高速公路環境保護監管系統設計研究

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摘要:依托互聯網、物聯網及大數據技術，航空遙感監測技術與地面監測手段強有力結合，以環保信息的一體化、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保監管系統，實現高速公路建設期環保監測和管理模式的跨越式發展。系統由地面環境監測系統、衛星遙感監測系統、環保監管中心和大數據平臺組成，實現對公路沿線難以到達區、信號難覆蓋區施工階段產生的環境污染進行實時監控與定量評價，并首次探索建立地表創傷面模塊，形成建設期獨特的技術方法體系、分類標準及數據處理與分析中心，最終達到高速公路建設期環境保護實時動態監管的目的。

關鍵詞:高速公路建設期;天地一體化;物聯網;環境保護;監管系統;衛星遙感監測

據交通運輸部最新統計數據顯示，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展，公路及其對周邊區域的環境影響也隨之凸顯［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。目前公路環保工作的重點集中在建設前的環境影響評價和建設后的“三同時”竣工驗收，建設期的環境保護非常薄弱，管理不規范，致使引起的環境問題突出［3］。需要有效控制高速公路建設期帶來的環境問題，順應技術領域發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］。然而大多數研究都是基于傳統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、生態環境及環境管理等方面。涉及自然保護區、飲用水水源地等生態敏感區的公路建設期環境保護、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動態監測和定時環保監管的研究仍為空白。近些年，國內水、氣、聲地面自動監測系統快速發展，技術方法相對較成熟［12－13］。然而公路建設期仍以人工監測方法為主，采用移動便攜設備或取樣實驗室分析方法，尚無長期穩定的自動監測體系。此外，公路建設期尚未建立統一的監測標準規范、方法體系、污染治理措施，造成監測標準不足、監測對象失實、數據庫不統一等問題，給后續的管理和決策帶來一定難度。同時，目前國內環境要素地面在線監測的應用大多數僅實現了監測和預警，未能與后端及其他環境要素聯動管理。物聯網的出現將改變這一現狀［14］。探索將公路建設的環境監測與物聯網聯動，大尺度的航空遙感監測技術與小尺度的地面監測手段強有力結合，構建天地一體化環保監管系統［15］，實現公路建設期環保監測和管理模式的跨越式發展。系統圍繞獲取大范圍、動態的宏觀和微觀環境信息，對環境可能或己經產生的污染破壞作用進行監測和評價，及時、科學、準確地掌握建設期產生的環境問題，增強生態環境破壞和污染物時空分布與變化分析能力，加強環境事件防范和處理能力，進一步提高環境突發事件應急監測的時效性、準確性，將人類活動對環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健康發展。

1系統總體設計

1．1建設目標。系統建設目標如下:①將RS、GPS、地面在線監測儀及云計算平臺等技術有效結合，搭建天地一體化系統，實現全過程信息化、監控實時且可追溯、異常預警及數據統計分析等功能;②高速公路建設期環境問題最為突出，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境問題，通過建立天地一體化環境監管體系，實現天地一體化理念;③利用物聯網技術，達到環境監管的網格化、精細化及智慧化目標，實現對施工場地遠程監視、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，實時獲取準確的監測信息、超標位置及突發事件，為環境監管提供技術支撐;④采用遙感手段，有效解決公路沿線難以到達區獲取數據難、周期長及成本高等問題，實現對公路難以到達區環境問題實時、快速和有效監管。1．2技術架構。天地一體化環保監管系統設計以實現環保信息的一體化、定量化、實時化、自動化、網絡化及智能化為目標，由傳統的地面環境監測系統和基于新型遙感監測技術的衛星遙感監測系統組成。其中，地面環境監測系統包括水環境監測子系統、大氣環境監測子系統和噪聲環境監測子系統。首先，選取有代表性的環境污染區作為監測區域;其次，根據監測區環境污染特征搭建降塵、TSP、PH、SS、溶解氧等監測因子傳感器;然后，通過ZigBee或GPRS網絡傳輸到服務器終端;最后，基于數據服務中心對數據進行接收、處理和分析。衛星遙感監測系統包括數據獲取、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、高光譜等多源衛星數據為主要數據源，通過互聯網傳輸到遙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，形成天地一體化衛星遙感數據庫，并通過構建人工干擾模塊和地面創傷面對路域生態環境和固體廢棄物進行定量監測及實時評價。最后，采用遠程監控中心和用戶終端成果應用，完成地面環境監測系統和衛星遙感監測系統的有機結合，最終實現對水環境、大氣環境、噪聲環境、生態環境及固體廢棄物的實時遠程監控、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

系統主要是基于衛星遙感和地面監測搭建的天地一體化環境監管平臺，通過互聯網、物聯網等技術實現空間信息獲取的一體化和智能化，空間數據處理的自動化、定量化和實時化，空間信息分發與應用的網格化，空間信息服務的靈性化和大眾化。2．1衛星遙感監測系統。系統密切結合涉及自然保護區的高速公路工程建設項目，在實際調查、分析研究現有資料和地面歷史數據的基礎上，針對施工期產生的棄土棄渣、水土流失和植被恢復等生態環境問題提出地表創傷面和人工干擾模型的研究。2．1．1構建建設期地表創傷面環境監管子系統。針對工程施工過程中產生的取棄土、渣等引起的地表創傷面環境問題，促使建設單位貫徹落實“邊建設邊恢復”的環保政策，落實施工主體方責任，督促推進生態植被恢復與重建，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域的地表創傷面進行連續動態變化監測。建立公路評價區建設期地表創傷面環境監管子系統，實現對整個路線施工期的連續動態監測和實時環保監管，確保對每個標段的實施進度和完成情況實現動態實時監管，降低施工建設對周邊區域環境的影響程度。2．1．2基于人工干擾模型的敏感區環境監管子系統。以項目涉及的水環境、生態環境等敏感區為研究對象，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環境監管子系統。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，是基于遙感數據進行植被干擾識別的一種新方法。敏感區環境監管子系統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和干擾程度，定量評價敏感區內人工干擾的連續動態變化態勢及工程施工對道路兩側人工干擾的最大影響范圍。2．2地面環境監測系統。地面環境監測系統包括水環境監測子系統、大氣環境監測子系統和噪聲環境監測子系統。3個子系統的搭建均基于ZigBee網絡或運營商網絡的無線傳感器網絡。水環境子系統主要采用傳感器方式對PH、SS、溶解氧、COD及石油類等參數進行自動監測，監測點位布設在水源地、影響區水環境、橋粱及隧道施工廢水等位置。大氣監測指標為降塵、TSP、PM10等，布設的監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。噪聲監測指標為A聲級標準計權網絡，布設的監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、敏感建筑物附近及施工便道等。同時，對3個子系統獲取的數據建立地面數據服務中心，實現數據分類存儲管理和查詢調閱。地面環境監測系統實現建設期全過程大氣、水及噪聲等環境要素信息化，監控實時且可追溯，具有異常預警及數據統計分析等功能。2．3環保監管中心。2．3．1地面遠程監控中心?；诘孛姝h境監測系統建立地面遠程監控中心，將傳感器節點監測到的數據通過網絡發送給數據服務中心和地面遠程監控中心。終端用戶可以通過地面遠程監控中心進行實時監測，通過選擇設計界面實現監控水、聲、氣等環境要素污染物排放情況，根據監測界面，科學有效地對建設期環境要素的狀況進行分析，掌握公路建設期環境要素監測指標的情況，根據出現的問題，及時提出解決方法，從而為環保監管提供技術支持。2．3．2遙感定時監管中心?；谛l星遙感監測系統建立遙感定時監管中心，通過網絡將遙感數據及其產品發送到衛星遙感數據庫和遙感定時監管中心。終端用戶可以通過遙感定時監管中心實現對生態環境破壞情況的監管，科學有效地對建設期生態環境的狀況進行分析，及時掌握公路建設期生態環境的破壞和恢復情況，提出解決方法，進而為生態環境的監管提供數據支撐和決策依據。2．4環保監管大數據平臺?；诒O測系統獲取的衛星遙感、地面監測等環保相關數據，建立環保監管大數據管理與分析平臺。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、公路行業環保發展趨勢特征及行業環保區域差異情況等數據。2．4．1基于大數據的環保監管數據庫環保監管數據庫集成公路項目相關的空間及屬性數據，主要由地面環境監測系統的數據服務中心和衛星遙感監測中心的天地一體化數據庫組成，具有海量、多樣、復雜、集成、時效的大數據特征［17］。搭建大數據支持下的公路建設期環保系統信息管理方法、環保系統數據庫及關系表結構，為分析決策平臺提供數據管理支持。2．4．2基于大數據的環保監管決策平臺基于公路工程建設情況和數據庫，3S模型與污染源解析模型聯動，以系統信息的輸入、存儲、管理、更新、查詢與分析為基本功能構建分析決策平臺，實現不同項目的動態用地類型、創傷變化及污染因子動態變化核算。挖掘不同工程施工情景、不同地理基質條件下公路建設環保的特征和趨勢，為公路建設技術優化提供平臺化基礎數據、模型運算決策支持。

3結束語

通過環保監管系統的構建，實現了填補高速公路建設期環境保護實時監管的空白，以期為高速公路項目持續健康發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，后續工作將以代表性強的涉及敏感區的高速公路進行典型案例分析。①將衛星遙感監測系統與地面環境監測系統有機結合，搭建天地一體化環境保護監管系統，實現對公路工程項目建設期的環保監督和管理;②采用航天遙感和物聯網技術，實現對公路沿線人力難以到達區、信號難覆蓋區的施工階段產生的環境污染實時監控、生態環境影響定量評價;③通過物聯網技術平臺，將地面監測系統的微觀小尺度評價與航天遙感系統的宏觀大尺度評價有機結合，實現天地一體化;④建立地表創傷面模塊，形成建設期獨特的技術方法體系、分類標準及數據處理與分析中心，實現動態實時監控和定量評價;⑤利用系統收集到的數據建立大數據分析中心，探索公路建設中環境污染的主要因子及其產生來源、時期及針對措施，并通過分析結果優化施工流程和技術;⑥設備多模塊集成，將水、氣、噪監測設備集成安裝、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.河南詠藍環境科技有限公司 4.河南省巖石礦物測試中心