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數字環保樹勇技術與方法
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| 發布時間：2014.08.15 瀏覽次數： |
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數字環保實用技術與方法
西安交通大學 林宣雄 （寫于2004年） |
第一章 數字環保概述
1998年1月31日，時任美國副總統的戈爾在美國加利福尼亞科學中心發表了“數字地球 ：二十一世紀認識地球的方式”的演講，引起了全世界的注意。從此無數的科學家對數字地球的內涵、外延及實現技術和方法進行了廣泛、深入、持久的研究，出現了一系列關于數字地球的文章，并且沿襲數字地球的概念進行了延伸和專題研究，形成了一系列研究結果。
地球是人類賴以生存的星球，人類在自己生存、繁衍、進化的漫長過程中，逐漸對地球的性狀特征有了了解，人類就是在對地球的逐步認識的過程中，發展了自己，并把建立在地球上的文明推進到了今天的程度。浩瀚的星河體系中，地球是唯一承載生命的星體，它的內部結構和外部表現以及呈現出來的自然規律對于人類極其重要，古往今來，無數文人學者，懷著極其敬畏的心情，研究地球，描述地球，為人類利用地球、開發地球和保護地球提供了有益的參考，然而不管研究的個體或者研究的群體，他們窮其一生或者從古至今的全部研究的綜合，都不足以全面透徹地描述地球，只有到了今天，利用現代科學技術的數字地球方法才有可能第一次系統的、全面的描述地球。數字地球方法也是第一次可以精確地、定量化地刻劃地球的方法，這種精確的、定量化的地球特征（資源）屬性的刻劃和文字的、定性的地球規律性的描述構成了人類對于地球的全部知識。數字地球方法是人類描述地球的最新方法，將為人類利用地球、開發地球和保護地球提供全面的、精確的、體系化的參考。
什么是數字地球和數字地球方法呢？數字地球就是信息化地球，它包括全部地球資料的數字化、網絡化、智能化和可視化的處理在內，是一個以信息高速公路（NII,GII）為基礎，以空間數據基礎設施（NSDI,GSDI）為依托而更加廣泛的概念。數字地球從數字化、數據建模、系統仿真、決策支持一直到虛擬現實，是一個開放的復雜的巨系統，是一個全球綜合信息的數據系統工程，其特點是空間性、數字性和整體性。數字地球的主要支撐技術有：計算機及網絡技術、衛星遙感(RS)技術、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS) 、虛擬現實(VR)技術、海量數據存儲與處理技術、衛星圖像智能處理技術、大型數據庫技術等等。數字地球方法很簡單，就是用這些技術刻劃描述地球的方法。
當理解了數字地球概念和內涵后，衍生出一些專題化的概念并賦予相應的內涵就不難了。數字地球研究顯然是一個全域研究，當拆分數字地球研究為若干個（領）域時，就形成了數字地球的專題研究，數字環保就是這樣的專題之一。
環境保護是人類作用于地球的一項專業活動，把這樣的活動信息化就是數字環保，數字環保就是信息化環保，而用數字地球技術實現數字環保就是數字環保技術，其過程就是數字環保工程。數字環保的出現將使目前對環保分散的、局域性的研究更趨于系統性、整體性和協調性。
第一節 環境保護與數字環保
環境保護是一項政策性、技術性很強的工作，只有在國家環境保護法律框架下，依賴科學技術進步才能做好。隨著經濟的多元化迅猛發展，呈現出的環境問題錯綜復雜，給人們對環境問題的認知和判斷決策造成了巨大的困難，尤其是當這種問題具有無序性、海量性、交錯性和無限時域性時，超出了人類的認知判斷能力就是必然的了。環境保護問題是人類在經濟發展過程中碰到的新問題，處理這種關聯性與漸變性極強、時空跨度極大的環境問題需要新思路、新方法、新技術和新體系，數字環保是源自數字地球的、近十年人類最新研究成果，是解決環境問題的最新且最有效的途徑和方法。
從抽象的層面看，我國的環境保護有四大環節，這四大環節就是環境治理、環境監控、環境管理和環境決策，它們構成一個閉合的、雙回路的循環體系（圖1.1），這個循環體系就是中國環境保護的大循環體系，任何國家的環境保護要有效，必須要構成有效的循環體系。目前我國的環境保護尚沒有構成有效的循環，這是我國環境保護的薄弱所在，也是困難和壓力所在，使之有效循環起來是我國環境保護工作努力的方向。
從圖1.1可以看出，我國環保大循環中有三個環節都直接與環保信息化有關，這就說明推行數字環保將對我國的環境保護起到極其重要的作用，這同時也說明數字環保是我國環境保護工作奮斗的方向，因此大力地、全面地在我國推行和實施數字環保是環保領域的當務之急。
第二節 我國數字環保的發展
我國的環境保護歷史不長，基本上是在改革開放以后才得到重視和發展的，較之于其它領域，無論是從理論層面還是從技術層面來看，基本上還處在初步發展階段。環境保護在應用科學技術方面由于受投入的制約，動作和進展都不大，落后于其它領域，其信息化水平不高，環保信息化只是當數字地球提出以后，尤其是數字環保被提出之后，才進入了快速發展的時期。
數字地球提出后，引起了全世界的強烈反響，我國的學者也紛紛加入了研究的行列，并衍生出了一系列專題研究，數字環保就是這樣的專題之一。數字環保的提出應該追溯到2000年，當時還是作為一種理念和口號提出的，沒有為其注入明確的內容和翔實的技術細節，業界同仁基本上也是將其視作口號和理念權且聽之，甚至帶有某些懷疑，視其為時髦的口號，沒有引起業界學術權威和環保最高官員的重視，數字環保經歷了最初的自發發展過程，后來隨著數字地球研究的強勁，帶動了數字環保的發展，人們認識到數字環保對環境保護的重要性和實施的現實可能性，業界的學者展開了比較系統的研究，研究結果得到了業界行政官員的重視，終于2002年寫入了我國環�！笆濉庇媱澲�，數字環保得到了正式的認可，有了學術和官方的雙重地位，數字環保的研究開始步入了健康發展的軌道。
數字環保的研究內容廣泛，綜合性極強,并有相當的縱深，是一個跨學科的系統工程，不可能一蹴而就。數字環保的工程實現一般會滯后理論研究，但又相輔相成，呈現交錯的特征。研究與實現決定了我國數字環保發展的速度和軌跡。 我們可以從一般意義上來概括我國數字環保的發展階段。
我國數字環保的發展可以劃分為三個階段（圖１.2）。第一階段為概念階段，這個階段在學術上基本上停留在概念的提出、詮釋和內涵的確定上，缺乏創新和體系；第二階段為數字環保體系建立和相應基礎設施建設階段，這個階段將會對數字環保的內涵進行深度的挖掘和提煉，形成體系，從而使數字環保有明確的內容，合理科學的體系；第三階段為數字環保的深度實現階段，這個階段是數字環保全面地、有計劃地實施的階段。應該說，我國數字環保的發展基本上越過了第一階段，進入了第二階段，目前這個階段至少要持續五到八年的時間，而第三階段則要持續十五到二十年的時間。
數字環保是把最新的現代科學技術應用到環境保護的一次偉大嘗試，是從理論和技術兩個方面推進我國環境保護的重大舉措，數字環保將在我國環保發展史上留下重要的篇章。
第三節 數字環保內容體系
數字環保是一個內容豐富、涵蓋廣泛、開放的、復雜的巨系統，是一個包含兩個基礎設施、七大技術、三個處理、三個過程的集合（圖１.3），這個集合構成其內容體系。
圖1.3 數字環保的內容體系
從圖１.3可以看出，信息基礎設施是數字環保的基礎的基礎，缺失了這個基礎便無以實現數字環保，空間數據基礎設施是實現數字環保的關鍵，而七大技術是實現數字環保的支撐，三個處理是實現數字環保的輔助，而三個過程則是實現數字環保的目的，毫無疑問，實施數字環保工程的目的就是為環境決策服務的，這是它的終極目標。數字環保的內容體系給出了實現數字環保的基本框架，循此，我們可以根據輕重緩急、經濟能力、現實條件進行總體規劃，并設計分步實施的方案，這是第六節涉及的內容。
內容體系是從一般的意義上勾勒實現數字環保的框架，是一個概念框架，并沒有與實際的基礎設施建設過程、應用過程、決策支持過程相結合，它涉及的是概念層次，而第六節的數字環保規劃則是數字環保的實施層次，這兩者是有區別的，但又是相互聯系的。
從這個內容體系或者說概念框架出發，我們就可以形成實現數字環保的實際抽象模型（圖１.４），也就是數字環保的實施模型,這個模型是第六節數字環保規劃的基礎。
環保信息基礎設施EPNII是跨地域的，環�？臻g數據基礎設施EPNSDI也是跨地域的，而環保業務應用系統是地域分布的，但縱向上是垂直層級共享的，體現了縱向上的貫通，符合環保行政管理的縱向貫通性，即政令的暢通和信息的共享，而環境信息共享系統和環境決策支持系統是高層次、高聚合、全收斂的高級應用形態，是數字環保的精髓所在。
第四節 數字環保信息管理規則與體系
數字環保的實施將在海量數據的基礎上，經過加工、處理并分類形成海量的信息，信息是數據經過加工而形成的，這個加工的過程就是應用程序的功能體現（圖1.5）。某種意義上，信息的有用性、效率或者說信息的效用或效能將決定數字環保實施的成功與否。顯然，建立信息管理規則和體系是確保信息效用或效能的前提，因而建立信息管理規則和體系是極為重要的。
由圖１.5可知，應用程序建立在數據集合之上，并產生信息集合，當然也有很多應用是建立在信息集合之上的，這種情況，應用程序產生的信息集合是新信息集合。
信息管理的目的是充分發揮實施數字環保后產生的巨量信息的效用，讓信息在環境管理和決策中發揮作用。那么信息管理的內容是什么呢？從圖１.5可以看出，信息是由應用程序產生的，也就是由各環保業務應用系統產生的，因而信息管理有三方面的內容：⑴數據庫規劃，⑵應用系統規劃，⑶信息標準的制定。數據庫規劃要考慮信息的分布形式，是全集中還是全分布，抑或是集中分布相結合。環境信息是國家信息，要標準統一，因而全分布是不可行的，而根據中國的國情做到全集中又是不現實的，同時也是沒有必要的，中國的環保行政管理模式決定了集中分布式的信息分布格局是最合理、可行的。中國的環保行政管理模式是一個金字塔模式（圖１.6）,這樣，數據庫便可被規劃為四級，即：⑴******（中央級），⑵省級（中樞級），⑶縣地市級（中心級），⑷企業級(基礎級)，每一級根據專題和分類又由若干個數據庫構成，它們構成數據庫集合(圖1.7)。每一級基本上只有兩大類數據庫，這就是分類數據庫和專題數據庫，也就是按專題和分類進行層級數據庫規劃設計，除了企業級之外，每一級數據庫的元素相差不大，但數據粒度（Granulate ）不同，愈往上愈宏觀，愈往下愈微細。為每一級規劃了數據庫之后，就需要為每一級規劃相應的應用系統，應用系統產生信息存儲在相應的數據庫中（圖1.8）。每一層數據庫數量不等（n,m,k,l的值可以相等也可以不等），但對應用系統來說，除了企業級比較特殊之外，******、省級和縣地市級的應用系統有相當的對應性，體現了環保業務指導的垂直性。有了以上兩個規劃，還需要信息標準的制定，這是極為重要的，舍此前面兩個規劃就沒有意義。信息標準的制定也要按照層級來進行，******信息標準，省級信息標準，縣地市級信息標準，分成三級，要確定每一級數據庫的種類，數據庫的字段和字典。制定信息標準是基礎性工作，做好了就為應用系統的開發奠定了良好的基礎，這樣可以有效克服信息的交叉性、重疊性和矛盾性，保證信息的效用或效能。
數字環保信息管理的內容如上所述，那么信息管理的規則就是維護并確保全國環境信息一盤棋的格局，全國的環境數據庫規劃和每層環境數據庫規劃要嚴格一致，全國的環境應用規劃和每層環境應用規劃也要嚴格一致，而這兩個縱橫向規劃又是建立在信息標準之上的。這個信息標準可以概括為層級數據庫，數據庫集合，數據庫字段和數據字典，它構成數字環保信息管理的信息標準體系（圖1.9）。
遵循信息管理規則和體系就能為數字環保積累巨量有用的信息，避免信息垃圾的出現，為我國環境保護提供寶貴的信息資源。
第五節 數字環保需求分析方法和要點
數字環保是被環保界廣泛接受并努力實施的浩大工程，其成功實施將極大地推動我國的環境保護工作。那么如何實施好數字環保工程呢？
毫無疑問，充分挖掘數字環保的需求是成功實施數字環保的基本前提，那么什么是數字環保的需求呢？數字環保是一個復雜的系統工程，牽涉面廣，應用的技術眾多，應用系統繁雜，如何提煉其需求呢？數字環保的需求分析本身就是一項復雜、困難的工作。
我們知道，對于一個具體的應用工程，抓準抓全其需求就等于成功了一半，眾多應用工程失敗的重要原因之一就是因為需求沒搞準，或者是因為工程進展過程中需求發生了變化，而設計還是針對變化前的需求。這里就提出了一個通常遇到的問題：如何確定穩定的需求和不穩定的需求。穩定的需求是指不隨時間而變化的需求，這里有三種表述：①同一時間組織內不同個體對其認知是相同或一致的，②組織內任一個體在不同時間對其認知是相同或一致的，③組織內不同個體不同時間對其認知是相同或一致的。解決不穩定需求問題是最困難的工作，工程的成敗系于此。應用工程的風險在于如何甄別不穩定的需求，把不穩定的需求當作穩定的需求當然導致工程的失�。ㄟ@種事件的概率很大，教訓不勝枚舉），把穩定需求錯認定為不穩定需求當然影響工期（這種事件概率不是很大）。不穩定的需求有兩類：①需求本身是穩定的，存在明確的定義，只是人們的認知由于各種復雜的因素導致歧義，這類不穩定的需求只要完成一個去偽存真的過程就可以了，當然這種過程有時是耗時的、費力的；②需求是時間和人們主觀意識的函數，不存在明確的定義，這種需求在相當時間內難以穩定，在組織內個體間認知難以收斂，前者主要表征為業務變化的需求，后者主要表征為決策者需求（不同的決策者有不同的思維習慣、決策方法和決策過程），處理這種不穩定需求的做法就是在規定的時間內強制穩定，在不同的個體間強制收斂，這是取舍，這是折衷，實現的方法有很多，這里不再贅述。不穩定的需求是項目工程把握中最需重要的，最不可以掉以輕心。 對于項目工程需求方面，我們通常碰到的一個普遍現象就是，開始需求是模糊的，繼而需求是膨脹的，無休無止，使得項目經理或主管難以確定工期（Dead line）,從而導致工程延期（Delay ）。這種現象在軟件應用工程上尤其明顯。數字環保工程是一個復雜、重要的國家工程，其中有許多重要的、龐大的環保業務應用系統，充分注意分析其不穩定需求是極為重要的，是確保成功、避免風險的關鍵所在，因此在展開本小節之前就對此作了強調。
既然數字環保是一個大系統、復雜系統、綜合系統，因而簡單系統需求分析方法不完全適合數字環保需求分析�；诖�，我們需要應用總分、分總的分析方法，只有這樣才能把握數字環保的需求分析，否則形成的需求難以涵蓋需要的功能，實現的功能難以滿足應用的實際，從而使巨資投入的數字環保工程沒有達到建設目標和應有的效果。
綜上，我們來考慮數字環保的需求時，就有三問：⑴什么是數字環保的總需求和分需求，⑵什么是數字環保的宏觀需求和微觀需求，⑶什么是數字環保的穩定需求和不穩定需求，這三問構成數字環保需求分析的思路框架（圖1.10）。
數字環保的總需求分析著力于全國層面的數字環保構架，解決******環保信息基礎設施（EPNII）建設和******空間數據基礎設施（EPNSDI）建設問題（金環工程的******網絡），包括建設規模、投入和時間考慮等。分需求分析著力于區域級數字環保的構架，解決區域級環保信息基礎設施建設和區域級環�？臻g數據基礎設施建設問題（金環工程的區域級網絡），包括區域級網絡按東西南北中分布或按省/自治區為單位分布的必要性、可行性等�？偡中枨蠓治鼋鉀Q的是數字環�；A性、平臺性需求問題，是基礎需求，和業務需求、管理需求和決策需求有區別。這里僅僅是從需求層面涉及數字環�；A設施規劃問題，詳細的內容請見第六節。
宏觀需求和微觀需求涉及的均是基礎設施之上的應用系統需求，可以分為三級：國家環保應用系統、省級環保應用系統和縣地市級環保應用系統。宏觀需求反映的是這三級的決策需求，微觀需求反映的是這三級的管理和業務需求。三級的宏微觀需求均有可能出現不穩定的需求，這是必須高度重視的。
圖1.10僅僅反映了需求的兩個層次和兩個大類，即總分兩個層次和宏微觀兩個大類�？偡謨蓚�層次的需求比較簡單，分析起來不復雜，復雜的是宏微觀兩個大類的需求。這兩個大類的需求又有很多的層次，至少包括******、省級和縣地市級三個層次，而宏觀類需求的每一層次又有兩個方面，即環保局和政府兩個方面，微觀類需求牽涉面更廣，更復雜，會與環保的業務緊密相關，環保的業務范圍廣，而且在擴大變化，因而微觀類需求的分析會更耗費時間和精力。
數字環保的需求龐雜，不論在哪個層次都不會簡單，不遵循一定的方法就很難厘清。本節給出了兩大層次和兩大分類的分析思路，事實上只有采用分層分類的方法才能把數字環保的需求分析清楚，從而使建立在需求分析基礎之上的應用系統發揮作用。
數字環保需求分析的要點就是站在數字環保全國一盤棋的高度，不論在哪一個層次，都要注意縱向上的上下連接，橫向上的內（環保局）外（政府）兼顧，并進行分層分類，這樣才能把需求做好，把數字環保工程實施好。
第六節 數字環保規劃
第七節 數字環保整體解決方案
數字環保是一個綜合的、極其復雜的大型信息系統，其間會使用各種各樣的技術和方法，會涉及基礎平臺的構架和應用系統的規劃，以及綜合決策支持系統的設計等等內容，會涉及一系列技術問題和應用難題，對于這樣大型復雜的系統工程，認真考慮整體解決思路，提出整體解決方案，對于實施好數字環保工程將極具裨益。
如何來考慮數字環保的整體解決方案呢？又如何來提出數字環保的整體解決方案呢？這是首先要解決的問題，這也是方法學（Methodology）問題。
數字環保的實施無論從時間跨度、地域跨度、內容跨度、技術跨度等均是史無前例的，其整體性考慮和實施的地域板塊性、分層性、時間順序性和內容交錯性等考慮是必須結合起來的，顯而易見，以下幾個方面是這種考慮的思維框架：①地理上的全國總架構和幾大板塊考慮（環�；A設施方面），②內容上的全國總架構和主分系統考慮（應用方面），③分層考慮和層級同一系統之間的數據銜接，④全國數據庫的總架構和層級數據庫的設計和分布，⑤每一層級的整體解決方案（******、省級、縣地市級），⑥七大技術的指標確立和支撐平臺選擇（如GIS的比例范圍、RS分辨率、GPS的定位精度、數據庫的處理速度和存儲容量等的確定，以及提供包含這些技術的系統的廠家選擇等），⑦通信協議標準、數據交換協議標準、軟硬數據接口協議標準、狀態檢測控制標準、數據備份和安全標準、系統之間互操作（Interoperation ）標準等，⑧應用結構模型設計（如數據層、業務層、業務邏輯層、表示層等設計確定），⑨系統建模和仿真及專家庫知識庫設計⑩基礎設施建設和應用系統開發驗收標準。
數字環保的信息基礎設施平臺構建是個基礎性工作，要考慮布局和建設的先后順序，遵循整體規劃、分步實施的原則，開始的時候可以粗布局，然后逐漸細化、豐滿，達致全國成網,圖1.11是其邏輯構架。
根據圖１.11，可以依據整體考慮和輕重緩急先設一個國家中心和若干個區域分中心，形成一個粗框架，然后逐步走密，最終形成全國環保信息高速公路（EPNII）�；A設施的建設既可以專網之路，也可以借助現有網絡走VPN(虛擬專網)之路。前者建設經費巨大，但效果好，后者建設費用較低，但依附于它網，缺失獨立性，應用的展開將有可能受到限制。第三條道路就是將這兩條路結合起來，主干走專網，區域網或部分區域網走VPN，主干網的敷設和VPN的使用同時進行，根據需要逐漸較少VPN的比重,這要根據應用要求、投資可能性和現實可能性進行折衷選擇決策。
圖１．１２是環保業務系統的邏輯構架，圖中的業務分系統是建立在環保信息基礎設施（ＥＰＮＩＩ）之上的基于廣域網（ＷＡＮ）的應用系統，構成金字塔縱向應用分布結構（圖1.13）,數據按金字塔進行分布和收斂，而層級應用系統（圖中未畫出）是基于局域網（ＬＡＮ）的。層級應用系統基于亞鈴模型（Ｄｕｍｂｂｅｌｌ�。停铮洌澹欤┱归_（圖1.14），強調應用和數據的對稱性、應用的集成性及數據的共享性。
圖1.11、圖1.12、圖1.13和圖1.14勾勒出了數字環保信息基礎設施和應用總體方案的總體框架，循此可以進行細化，派生出基于環保信息高速公路的一系列應用。
此外，環�？臻g數據基礎設施（EPNSDI）的構架應該充分考慮國外商用衛星、國內專用衛星，特別是環保專用小衛星的利用，充分考慮分辨率的交叉互補，建構長期提供數據源和通道的環�？臻g數據基礎設施，確保通道的足夠容量、數據更新的足夠頻度，使數字環保不但反映環境的全面性，也滿足環保的動態性要求，以充分發揮數字環保在我國環境保護中的作用。
第八節 數字環保的實施
數字環保工程是國家工程，完成了整體規劃，確定了整體解決方案之后，剩下的就是按部就班的實施了。和別的國家工程一樣，數字環保工程的實施也面臨著三個問題，這就是：①誰建設，②誰應用，③誰管理。這三個問題一開始就要想好、想透，落實到位，否則這種耗時耗錢的工程將難收成效，使決策造成的浪費不可估量。凡事預則立，不預則廢,事前把這三個問題作充分考慮，把建設主體、應用主體和管理主體確定清楚就可以避免后續一系列問題（圖1.15），確保工程實施的順利進行，并收到預期的效果。
數字環保工程的建設主體是誰呢？顯然建設主體有三個層次：①數字環保工程建設的國家主體，②數字環保工程建設的地方省級主體，③數字環保工程建設的地方地市級主體。這里牽涉到國家財政、國務院和國家環�？偩�，地方財政、地方政府和地方環保局，而地方這一層次又可細分為兩到三個更細的層次，即省、地市或省、地市、縣。經費的統一預算和分擔，建設的分段進行和銜接，工程的總指揮和分段負責，工程的分集成和總集成,工程的分調試和總調試，工程的分驗收和總驗收等等，這些都是必須一開始就要考慮清楚的,要非常明確,切切不可含糊不清,一定得把這種前期工作量下足,以避免另起爐灶、推倒重來，避免決策失誤造成重大損失，當然，還不可缺少對過程的監督，以避免由于失察造成的損失。
數字環保工程的應用主體更加復雜，毫無疑問，將有無數的應用個體接觸、應用數字環保系統，這里會有四類應用人員：①業務操作人員，②管理人員，③決策人員，④系統維護管理人員。把系統維護管理人員單獨考慮，其余三類應用人員構成應用的三大需求，即業務需求，管理需求和決策需求，又考慮到國家、省、縣地市三級，那么數字環保應用就有三大類別、九個層次（圖1.16）。應用主體的類別和層次劃分主要目的在于弄清應用需求，使數字環保工程的最重要部分—應用落實到位，從而發揮數字環保的效用。
管理主體是確保數字環保工程建設好、長期運行應用好的保障，確切地說，管理主體應該是運行維護管理主體（簡稱管理主體）。從圖1.15可以看出，它和建設主體、應用主體都發生關系，應用主體中的系統維護管理人員屬于管理主體的一部分，是很重要的一部分但不是全部。管理主體的考慮要涉及三個方面：①管理機構設立，②管理人員選擇確定，③管理經費預算和保障。通常建設主體不能代替管理主體，但管理主體中有建設主體中的人員，管理機構應該是第三方的，應主要由多層次的專業人員組成，依賴他們承擔數字環保系統的運行維護管理工作。
數字環保工程是一個重要而龐大的系統工程，要強調基礎、應用和管理，基礎設施是基礎，應用是根本，運行維護管理是保障。 | |
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