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基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路建設(shè)期環(huán)境保護監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

2020-04-02 10:10陳冬勤常鵬飛彭阿輝
無線電工程 2020年4期
關(guān)鍵詞:子系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測公路

陳冬勤,常鵬飛,彭阿輝,王 盈

(1.鄭州方達電子技術(shù)有限公司,河南 鄭州 450047;2.中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047;3.河南詠藍環(huán)境科技有限公司,河南 許昌 461000;4.河南省巖石礦物測試中心,河南 鄭州 450012)

0 引言

據(jù)交通運輸部最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shè)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(shè)前的環(huán)境影響評價和建設(shè)后的“三同時”竣工驗收,建設(shè)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(shè)期帶來的環(huán)境問題,順應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新要求和智慧高速公路建設(shè)的新形勢。

高速公路建設(shè)帶來的環(huán)境問題已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)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(shù)成為全球?qū)Φ赜^測的有效工具[8],90年代起遙感技術(shù)逐漸應(yīng)用于公路環(huán)境問題的相關(guān)研究中[9-11],但建設(shè)期研究相對較少,主要集中在大氣、水、地質(zhì)災(zāi)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(shè)期環(huán)境保護、植被恢復(fù)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(nèi)水、氣、聲地面自動監(jiān)測系統(tǒng)快速發(fā)展,技術(shù)方法相對較成熟[12-13]。然而公路建設(shè)期仍以人工監(jiān)測方法為主,采用移動便攜設(shè)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(shè)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(jù)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(nèi)環(huán)境要素地面在線監(jiān)測的應(yīng)用大多數(shù)僅實現(xiàn)了監(jiān)測和預(yù)警,未能與后端及其他環(huán)境要素聯(lián)動管理。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將改變這一現(xiàn)狀[14]。

探索將公路建設(shè)的環(huán)境監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動,大尺度的航空遙感監(jiān)測技術(shù)與小尺度的地面監(jiān)測手段強有力結(jié)合,構(gòu)建天地一體化環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)[15],實現(xiàn)公路建設(shè)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(jīng)產(chǎn)生的污染破壞作用進行監(jiān)測和評價,及時、科學(xué)、準確地掌握建設(shè)期產(chǎn)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(yīng)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(shè)持續(xù)健康發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 建設(shè)目標

系統(tǒng)建設(shè)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(shù)有效結(jié)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(yù)警及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能;

② 高速公路建設(shè)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(wǎng)技術(shù),達到環(huán)境監(jiān)管的網(wǎng)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(shè)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(shù)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(jù)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(shù)架構(gòu)

天地一體化環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計以實現(xiàn)環(huán)保信息的一體化、定量化、實時化、自動化、網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(jù)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(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器終端;最后,基于數(shù)據(jù)服務(wù)中心對數(shù)據(jù)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(jù)獲取、信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)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(jù)為主要數(shù)據(jù)源,通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭b感影像實時接收及處理平臺,然后在構(gòu)建的輻射校正、大氣校正等預(yù)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(jù)庫,并通過構(gòu)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(yīng)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(jié)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(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 天地一體化環(huán)保監(jiān)管體系技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technology architecture of integrated space-ground environmental protection supervision system

2 研究內(nèi)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(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)空間信息獲取的一體化和智能化,空間數(shù)據(jù)處理的自動化、定量化和實時化,空間信息分發(fā)與應(yīng)用的網(wǎng)格化,空間信息服務(wù)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(jié)合涉及自然保護區(qū)的高速公路工程建設(shè)項目,在實際調(diào)查、分析研究現(xiàn)有資料和地面歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對施工期產(chǎn)生的棄土棄渣、水土流失和植被恢復(fù)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(gòu)建建設(shè)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(chǎn)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(shè)單位貫徹落實“邊建設(shè)邊恢復(fù)”的環(huán)保政策,落實施工主體方責(zé)任,督促推進生態(tài)植被恢復(fù)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(shè)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(shè)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(gòu)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](Breaks for Additive Seasonal and Trend,BFAST)算法。BFAST算法由Verbesselt等于2010年提出,是基于遙感數(shù)據(jù)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(cè)0~300,300~600,600~1 500,1 500~2 500,2 500~4 000,4 000~5 000 m范圍的人工干擾指數(shù)和干擾程度,定量評價敏感區(qū)內(nèi)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(cè)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(wǎng)絡(luò)或運營商網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。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(shè)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(shè)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(quán)網(wǎng)絡(luò),布設(shè)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(jù)建立地面數(shù)據(jù)服務(wù)中心,實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類存儲管理和查詢調(diào)閱。地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)建設(shè)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(yù)警及數(shù)據(jù)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

基于地面環(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(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)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(shè)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(jù)監(jiān)測界面,科學(xué)有效地對建設(shè)期環(huán)境要素的狀況進行分析,掌握公路建設(shè)期環(huán)境要素監(jiān)測指標的情況,根據(jù)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(shù)支持。

2.3.2 遙感定時監(jiān)管中心

基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)建立遙感定時監(jiān)管中心,通過網(wǎng)絡(luò)將遙感數(shù)據(jù)及其產(chǎn)品發(fā)送到衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)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(xué)有效地對建設(shè)期生態(tài)環(huán)境的狀況進行分析,及時掌握公路建設(shè)期生態(tài)環(huán)境的破壞和恢復(fù)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(jù)支撐和決策依據(jù)。

2.4 環(huán)保監(jiān)管大數(shù)據(jù)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(guān)數(shù)據(jù),建立環(huán)保監(jiān)管大數(shù)據(jù)管理與分析平臺。平臺以期挖掘出公路建設(shè)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(jù)。

2.4.1 基于大數(shù)據(jù)的環(huán)保監(jiān)管數(shù)據(jù)庫

環(huán)保監(jiān)管數(shù)據(jù)庫集成公路項目相關(guān)的空間及屬性數(shù)據(jù),主要由地面環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心和衛(wèi)星遙感監(jiān)測中心的天地一體化數(shù)據(jù)庫組成,具有海量、多樣、復(fù)雜、集成、時效的大數(shù)據(jù)特征[17]。搭建大數(shù)據(jù)支持下的公路建設(shè)期環(huán)保系統(tǒng)信息管理方法、環(huán)保系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及關(guān)系表結(jié)構(gòu),為分析決策平臺提供數(shù)據(jù)管理支持。

2.4.2 基于大數(shù)據(jù)的環(huán)保監(jiān)管決策平臺

基于公路工程建設(shè)情況和數(shù)據(jù)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(gòu)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(zhì)條件下公路建設(shè)環(huán)保的特征和趨勢,為公路建設(shè)技術(shù)優(yōu)化提供平臺化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、模型運算決策支持。

3 結(jié)束語

通過環(huán)保監(jiān)管系統(tǒng)的構(gòu)建,實現(xiàn)了填補高速公路建設(shè)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(shù)支持和決策依據(jù)。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(jié)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(shè)期的環(huán)保監(jiān)督和管理;② 采用航天遙感和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),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(chǎn)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(wǎng)技術(shù)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(jié)合,實現(xiàn)天地一體化;④ 建立地表創(chuàng)傷面模塊,形成建設(shè)期獨特的技術(shù)方法體系、分類標準及數(shù)據(jù)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(jù)建立大數(shù)據(jù)分析中心,探索公路建設(shè)中環(huán)境污染的主要因子及其產(chǎn)生來源、時期及針對措施,并通過分析結(jié)果優(yōu)化施工流程和技術(shù);⑥ 設(shè)備多模塊集成,將水、氣、噪監(jiān)測設(shè)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。

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