導語：高速公路環(huán)境保護監(jiān)管系統(tǒng)設計研究一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:依托互聯(lián)網、物聯(lián)網及大數(shù)據技術，航空遙感監(jiān)測技術與地面監(jiān)測手段強有力結合，以環(huán)保信息的一體化、定量化、實時化、自動化、網絡化及智能化為目標，設計構建天地一體化環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)高速公路建設期環(huán)保監(jiān)測和管理模式的跨越式發(fā)展。系統(tǒng)由地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)保監(jiān)管中心和大數(shù)據平臺組成，實現(xiàn)對公路沿線難以到達區(qū)、信號難覆蓋區(qū)施工階段產生的環(huán)境污染進行實時監(jiān)控與定量評價，并首次探索建立地表創(chuàng)傷面模塊，形成建設期獨特的技術方法體系、分類標準及數(shù)據處理與分析中心，最終達到高速公路建設期環(huán)境保護實時動態(tài)監(jiān)管的目的。

關鍵詞:高速公路建設期;天地一體化;物聯(lián)網;環(huán)境保護;監(jiān)管系統(tǒng);衛(wèi)星遙感監(jiān)測

據交通運輸部最新統(tǒng)計數(shù)據顯示，截至2018年底，我國高速公路總里程突破14萬km，位居世界第一。伴隨著公路的高速發(fā)展，公路及其對周邊區(qū)域的環(huán)境影響也隨之凸顯［1］。目前，我國交通產生的污染占污染總量的20%左右，并且將很快超過工業(yè)污染而成為污染的最主要部分，控制交通污染迫在眉睫［2］。高速公路建設期是對環(huán)境影響最大且最為多變的時期，如不及時采取有效措施，將會對沿線造成不可逆的環(huán)境破壞。清理施工場地或開通道路時可能清掉珍稀或值得保護的植物，施工過程中造成水土流失、景觀破壞以及噪聲、水、大氣和固體廢棄物污染等。目前公路環(huán)保工作的重點集中在建設前的環(huán)境影響評價和建設后的“三同時”竣工驗收，建設期的環(huán)境保護非常薄弱，管理不規(guī)范，致使引起的環(huán)境問題突出［3］。需要有效控制高速公路建設期帶來的環(huán)境問題，順應技術領域發(fā)展的新要求和智慧高速公路建設的新形勢。高速公路建設帶來的環(huán)境問題已引起國內外學者的廣泛關注，并開展了大量研究［4］。然而大多數(shù)研究都是基于傳統(tǒng)的實地采樣方法和定性評價［5－7］。隨著遙感技術成為全球對地觀測的有效工具［8］，90年代起遙感技術逐漸應用于公路環(huán)境問題的相關研究中［9－11］，但建設期研究相對較少，主要集中在大氣、水、地質災害、生態(tài)環(huán)境及環(huán)境管理等方面。涉及自然保護區(qū)、飲用水水源地等生態(tài)敏感區(qū)的公路建設期環(huán)境保護、植被恢復及取棄土場、棄渣場及混凝土攪拌場等臨時占地及大型臨時工程連續(xù)動態(tài)監(jiān)測和定時環(huán)保監(jiān)管的研究仍為空白。近些年，國內水、氣、聲地面自動監(jiān)測系統(tǒng)快速發(fā)展，技術方法相對較成熟［12－13］。然而公路建設期仍以人工監(jiān)測方法為主，采用移動便攜設備或取樣實驗室分析方法，尚無長期穩(wěn)定的自動監(jiān)測體系。此外，公路建設期尚未建立統(tǒng)一的監(jiān)測標準規(guī)范、方法體系、污染治理措施，造成監(jiān)測標準不足、監(jiān)測對象失實、數(shù)據庫不統(tǒng)一等問題，給后續(xù)的管理和決策帶來一定難度。同時，目前國內環(huán)境要素地面在線監(jiān)測的應用大多數(shù)僅實現(xiàn)了監(jiān)測和預警，未能與后端及其他環(huán)境要素聯(lián)動管理。物聯(lián)網的出現(xiàn)將改變這一現(xiàn)狀［14］。探索將公路建設的環(huán)境監(jiān)測與物聯(lián)網聯(lián)動，大尺度的航空遙感監(jiān)測技術與小尺度的地面監(jiān)測手段強有力結合，構建天地一體化環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)［15］，實現(xiàn)公路建設期環(huán)保監(jiān)測和管理模式的跨越式發(fā)展。系統(tǒng)圍繞獲取大范圍、動態(tài)的宏觀和微觀環(huán)境信息，對環(huán)境可能或己經產生的污染破壞作用進行監(jiān)測和評價，及時、科學、準確地掌握建設期產生的環(huán)境問題，增強生態(tài)環(huán)境破壞和污染物時空分布與變化分析能力，加強環(huán)境事件防范和處理能力，進一步提高環(huán)境突發(fā)事件應急監(jiān)測的時效性、準確性，將人類活動對環(huán)境造成的不利影響限制到最小程度，確保公路工程項目建設持續(xù)健康發(fā)展。

1系統(tǒng)總體設計

1．1建設目標。系統(tǒng)建設目標如下:①將RS、GPS、地面在線監(jiān)測儀及云計算平臺等技術有效結合，搭建天地一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)全過程信息化、監(jiān)控實時且可追溯、異常預警及數(shù)據統(tǒng)計分析等功能;②高速公路建設期環(huán)境問題最為突出，會帶來景觀破壞、植被破壞、水土流失及施工揚塵污染等一系列環(huán)境問題，通過建立天地一體化環(huán)境監(jiān)管體系，實現(xiàn)天地一體化理念;③利用物聯(lián)網技術，達到環(huán)境監(jiān)管的網格化、精細化及智慧化目標，實現(xiàn)對施工場地遠程監(jiān)視、自動報警、控制、診斷及維護，使建設單位通過手機APP或電腦客戶端，實時獲取準確的監(jiān)測信息、超標位置及突發(fā)事件，為環(huán)境監(jiān)管提供技術支撐;④采用遙感手段，有效解決公路沿線難以到達區(qū)獲取數(shù)據難、周期長及成本高等問題，實現(xiàn)對公路難以到達區(qū)環(huán)境問題實時、快速和有效監(jiān)管。1．2技術架構。天地一體化環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)設計以實現(xiàn)環(huán)保信息的一體化、定量化、實時化、自動化、網絡化及智能化為目標，由傳統(tǒng)的地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和基于新型遙感監(jiān)測技術的衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)組成。其中，地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、大氣環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和噪聲環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。首先，選取有代表性的環(huán)境污染區(qū)作為監(jiān)測區(qū)域;其次，根據監(jiān)測區(qū)環(huán)境污染特征搭建降塵、TSP、PH、SS、溶解氧等監(jiān)測因子傳感器;然后，通過ZigBee或GPRS網絡傳輸?shù)椒掌鹘K端;最后，基于數(shù)據服務中心對數(shù)據進行接收、處理和分析。衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據獲取、信息傳輸、信息處理和信息應用。以多時相多空間分辨率的多光譜、高光譜等多源衛(wèi)星數(shù)據為主要數(shù)據源，通過互聯(lián)網傳輸?shù)竭b感影像實時接收及處理平臺，然后在構建的輻射校正、大氣校正等預處理模塊進行信息處理，形成天地一體化衛(wèi)星遙感數(shù)據庫，并通過構建人工干擾模塊和地面創(chuàng)傷面對路域生態(tài)環(huán)境和固體廢棄物進行定量監(jiān)測及實時評價。最后，采用遠程監(jiān)控中心和用戶終端成果應用，完成地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)的有機結合，最終實現(xiàn)對水環(huán)境、大氣環(huán)境、噪聲環(huán)境、生態(tài)環(huán)境及固體廢棄物的實時遠程監(jiān)控、自動報警、控制、診斷和維護。技術架構如圖1所示。

2研究內容

系統(tǒng)主要是基于衛(wèi)星遙感和地面監(jiān)測搭建的天地一體化環(huán)境監(jiān)管平臺，通過互聯(lián)網、物聯(lián)網等技術實現(xiàn)空間信息獲取的一體化和智能化，空間數(shù)據處理的自動化、定量化和實時化，空間信息分發(fā)與應用的網格化，空間信息服務的靈性化和大眾化。2．1衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)密切結合涉及自然保護區(qū)的高速公路工程建設項目，在實際調查、分析研究現(xiàn)有資料和地面歷史數(shù)據的基礎上，針對施工期產生的棄土棄渣、水土流失和植被恢復等生態(tài)環(huán)境問題提出地表創(chuàng)傷面和人工干擾模型的研究。2．1．1構建建設期地表創(chuàng)傷面環(huán)境監(jiān)管子系統(tǒng)。針對工程施工過程中產生的取棄土、渣等引起的地表創(chuàng)傷面環(huán)境問題，促使建設單位貫徹落實“邊建設邊恢復”的環(huán)保政策，落實施工主體方責任，督促推進生態(tài)植被恢復與重建，擬采用最新的基于改進稀疏編碼檢測方法，對整個擬建公路路線評價區(qū)域的地表創(chuàng)傷面進行連續(xù)動態(tài)變化監(jiān)測。建立公路評價區(qū)建設期地表創(chuàng)傷面環(huán)境監(jiān)管子系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個路線施工期的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測和實時環(huán)保監(jiān)管，確保對每個標段的實施進度和完成情況實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)管，降低施工建設對周邊區(qū)域環(huán)境的影響程度。2．1．2基于人工干擾模型的敏感區(qū)環(huán)境監(jiān)管子系統(tǒng)。以項目涉及的水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等敏感區(qū)為研究對象，選取代表性的土地利用/覆蓋、植被覆蓋度、水土流失、動物棲息地及動物通道有效性等指標，構建基于人工干擾模型的敏感區(qū)環(huán)境監(jiān)管子系統(tǒng)。其中，植被覆蓋度指標測定采用新的周期和長期趨勢分解與斷點識別［16］(BreaksforAdditiveSeasonalandTrend，BFAST)算法。BFAST算法由Verbesselt等于2010年提出，是基于遙感數(shù)據進行植被干擾識別的一種新方法。敏感區(qū)環(huán)境監(jiān)管子系統(tǒng)旨在探索采用新的定量評價方法研究公路兩側0～300，300～600，600～1500，1500～2500，2500～4000，4000～5000m范圍的人工干擾指數(shù)和干擾程度，定量評價敏感區(qū)內人工干擾的連續(xù)動態(tài)變化態(tài)勢及工程施工對道路兩側人工干擾的最大影響范圍。2．2地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括水環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、大氣環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和噪聲環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。3個子系統(tǒng)的搭建均基于ZigBee網絡或運營商網絡的無線傳感器網絡。水環(huán)境子系統(tǒng)主要采用傳感器方式對PH、SS、溶解氧、COD及石油類等參數(shù)進行自動監(jiān)測，監(jiān)測點位布設在水源地、影響區(qū)水環(huán)境、橋粱及隧道施工廢水等位置。大氣監(jiān)測指標為降塵、TSP、PM10等，布設的監(jiān)測點位為公路施工堆料場、拌和站、瀝青拌合站、灰土拌合站及施工便道等。噪聲監(jiān)測指標為A聲級標準計權網絡，布設的監(jiān)測點位為瀝青拌合站、灰土拌合站、路基施工點、路面施工點、橋粱、隧道、施工打樁作業(yè)、敏感建筑物附近及施工便道等。同時，對3個子系統(tǒng)獲取的數(shù)據建立地面數(shù)據服務中心，實現(xiàn)數(shù)據分類存儲管理和查詢調閱。地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)建設期全過程大氣、水及噪聲等環(huán)境要素信息化，監(jiān)控實時且可追溯，具有異常預警及數(shù)據統(tǒng)計分析等功能。2．3環(huán)保監(jiān)管中心。2．3．1地面遠程監(jiān)控中心?；诘孛姝h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立地面遠程監(jiān)控中心，將傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據通過網絡發(fā)送給數(shù)據服務中心和地面遠程監(jiān)控中心。終端用戶可以通過地面遠程監(jiān)控中心進行實時監(jiān)測，通過選擇設計界面實現(xiàn)監(jiān)控水、聲、氣等環(huán)境要素污染物排放情況，根據監(jiān)測界面，科學有效地對建設期環(huán)境要素的狀況進行分析，掌握公路建設期環(huán)境要素監(jiān)測指標的情況，根據出現(xiàn)的問題，及時提出解決方法，從而為環(huán)保監(jiān)管提供技術支持。2．3．2遙感定時監(jiān)管中心?；谛l(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)建立遙感定時監(jiān)管中心，通過網絡將遙感數(shù)據及其產品發(fā)送到衛(wèi)星遙感數(shù)據庫和遙感定時監(jiān)管中心。終端用戶可以通過遙感定時監(jiān)管中心實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境破壞情況的監(jiān)管，科學有效地對建設期生態(tài)環(huán)境的狀況進行分析，及時掌握公路建設期生態(tài)環(huán)境的破壞和恢復情況，提出解決方法，進而為生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管提供數(shù)據支撐和決策依據。2．4環(huán)保監(jiān)管大數(shù)據平臺。基于監(jiān)測系統(tǒng)獲取的衛(wèi)星遙感、地面監(jiān)測等環(huán)保相關數(shù)據，建立環(huán)保監(jiān)管大數(shù)據管理與分析平臺。平臺以期挖掘出公路建設期重點污染因子的成因、分布范圍及其特點、公路行業(yè)環(huán)保發(fā)展趨勢特征及行業(yè)環(huán)保區(qū)域差異情況等數(shù)據。2．4．1基于大數(shù)據的環(huán)保監(jiān)管數(shù)據庫環(huán)保監(jiān)管數(shù)據庫集成公路項目相關的空間及屬性數(shù)據，主要由地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據服務中心和衛(wèi)星遙感監(jiān)測中心的天地一體化數(shù)據庫組成，具有海量、多樣、復雜、集成、時效的大數(shù)據特征［17］。搭建大數(shù)據支持下的公路建設期環(huán)保系統(tǒng)信息管理方法、環(huán)保系統(tǒng)數(shù)據庫及關系表結構，為分析決策平臺提供數(shù)據管理支持。2．4．2基于大數(shù)據的環(huán)保監(jiān)管決策平臺基于公路工程建設情況和數(shù)據庫，3S模型與污染源解析模型聯(lián)動，以系統(tǒng)信息的輸入、存儲、管理、更新、查詢與分析為基本功能構建分析決策平臺，實現(xiàn)不同項目的動態(tài)用地類型、創(chuàng)傷變化及污染因子動態(tài)變化核算。挖掘不同工程施工情景、不同地理基質條件下公路建設環(huán)保的特征和趨勢，為公路建設技術優(yōu)化提供平臺化基礎數(shù)據、模型運算決策支持。

3結束語

通過環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)的構建，實現(xiàn)了填補高速公路建設期環(huán)境保護實時監(jiān)管的空白，以期為高速公路項目持續(xù)健康發(fā)展提供技術支持和決策依據。由于研究周期、人員等條件有限，后續(xù)工作將以代表性強的涉及敏感區(qū)的高速公路進行典型案例分析。①將衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)與地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有機結合，搭建天地一體化環(huán)境保護監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對公路工程項目建設期的環(huán)保監(jiān)督和管理;②采用航天遙感和物聯(lián)網技術，實現(xiàn)對公路沿線人力難以到達區(qū)、信號難覆蓋區(qū)的施工階段產生的環(huán)境污染實時監(jiān)控、生態(tài)環(huán)境影響定量評價;③通過物聯(lián)網技術平臺，將地面監(jiān)測系統(tǒng)的微觀小尺度評價與航天遙感系統(tǒng)的宏觀大尺度評價有機結合，實現(xiàn)天地一體化;④建立地表創(chuàng)傷面模塊，形成建設期獨特的技術方法體系、分類標準及數(shù)據處理與分析中心，實現(xiàn)動態(tài)實時監(jiān)控和定量評價;⑤利用系統(tǒng)收集到的數(shù)據建立大數(shù)據分析中心，探索公路建設中環(huán)境污染的主要因子及其產生來源、時期及針對措施，并通過分析結果優(yōu)化施工流程和技術;⑥設備多模塊集成，將水、氣、噪監(jiān)測設備集成安裝、運用，避免了多家公司管理，降低部署和運維成本。

作者:陳冬勤 常鵬飛 彭阿輝 王盈 單位:1.鄭州方達電子技術有限公司 2.中國電子科技集團公司第二十七研究所 3.河南詠藍環(huán)境科技有限公司 4.河南省巖石礦物測試中心