基于物联网的生态环境监测.docx

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基于物联网的生态环境监测

1、生态环境监测的定义

对于生态环境监测，许多人有不同的理解。

全球环境监测系统将其定义为是一种综合技术，可相对便宜地收集大范围内生命支持系统能力的数据。

前苏联学者曾提出，生态监测是生物圈的综合监测。

美国环保局把生态监测定义为自然生态系统的变化及其原因的监测。

国内有学者提出“生态监测就是运用可比的方法，在时间和空间上对特定区域范围内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统地测定和观察的过程，监测的结果则用于评价和预测人类活动对生态系统的影响，为合理利用资源、改善生态环境和自然保护提供决策依据”，这一定义从方法原理、目的、手段、意义等方面作了较全面的阐述。

2、生态监测的对象

生态环境监测已不再是单纯的对环境质量的现状调查，它是以监测生态系统条变化对环境压力的反映及趋势，侧重于宏观的、大区域的生态破坏问题。

生态监测的对象包括农田、森林、草原、荒漠、湿地、湖泊、海洋、气象、物候、动植物等，每一类型的生态系统都具有多样性，不仅包括了环境要素变化的指标和生物资源变化的指标，同时还要包括人类活动变化的指标。

另外根据《生态环境状况评价技术规范》的生态环境质量指标：

生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地退化指数和环境质量指数，提出了生态监测的因子。

3生态监测的类型

根据生态监测2个基本的空间尺度，可将其划分为宏观生态监测和微观生态监测两大类。

（1）宏观生态监测。

是在大区域范围内对各类生态系统的组合方式、镶嵌特征、动态变化和空间分布格局及其在人类活动影响下的变化等进行监测。

主要利用遥感技术、地理信息系统和生态制图技术等进行监测。

（2）微观生态监测。

其监测对象的地域等级最大可包括由几个生态系统组成的景观生态区，最小也应代表单一的生态类型。

它是对某一特定生态系统或生态系统集合体的结构和功能特征及其在人类活动影响下的变化进行监测。

宏观生态监测起主导作用，且以微观生态监测为基础，二者既相互独立，又相辅相成。

4、生态监测的特点

生态监测是一个综合性的工作，牵涉到多学科的交叉，它包含了农、林、牧、副、渔、工等各个生产领域。

又是一个长期性的复杂性的工作，因为生态系统的发展是十分缓慢的复杂变化过程，受污染物质的排放、资源的开发利用，还有自然因素等的影响，长期监测才能揭示其变化规律。

其还具有分散性，生态监测站点的选取往往相隔较远，监测网的分散性很大。

同时由于生态过程的缓慢性，生态监测的时间跨度也很大，所以通常采取周期性的间断监测。

生态监测系统性强。

生态监测本身是对系统状态的总体变化进行监测，要了解的是各因子间的关系，各因子的综合效应，二个监测项目是不能说明问题的，要有系统性的数据，经过系统分析才能反映问题。

5、生态监测的技术方法

当前国家监测总站确定的生态监测技术路线是以空中遥感监测为主要技术手段，地面对应监测为辅助措施，结合GIS和GPS技术，完善生态监测网络，建立完整的生态监测指标体系和评价方法，达到科学评价生态环境状况及预测其变化趋势的目的。

生态监测是一项宏观监测与微观监测相结合的工作，依靠传统监测手段只能解决局部监测问题，而综合整体且准确完全的监测结果必须依赖“3s技术”3s技术，即地理信息技术（GIS）、遥感技术（RS）和全球卫星定位技术（GPS），3项技术形成了对地球进行空间观测、空间定位及空间分析的完整的技术体系，能反映全球尺度上生态系统各要素的相互关系和变化规律，提供全球或大区域精确定位的高频度宏观资源与环境影像，揭示岩石圈、水圈、气圈和生物圈的相互作用和关系。

6、生态监测的指标体系

从宏观角度上可以将生态系统划分为陆地、海洋两大生态系统。

主要监测要素指标：

（1）气象指标：

气温、湿度、风向、风速、降水量及其分布、蒸发量、土壤温度、日照和辐射收支。

（2）水文指标：

地表径流量及其化学组成、地下水位。

（3）土壤指标：

养分含量及有效态含量、pH值、交换性酸（盐）及其组成、阴离子交换量、有机质含量、土壤颗粒组成、团粒结构组成、容重、孔隙度、透水率、饱和水量及凋谢水量。

（4）植物指标：

种类及组成、指示种、指示群落、种群密度、覆盖度、菌体量、生长量、凋落物量。

（5）动物指标：

种类、种群密度、菌体量及时空动态、能量和物质收支、热值。

（6）微生物指标：

种类、分布及其密度和季节动态变化、菌体量、热值。

（7）底质指标：

有机质、总氮、总磷、pH、重金属、农药、氰化物。

（8）浮游动物指标：

种群数量、分布及变化、总生物量。

（9）底栖生物指标：

种群构成及数量、优势种及动态。

（10）游泳动物指标：

生物种群与数量、洄游规律、食物链、年龄结构、丰富度、生产量、珍稀动物种类及数量。

7、存在问题及未来发展趋势

我国生态与环境监测由于起步较晚，缺乏统一的标准，国家尚未制定技术规范，仅在农业、海洋等方面研究制定了比较具体的技术规范。

环境监测工作比较注重城市环境监测、工业污染源监测、环境质量监测，而忽视了生态环境监测。

我国当前的生态监测主要限于污染生态监测，现有监测能力、技术与设备水平有限，生态监测评价经验不多，对生态系统规律性认识不够，因此确定当前优先监测指标必须从实际出发，属于污染的生态指标仍为当前优先监测指标。

同时，由于经济发展过快对生态环境形成压力影响的指标的监测，在当前亦显得十分迫切，需尽快列入优先监测指标。

目前，我国环境监测事业的发展面临着内外两方面的巨大压力。

外部压力主要有两方面：

一是加入WT0后，环境监测领域面临对国外检测机构开放的压力；二是国内各部门、各行业监测站和部分科研院所不规范从事环境监测工作带来的压力。

从目前来看，外部带来的冲击和压力不是主要的，尚不能对我国环境监测事业的发展构成威胁或产生大的障碍。

制约我国环境监测事业大发展的真正压力来自内部。

一是环境监测的性质、地位、作用和环境监测站的职能没有法定化，缺乏规范全国环境监测工作的法律法规；二是现行的环境监测管理体制和运行机制不适应环境监测事业的发展要求；三是环境监测缺乏长效、稳定的财政保障平台；四是监测队伍混乱，缺乏监测资质和质量监督机制；五是监测基础薄弱，监测技术体系尚不完善，监测能力和人员素质尚待提高。

面对这些问题，应从以下几个方面着手应对：

出台由国务院颁布的《全国环境监测条例》；建立环境监测机构资质认证制度和环境监测人员执业资格认可制度；理顺环境监测管理体制和运行机制；组建完善的国家级环境监测网络。

生态环境监测的总体趋势是：

3s技术和地面监测相结合，从宏观和微观角度来全面审视生态质量；网络设计趋于一体化，考虑全球生态质量变化，在生态质量评价上逐步从生态质量现状评价转为生态风险评价，以提供早期预警；在信息管理上强调标准化、规范化，

广泛采用地理信息系统，加强国与国之间的合作。

目前美国、欧洲、日本和我国都在制定新的观测计划，国内北京、上海、重庆、厦门等地都在推进基础数字化工作，推广GPS定位观测，这些计划的实施将为区域环境监测提供重要的数据。

传统监测手段只能解决局部监测问题，而综合整体且准确完全的监测结果必须依赖3S技术。

充分利用计算机技术把遥感、航照、卫星监测、地面定点监控有机结合起来，依靠专门的软硬件使生态监测智能化，使生态资料数据上网，实现生态监测网络化，是目前以及今后相当长的一段时间里监测人员的重点工作内容。

面向未来的生态与环境监测已经显示出新的发展动向：

a．目前以人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化的监测方向发展。

b．由劳动密集型向技术密集型方向发展。

c．由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展。

d．由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展。

e．环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向发展。

f．环境监测仪器将向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展

总之，随着经济的发展，人口、资源、环境问题的日益严峻，单纯从理化、生物指标监测是远远不够的，生态监测是环境监测发展的必然趋势，它必将被广大环境监测工作者逐步认识和掌握。

8、生态环境监测的几种常用方法

（一）、3s技术

“3S”技术是遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的统称，在信息技术迅速发展的今天，“3S”技术日益成熟，已成为目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用中的核心支撑技术，并广泛应用于资源与生态环境监测评价。

1、“3S”技术及其发展趋势

1.1遥感（RS）

遥感是利用不同的物体具有不同的电磁波特性的原理来探测地表物体，并提取这些物体的信息而完成对远距离物体的识别，具有视域广、信息更新快的特点。

将RS数据作GIS的数据源，可实现数据的实时更新，在RS与GIS基础上建立数学模型，实现空间和时间转移，通过三维空间定量地预测未来。

RS技术现已形成了多星种、多传感器、多分辨率的发展趋势，遥感卫星所获取的遥感信息具有厘米到千米级的多种尺度，重访周期40~50也从1d到d不等，不同卫星适宜的重访周期有利于对地表资源环境的动态监测和过程分析。

利用RS技术所得到的所有影像都是地理信息系统利用的信息源，不仅可获取生态环境变化的基本数据的图画资料，还可以提供荒漠化、水土流失、生态恶化、水体污染、海洋污染等发展进程的数据和资料。

1.2地理信息系统（GlS）

GIS是综合计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学等为一体，在计算机技术支持下，将反映现实世界（资源与环境）的现状和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统。

自上世纪80年代以来，由于计算机技术的快速发展，GIS软件和应用软件得到了飞速的发展，在90年代，出现了APOGIS、APOviewGIS、Genamap、Mapinfo等许多功能强大的软件系统。

目前GIS的应用已扩展到地理、地质、水文、测绘、环境、交通、城市、农业、林业、军事等领域，它与RS技术相结合，已开始用于全球变化与环境监测等。

1.3全球卫星定位系统（GPS）

GPS是为所获的空间目标及属性信息提供实时、快速的三维空间定位的一个全球性、全天候、高精度的导航传递系统，由卫星网和GPS地面控制站、GPS接收机三部分组成。

现覆盖全球的24颗GPS卫星分布在6个轨道平面上。

每台GPS接收机无论在任何时候、任何位置都能接收到最少4颗GPS卫星发送的空间轨道信息，以确定该接收机的位置，从而提供高精度的三维定位导航及授时系统。

目前，GPS三维定位精度已提高到6m。

由于GPS提供了查找位置的最新手段，且速度快、精度高、不受气候和通讯条件的影响，具有全天候、布点灵活、作业迅速的特点，现已广泛应用于农业、林业、水利、交通、航空、测绘、安全防范、军事、电力、通讯、城市管理等部门。

中国林科院已利用此技术进行了飞播与飞防的导航试验。

GPS所得到的所有定点定位的数据都将能为GIS所利用。

1.4“3S”技术集成

“3S”技术集成，即把RS、GIS和GPS整合为一个完整的技术系统。

其中，GPS主要是实时、快速地提供目标的空间位置，RS用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与地理信息及各种变化，GIS则是多种来源时空数据的综合处理和应用分析的平台。

3S技术的集成有多种方式，较为常见的是3S两两之间的集成，GPS与GIS的集成可用于环境动态监测、环境管理等；GPS与RS的集成可用于自动定时数据采集、自然灾害监测、环境变化等RS与GIS的集成可用于全球环境变化监测、空间数据自动更新等；而同时集成并使用3S技术的应用实例则较少。

2“3S”技术在生态环境监测中的应用

开展生态环境监测是了解和评价一个国家、一个地区或某一生态区生态环境状况，为生态建设和环境保护提供决策依据的重要工作。

生态环境监测是一项宏观与微观相结合的复杂的系统工程，涉及的空间和时间范围广，监测的对象包括农田、森林、草原、荒漠、湿地、湖泊、海洋、气象、物候、动植物等，对其数据收集和处理难度大。

传统的生态环境监测、评价技术方法应用范围小，只能解决局部生态环境监测和评价问题，很难大范围、适时地开展监测工作，而综合整体且准确完全的监测结果必须依赖“3s”技术，利用RS和GPS获取、管理地貌及位置信息，然后利用GIS对整个生态区域进行数字表达形成规划、决策系统。

目前，“3S”技术已经在生态环境监测中得到了广泛应用，并取得了较好效果。

2.1城市生态环境监测

“3S”技术较早应用于城市规划、大气污染监测等。

利用RS资料和GIS平台，可编绘城市大气污染源的分布图，同时采用航空多光谱摄影手段可监测大气污染的主要污染物、颗粒大小及空间区域的分布，分析城市地面辐射温度和城市“热岛”现象形成的关系。

应用卫星或机载热红外图像，通过图像处理技术，可定期把热污染的分布范围和强度显示出来。

根据植被光谱反射率及其影像特征，可以获得许多植被信息资料，如植被覆盖率、叶面积指数、植被类型等，采用多光谱有关数据及其生成的植被指数，经图像处理和定量分析，可以对植被和土地状况进行分类，监测城市化等环境变化进程。

GIS技术还用于城市生态环境调查、现状和污染源监测、生态功能和环境影响评价等。

利用“3S”技术，全国大部分省市都已建立了环境基础数据库，开发了城市环境地理信息系统、环境污染应急预警预报系统等，利用GIS制作污染源分布图、大气质量功能区划图等专题图，建立各种环境空间数据库。

2.2水资源环境监测

利用“3S”技术对河流水质、水量等进行监测，可准确地显示不同区域的水环境状况，反映水体环境质量在空间上的变化趋势，更加直观地反映如污染源、排污口等环境要素的空间分布。

利用RS可以快速监测出水体污染源的类型、位置分布及水体污染的分布范围等。

“3S”技术还应用于流域水文模拟和水资源调查评价、生态耗水分析，开展水域分布变化和水体沼泽化、水体富营养化、泥沙污染等监测。

如利用GIS技术开发的东深流域水环境管理信息系统可直观显示和分析东深流域水环境现状、污染源分布、水环境质量评价，追踪污染物来源，确保东深供水工程的供水安全；RS技术也在南水北调工程生态环境监测中得到应用。

2.3生态环境灾害监测

我国是一个自然灾害种类繁多、发生频繁和危害严重的国家，“3S”技术在洪涝、干旱、林火、森林病虫害、沙漠化等突发性自然灾害监测中已得到广泛应用。

森林病虫害、沙漠化等监测主要以陆地卫星TM数据为主，林火、洪水、雪灾、旱灾等灾害监测主要以NOAA数据来进行，灾后的评价多采用航空遥感手段，以便更准确地制定生产自救和重建家园计划。

利用GIS和RS技术可对水土流失、土地沙化和盐碱化、森林和草场的退化与消失、海水入侵、河流断流等进行监测；利用GIS和GPS技术还可以对由于过量开采地下水导致的地面沉降进行实时监控，利用RS可监测赤潮发生的时间、地点和范围，并根据水文气象资料进行赤潮的实时速报；利用RS调查与滑坡、泥石流有关的环境因素，可以推测滑坡、泥石流发育环境因素及产生条件，进行区域危险性分区及预测，可为防治地质灾害提供依据。

目前，我国已建立了重大自然灾害的历史数据库和背景数据库，从全国范围的角度，宏观地研究了自然灾害的危险程度分区和成灾规律。

2.4森林生态环境监测

近年来，“3S”技术已广泛应用于森林资源、荒漠化、湿地、野生动植物、森林火灾、森林病虫害等资源与生态环境监测。

RS技术主要用于森林资源的调查和动态监测，编制大面积的森林分布图，对宜林荒山荒地进行立地条件调查，绘制林地立地图、土地利用现状图和土地潜力图等，测算各类土地面积，进行土地评价。

RS应用于“三北”防护林综合调查，两年时间查清了占全国60%面积的“三北”地区森林、土地、草场等再生资源的数量，并对其生态环境进行了评价。

甘肃省利用RS、GIS技术对林地和草地资源进行本底调查、分析和资产评估，最终建立具有友好界面和易操作的林、草生态资产评估系统。

目前，我国利用RS技术已开展了多项草地资源的调查、监测和资源评价，2003年完成的全国草地资源动态监测工作，建成了l：

50万比例尺的草地资源数据库。

GIS与RS结合在宏观上对森林害虫进行有效监测害虫适宜生境的风险评估、病虫害空间分布动态监测、病虫害发生趋势预测，GIS与专家系统、人工智能相结合还可建立森林害虫治理决策模型和支持系统。

“3S”技术在森林火灾防控中主要应用于火灾的实时监控和灾后的损失评估。

2.5农业生态环境监测

“3S”技术在农业生态环境监测中可用于土地的生产潜力评价、土地的适宜性评价、土地持续利用评价及土壤侵蚀、土地沙化和土地次生盐渍化等监测。

对土地环境的监测除实地进行定位观测外，还可用不同时期的同一幅影像进行影像迭加、对比，来准确地看出土地资源的变化情况，耕地地面温度、土壤水分的旱涝状况等环境条件以及农作物的生长状况都可通过近红外和热红外接收的遥感影像探测到。

2.6海洋生态环境监测

利用“3S”技术可以获得海面悬浮泥沙、浮游生物、可溶性有机物、海面油膜和其它污染物等信息，监测海洋生物体污染、石油污染、洋面温度等。

RS在海洋资源的开发与利用、海洋环境污染监测、海岸带和海岛调查等方面也已取得了成功的应用。

2.7区域生态环境监测

“3S”技术可以广泛地应用于区域生态环境质量监测与评价。

在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等环境要素的监测数据结合在一起，利用GIS软件的空间分析模块，对整个区域的环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布情况。

如：

利用“3S”技术对青海湖环湖重点区域生态环境的遥感本底监测，制作出生态环境分类图，建立了生态环境数据库；通过对鄱阳湖区围湖造田、洪涝、湖盆泥沙淤积、水质污染、血吸虫病疫区等监测，完成了湖区特大洪涝灾害动态监测、圩堤分布及防洪能力评价、湿地生态及生物多样性分布、湖体水质评价等；长三角、珠三角等地区

也利用“3S”技术在开展城市生态、湿地或湖泊生态、农业生态等监测。

3“3S”技术在森林生态环境监测中的应用展望

森林生态系统是由植物、动物、微生物等组成的结构复杂、功能稳定、生物量巨大的生态系统，探讨森林生态环境的动态变化、功能变迁，需要整个生态系统在不同空间、时间上的变化资料。

随着我国经济发展及社会环境意识的增强，传统的森林资源监测体系已不能适应社会经济可持续发展的需要，利用“3S”技术建立森林资源监测体系可以动态监测森林资源的空间分布，不仅可对国家及大区域的森林资源宏观监测，也可对局部微观区域的森林资源变化进行监测；在监测内容上，不仅对森林资源数量进行监测，还能加强对生态环境信息的动态监测；在数据更新方面，利用“3S”技术的实时或准实时功能，能更好地完成监测体系的数据更新。

通过“3S”技术在林业重点工程、生态网络建设及生态环境监测中的进一步应用，可为构建全面“数字林业”打下良好基础，更有利于建立现代的国家森林资源监测体系，是我国林业新技术革命的突破口。

3.1森林生态网络体系工程监测与评价

我国林业生态建设正在进一步加快，“3S”技术可为由点、线、面组成的森林生态网络体系工程的总体布局、跟踪监测以及环境效益等方面提供高精度、全方位的图像化、数据化、自动化信息服务，为各级决策机构进行林业生态环境建设的总体规划和制定分阶段实施方案提供重要科学依据。

利用“3S”技术还可以实施对天然林资源保护、退耕还林、京津风沙源治理等林业重点工程的监测，及时了解工程建设动态，并对工程效益及时作出评价。

3.2湿地生态环境监测与评价

人们目前对湿地生态系统特点和环境效应的认识还不够深入，利用“3S”技术加强湿地的动态变化监测和评价，及时分析湿地损失原因、生物多样性变化、湿地开发利用和自然资源保护、湿地生态系统及湿地在全球变化中的作用和湿地的环境净化功能等，可为制定保护与利用湿地资源规划提供科学依据。

3.3防灾减灾监测与预警

“3S”技术已在森林防火、森林病虫害监测方面广泛应用，随着“3S”集成技术的进一步发展，这种应用将更加成熟。

在防灾减灾体系建设中，可利用“3S”技术建立完善的森林火灾预警和扑火指挥系统、森林有害生物预警和管理系统，以及生态防灾减灾应急系统，提高预防和扑救森林火灾的综合能力，防止外来有害生物的传入和扩散；建立野生动物疫病监测系统，防止野生动物疾病传播。

3.4生物多样性监测与评价

森林生态系统组成、结构及主要生态过程等可通过样地法进行监测，利用“3S”技术可在永久样地的设立中发挥重要作用，GPS可配合雷射测量仪，进行样地的设置及立木调查，GIS可快速提供相关资料以供分层取样使用；利用RS和GIS等技术可对一定区域内不同生态系统类型的面积及其分布格局进行监测；利用“3S”技术可绘制区域生态系统类型图，定期复查并用电脑模拟与预测未来变动趋势，并可用于完善生物多样性数据库等。

利用RS和GIS等可对一定区域内不同森林生态系统类型的面积及其分布格局进行监测。

利用GIS技术还可建立动植物分布预测模型等。

3.5森林水文监测与评价

利用GIS可描述降雨在下垫面上的空间分布情况，研制预测功能强的流域水文模型；RS技术、雷达技术、示踪剂技术等新的水文实验技术也将得到广泛应用，并为人们实现以水文要素的面观测值代替点观测值、以动态观测值代替静态观测值的理想提供可能。

（二）、GPRS技术

0、引言

环境监测点通常位置分散、地理条件复杂且无人值守，因此人工抄取各监测点的数据很不方便、执行效率低，有线方式收集各监测点的数据投入大、布线麻烦且传输距离有限，因此需要一种适宜环境监测特点的数据传输方式来解决监测点数据的收集问题。

针对国内环境监测网络建设不足的情况，设计了一种符合我国环境监测需求，适应我国现有实际条件的环境监测网络系统，主要从两个方面进行了环境监测网络设计：

（1）环境监测区域内的网络设计，区域内的监测中心计算机一般都有Internet网络条件，各监测点的嵌入式监测仪器通过GPRS网络无线接人Internet网络与中心计算机进行数据传输；

（2）各环境监测区域之间的网络设计，由于各监测区域的中心计算机都已接入Internet网络，因此只需提供一种Internet网内的信息交互手段即可，本系统选择了B／S结构的数据服务方式，Internet网络上的计算机都可以通过IE浏览器