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，全面分析評價國內外環境監測領域顛覆性技術的發展歷程及最新態勢。針對我國環保發展對環境監測技術的重大需求，提出了基于大數據融合的多介質環境與生態系統感知技術、基于新材料與器件的微型智能化環境要素傳感技術、基于光譜質譜的環境痕量污染物快速在線監測技術以及基于衛星遙感的區域/全球生態環境要素的高分辨率遙感技術等發展方向，以期為我國環境管理與環保產業發展規劃提供決策依據。
一、前言
環境監測技術是支撐和保障環境管理的基礎，不僅為環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的技術手段。“十二五”以來，國務院陸續出臺《“十三五”生態環境保護規劃》《生態環境監測網絡建設方案》，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環境監測技術體系建設。2018年5月28日，習近平總書記在2018年兩院院士大會上強調，要以關鍵共性技術、前沿引領技術、現代工程技術、顛覆性技術創新為突破口，敢于走前人沒走過的路，努力實現關鍵核心技術自主可控。
因此，在當前背景下，圍繞國家生態環境保護與環境安全的重大需求，深入剖析環境監測技術領域顛覆性技術的發展態勢，思考技術未來的發展方向，有望為我國環境領域科技發展規劃及政策提供決策支撐，為我國環保產業未來優先發展方向提供重要參考。
二、國內外環境監測顛覆性技術發展現狀
19世紀末，英國、美國等國家首先開展環境監測，第二次世界大戰后，隨著工業的迅速發展，英美等國多次發生嚴重的污染事件，引起了世界的廣泛關注，自此環境監測技術開始迅速發展。基于環境監測技術的發展歷程，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境監測的重點，分光光度法和電化學法迅速崛起，并逐步建立起環境污染物檢測標準。電化學法在監測水體中重金屬元素時具有選擇性高、分析準確、可在線監測等優勢，使環境監測技術從實驗室檢測走向了現場、原位、在線分析。在這期間，初步建立了各項環境污染物的檢測標準。
（二）化學發光等技術快速發展，逐步形成環境質量自動監測與分析技術體系
從20世紀80年代開始，英國、美國等發達國家的環境質量明顯好轉，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、固體廢物中的監測組分、監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展，檢測速度更快，監測范圍更廣的光學技術開始引入環境監測領域，并推動了環境監測技術的進一步發展。諸多跨領域的技術開始應用到環境監測當中，如化學發光法以其高靈敏、高選擇性、儀器簡便等優勢在環境監測領域迅速發展，并有效支撐了業務化環境質量自動監測網絡建設。
（三）光學遙測技術獲得廣泛應用，開始構建典型區域大氣環境綜合立體監測網絡
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展，環境監測技術進入新的發展階段。光學遙測技術通常能夠遠距離監測目標環境狀況，避免了取樣、預處理以及實驗室檢測等繁瑣步驟，極大地提高了環境監測效率。2005年以來，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）、衛星遙感等光學遙測技術獲得廣泛應用。
目前我國環境監測單項技術已取得重要突破，初步形成了滿足常規監測業務需求的技術體系。研發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境綜合立體監測系統。基于生物、質譜、色譜的環境監測手段也迅速發展，共同奠定了我國現代環境監測技術體系的基礎。近年來我國在衛星遙感、激光雷達等環境監測技術領域已達到國際先進水平。
為分析全球環境監測領域技術總體研究布局，對1930—2017年的發明專利進行檢索并進行專利技術聚類分析。可以看出，全球環境監測技術專利主要集中于化學發光、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）的環境監測技術專利進行聚類分析，可以看出環境監測技術領域呈現出數據處理、智能監測、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境監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。環境監測領域核心專利國家及地區分布如圖2所示，我國所擁有的核心專利總數量已僅次于美國。我國環境監測技術領域核心專利的不斷增加標志著我國環境監測技術研究已取得顯著進步。
三、環境監測顛覆性技術發展態勢分析
環境監測領域的顛覆性技術與常規技術相比，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優勢，隨著科技的發展，顛覆性技術也通常會演化為常規技術，20世紀50年代發展起來的顛覆性技術，如分光光度法、電化學技術等，已成為當前環境監測領域的常規技術。
隨著光學、電子、信息、生物等相關領域的技術進步，環境監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/色譜分析方向發展；向多監測參數實時、在線、自動化監測，以及區域動態遙測方向發展；向環境多要素、大數據綜合信息評價技術方向發展。
（一）更高精度
國內外已經形成了較為完善的環境標準、監測技術與方法體系，但在大氣復合污染形成過程監測中的大氣氧化性現場監測、納米級顆粒物在線測量、超低排放污染源監測，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，使光學監測技術應用于光化學反應機理研究、工業過程控制、生產安全監控。
（二）更多成分
隨著工業的迅速發展，需要監測的污染物種類快速增加、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、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等已經不能滿足日益增加的檢測項目需求，亟需發展大氣自由基、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
區域立體遙測技術和衛星遙感技術能夠快速準確得到一個區域的污染狀況。發展基于區域立體遙測技術的區域排放、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測和治理提供技術支撐。污染源監測是環境監測的重要內容，通過衛星遙感技術，可對污染源進行快速定位與評估，可對環境污染事故進行跟蹤調查，預報事故發生點、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
未來生態環境污染防治工作手段將會更加科學與智能。發展多平臺、智能化、網絡化，且具有特異選擇性的環境監測儀器，實時獲取環境多要素監測數據，通過對海量、分散變化數據的深度挖掘、模型分析，利用大數據分析區域、流域污染源與環境質量的相應關系，構建智能管理決策平臺，使環境管理向精細化、精準化轉變，實現主動預見、大數據科學決策，形成生態環境綜合決策科學化、監管精準化和公共服務便民化的智慧環保體系。
四、我國戰略需求分析
我國在快速推進工業化、現代化的同時，也更加注重環境質量改善。圖3是2009年以來我國環境監測領域的相關政策。“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念的提出，表達了我國推進生態文明建設的堅定決心，而環境監測技術的發展正是保障生態文明建設順利實施的條件之一。
（一）推動生態環境質量持續改善
“十三五”以來，我國環境污染治理已從排放總量控制過渡到環境質量改善階段。在未來一段時間內，要堅決打贏藍天保衛戰，重點保障飲用水安全，強化土壤污染管控和修復，開展農村人居環境整治行動。但我國生態環境監測網絡仍存在范圍和要素覆蓋不全、監測數據質量有待提高等問題。通過加快推進環境監測技術與設備發展，能夠有效支撐我國生態環境網絡建設。
（二）防范環境風險，保障環境安全
生態環境安全是國家安全的重要組成部分，是經濟社會持續健康發展的重要保障。目前我國環境安全形勢依然嚴峻，突發環境事件處于高發期，對人民安全及生態環境造成了極大的危害。我國針對環境安全的應急技術嚴重不足，在先進應急監測技術領域與國際存在較大差距，難以對環境污染事故進行快速、準確和全面地監測預警評估，極大地制約了對突發污染事故的快速處置及正確決策。
（三）應對全球環境變化與科學評估
隨著環境問題日益國際化，環境保護工作已越來越多地與國家的權益聯系在一起，只有掌握了環境監測的主動權，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，我國環保工作面臨的國際壓力日益增大，環境外交面臨巨大挑戰。因此，要研發相應的環境監測技術及設備，為環境外交提供科學與技術支持。
（四）推動我國環保產業快速發展
環保產業是我國新興產業的重要組成部分，工業和信息化部制定了《關于加快推進環保裝備制造業發展的指導意見》，并指出到2020年我國環保裝備制造業產值將達到1萬億元。但目前我國高端環境監測設備市場仍被國外企業所占據，發展環境監測領域顛覆性技術能夠打破歐美企業對高端環境監測設備的壟斷，提升我國環保企業的市場競爭力，從而推動我國環保產業的快速發展。
五、未來發展展望
生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計。環境監測領域技術與產業發展，一方面要緊緊瞄準國際發展前沿，另一方面更要緊密結合我國實際國情，大力發展具有自主知識產權的先進環境監測技術與設備，推動產業化進程，促進生態環境防治體系的現代化，為建設生態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年環境監測技術的可能發展方向。
環境監測技術主要由物理、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展突破的基礎上，氣、水、土等單項監測和綜合監測技術水平將會得到迅速提升，從而產生對環境科學研究與業務化監測有重要影響的顛覆性環境監測技術，以下列舉出四項可能的顛覆性技術方向。
（一）基于大數據融合的多介質環境與生態系統感知技術
大數據、物聯網、云計算等新一代信息技術的突破發展，為環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新，通過大規模的系統應用和大數據服務，使環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，從經驗判斷向大數據科學決策轉變，真正形成源頭防控、過程監管、綜合治理、全民共治的環境管理閉環，從而實現從“數字環保”向“智慧環保”的跨越。
（二）基于新材料與器件的微型智能化環境要素傳感技術
新材料、新型器件等領域的技術突破，有望為環境監測技術帶來革命性突破或現有儀器性能的極大提升，實現微型化、智能化的環境要素傳感監測。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境監測技術的重大突破。基于微機電系統（MEMS），有望實現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、質譜的環境痕量污染物快速在線監測技術
基于光譜、質譜技術的高端環境監測儀器能夠為環境部門在解決復雜污染問題、有效控制污染源、節能減排、應對環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，有望實現全揮發性有機物、重金屬、超細顆粒物全化學組分等痕量環境污染物的高靈敏、高時間分辨率探測，滿足現代環境科學研究和業務化監測需要，形成較大規模的高端環境監測儀器產業。
（四）基于衛星遙感的區域/全球生態環境要素的高分辨率遙感技術
小衛星、火箭發射等領域的技術突破，有望帶來基于機載和星載平臺的環境污染物遙感監測技術的重大突破，對于提升大氣環境遙感動態監測、農作物估產及農業災害監測能力，提高環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據反演精度，從而實現千米級以內空間分辨率的環境要素區域分布遙感。
六、結語
在環境監測技術與設備方面，國內的技術創新能力正逐步加強，技術儲備和潛力較大，但國產高端環境監測技術設備明顯偏少。因此，提高自主創新能力，加強顛覆性技術的超前布局，是當前十分迫切的戰略任務。針對我國經濟社會發展的戰略需求，研究開發環境監測領域新一代顛覆性技術，將會有效提升我國生態環境綜合監測能力，推動環保產業快速發展。
