處理、智能監(jiān)測、生物傳感器、三維激光雷達、無人機等新的技術特點。

對于專利檢索結果中的授權專利，進一步采用Innograophy專利分析平臺來分析環(huán)境監(jiān)測技術領域的核心專利，如圖1所示。由圖1可知，從2010年開始，中國的核心專利授權量迅速增長，并在2014年超越美國。環(huán)境監(jiān)測領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)測技術領域核心專利的不斷增加標志著我國環(huán)境監(jiān)測技術研究已取得顯著進步。

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

環(huán)境監(jiān)測領域的顛覆性技術與常規(guī)技術相比，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，顛覆性技術也通常會演化為常規(guī)技術，20世紀50年代發(fā)展起來的顛覆性技術，如分光光度法、電化學技術等，已成為當前環(huán)境監(jiān)測領域的常規(guī)技術。

隨著光學、電子、信息、生物等相關領域的技術進步，環(huán)境監(jiān)測領域的顛覆性技術正向靈敏度高、選擇性強的光學/光譜學分析、質譜/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)境標準、監(jiān)測技術與方法體系，但在大氣復合污染形成過程監(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，使光學監(jiān)測技術應用于光化學反應機理研究、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)域立體遙測技術和衛(wèi)星遙感技術能夠快速準確得到一個區(qū)域的污染狀況。發(fā)展基于區(qū)域立體遙測技術的區(qū)域排放、輸送總量、排放源清單、污染物成像探測技術，可為污染源的實時監(jiān)測和治理提供技術支撐。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，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與智能。發(fā)展多平臺、智能化、網(wǎng)絡化，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)境質量的相應關系，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，實現(xiàn)主動預見、大數(shù)據(jù)科學決策，形成生態(tài)環(huán)境綜合決策科學化、監(jiān)管精準化和公共服務便民化的智慧環(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)境質量改善。圖3是2009年以來我國環(huán)境監(jiān)測領域的相關政策?！皠?chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念的提出，表達了我國推進生態(tài)文明建設的堅定決心，而環(huán)境監(jiān)測技術的發(fā)展正是保障生態(tài)文明建設順利實施的條件之一。

（一）推動生態(tài)環(huán)境質量持續(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)境質量改善階段。在未來一段時間內(nèi)，要堅決打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，重點保障飲用水安全，強化土壤污染管控和修復，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)絡仍存在范圍和要素覆蓋不全、監(jiān)測數(shù)據(jù)質量有待提高等問題。通過加快推進環(huán)境監(jiān)測技術與設備發(fā)展，能夠有效支撐我國生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡建設。

（二）防范環(huán)境風險，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)境安全的應急技術嚴重不足，在先進應急監(jiān)測技術領域與國際存在較大差距，難以對環(huán)境污染事故進行快速、準確和全面地監(jiān)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益聯(lián)系在一起，只有掌握了環(huán)境監(jiān)測的主動權，在維護國家的權益和外交活動中才有更多的發(fā)言權。目前，我國大氣污染的跨境輸送已引起相關國家的高度關注，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)相應的環(huán)境監(jiān)測技術及設備，為環(huán)境外交提供科學與技術支持。

（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《關于加快推進環(huán)保裝備制造業(yè)發(fā)展的指導意見》，并指出到2020年我國環(huán)保裝備制造業(yè)產(chǎn)值將達到1萬億元。但目前我國高端環(huán)境監(jiān)測設備市場仍被國外企業(yè)所占據(jù)，發(fā)展環(huán)境監(jiān)測領域顛覆性技術能夠打破歐美企業(yè)對高端環(huán)境監(jiān)測設備的壟斷，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)文明建設是關系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計。環(huán)境監(jiān)測領域技術與產(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際國情，大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權的先進環(huán)境監(jiān)測技術與設備，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)測技術的可能發(fā)展方向。

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

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

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術的突破發(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等創(chuàng)新，通過大規(guī)模的系統(tǒng)應用和大數(shù)據(jù)服務，使環(huán)境管理從粗放型向精細化、精準化轉變，從被動響應向主動預見轉變，從經(jīng)驗判斷向大數(shù)據(jù)科學決策轉變，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?。

（二）基于新材料與器件的微型智能化環(huán)境要素傳感技術

新材料、新型器件等領域的技術突破，有望為環(huán)境監(jiān)測技術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)測技術的重大突破。基于微機電系統(tǒng)（MEMS），有望實現(xiàn)氣溶膠質量濃度與粒徑譜分布的高靈敏度測量。

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

基于光譜、質譜技術的高端環(huán)境監(jiān)測儀器能夠為環(huán)境部門在解決復雜污染問題、有效控制污染源、節(jié)能減排、應對環(huán)境變化等方面提供有效的技術支撐。比如，在高分辨率紫外–可見成像光譜測量、質譜分析模塊突破的基礎上，有望實現(xiàn)全揮發(fā)性有機物、重金屬、超細顆粒物全化學組分等痕量環(huán)境污染物的高靈敏、高時間分辨率探測，滿足現(xiàn)代環(huán)境科學研究和業(yè)務化監(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

小衛(wèi)星、火箭發(fā)射等領域的技術突破，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)災害監(jiān)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、自由曲面光學設計與加工等關鍵技術的突破，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、結語

在環(huán)境監(jiān)測技術與設備方面，國內(nèi)的技術創(chuàng)新能力正逐步加強，技術儲備和潛力較大，但國產(chǎn)高端環(huán)境監(jiān)測技術設備明顯偏少。因此，提高自主創(chuàng)新能力，加強顛覆性技術的超前布局，是當前十分迫切的戰(zhàn)略任務。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)測領域新一代顛覆性技術，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。