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数据采集与处理技术在环境科学与工程方向的应用与发展趋势报告

专业班级：

环境工程2011-1

姓名：

陈凡

选课序号：

97

学号：

99

环境科学与工程学院

摘要

随着上世纪末信息技术及其他相关科学技术的飞速发展，众多数据采集与处理方面的新技术被应用于环境科学的研究与工程设计之中。

考察数据采集与处理技术在环境科学与工程中的应用对今后本学科相关工作的开展有着重要的指导意义。

因此本文针对相关技术的现状做了简要的概述，分别为遥感监测技术、空气质量自动监测技术、水质自动监测技术三个内容要点；并以此对相关技术的应用趋势做出了合理性的判断。

关键词：

遥感技术；环境科学；环境工程；自动监测技术

第1章绪论……………………………………….……………………………………1

课题研究的背景及意义………………..……….………...….………………1

1.1.1数据采集与处理技术………….…….……...………………………….1

第2章遥感技术………………………………………………………………………2

遥感技术…………………………………………………………………...…2

2.1.1环境遥感技术………………..………………………………….…….2

遥感技术在环境科学中的应用………………………………………...……2

2.2.1遥感技术在水污染监测方面的应用………………………...……….3

2.2.2遥感技术在大气环境监测方面的应用……………………...……….3

2.2.3应用遥感技术监控生态环境………………………...……………….4

2.2.4利用遥感技术监测自然灾害……………………...……………….…5

遥感技术的趋势……………………...………………………………….5

2.3.1遥感影像获取技术越来越先进……………………………...……….5

2.3.2遥感信息处理方法和模型越来越科学……………………...……….6

2.3.33S一体化……………………...……………………………………….6

2.3.4建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统………..….…….6

2.3.5建立国家环境遥感应用系统……………………...………………….6

第3章空气质量自动监测技术………………………………………………………8

空气质量自动监测技术原理……………………...………………………….8

空气质量自动监测技术的应用……………………...........................……….8

3.2.1环境空气质量自动监测系统……………………..........................……….8

3.2.2室内环境空气质量的自动监测………………………………......……….9

第4章水质自动监测技术………………………………………………..…………11

水质自动监测技术……………………...……………………………...……11

4.1.1水质自动监测系统的构成…………………………………...…...…11

在线自动分析仪器的发展……………………...……………………......…12

结论………………………....…………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………………………13

数据采集与处理技术在环境科学与工程方向的应用与发展趋势报告

第1章绪论

课题研究的背景及意义

随着20世纪初西方国家工业革命的发展，矿石燃料的应用急剧增长，化学工业发展也随之兴起，由此引发了一系列的环境问题。

其中最著名的是1952年12月5日至9日发生于英国伦敦的空气污染事件，曾造成4000多人死亡。

此外还有日本的镉污染事件等等严重的环境事故。

西方工业强国走过的老路我们不能再走，重视环境监测与生态保护是必然选择。

而数据采集与处理技术的发展给环境监测工作带来的改变使得我们能更加迅速快捷地掌握环境动态数据，从而为及时解决环境问题提供保障。

1.1.1数据采集与处理技术

数据采集技术（DataAcquisition）是信息科学的一个重要分支,它研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。

在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。

将外部世界存在的温度、压力、流量、位移以及角度等模拟量（AnalogSignal）转换为数字信号（DigitalSignal）,在收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录这一过程，即称为“数据采集”。

相应的系统即为数据采集系统（DataAcquisitionSystem，简称DAS）

数据采集技术以在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、震动工程、无损检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用。

数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换为数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。

相应的系统称为数据采集系统。

第2章遥感技术

遥感技术

遥感是从远离地面的不同工作平台上，如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船和航天飞机等，通过传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测，然后经信息的传输、处理和判读分析，对地球的资源与环境进行探测与监测的综合性技术。

遥感技术从远距离采用高空鸟瞰的形式进行探测，包括多点位、多谱段、多时段和多高度的遥感影像以及多次增强的遥感信息，能提供综合系统性、瞬时或同步性的连续区域性同步信息，在环境科学领域的应用具有很大优越性。

2.1.1环境遥感技术

20世纪90年代以来，环境遥感技术应用越来越广。

从陆地的土地覆被变化，城市扩展动态监测评价，土壤侵蚀与地面水污染负荷产生量估算，生物栖息地评价和保护，工程选址以及防护林保护规划和建设。

到水域的海洋和海岸带生态环境变迁分析，海面悬浮泥沙、叶绿素含量、黄色物质、海上溢油、赤潮以及热污染等的发现和监测，珊瑚和红树林的现状调查与变化监测，堤坝的规划与水沙平衡分析，水下地形地遥调查和水域初级生产率的估算。

再到大气环境遥感中的城市热岛效应分析，大气污染范围识别与定量评价，大气气溶胶污染特征参数化，全球水、气和化学元素等的循环研究，全球环境变化以及重大灾害的评估等，几乎覆盖了整个地球系统。

环境遥感技术的应用

2.2.1遥感技术在水污染监测方面的应用

（1）利用红外扫描仪监视石油污染

全球每年排入海洋的石油及其制品高达1000万吨，利用多光谱航片可对海面石油污染进行半定量分析，将彩色航片同步拍照与近红外片做的彩色密度分割图相比较，更精密地判断和解译信息，参照图片画出不同油膜厚度的大致分级图。

通过彩色密度分割图像，特别是数字密度分割图，可以更准确地判断油量的分布情况。

通过彩色密度分割可把相差零点零几厚度的海面油膜区分出层次来，这有利于用航空遥感对海面油的扩散分布和半定量研究。

浓度大的地方是黄色，往外扩散的油膜变薄，呈黄紫混在一起的颜色，再往外扩散的油膜就更薄些呈紫色。

通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析，确定油膜的漂移方向，计算出其扩散速度和扩散面积。

（2）利用遥感技术监测水体富营养化

浮游植物中的叶绿素对蓝紫光和红橙光有较强的吸收作用，当水体出现富营养化时，我们就可以利用遥感技术推算出水体中的叶绿素分布情况。

赤潮区的海水光谱特征是藻类、泥沙和海水的复合光谱，另外有机或无机颗粒物也会吸收入射光，影响水体的透明度。

（3）通过遥感技术调查废水污染和泥沙污染

废水的颜色与悬浮物性状千差万别，特征曲线上的反射峰位置和强度也不大一样，可以用多光谱合成图像进行监测。

水中悬浮泥沙的浓度和粒径增大，水体反射量也会相应增加，反射峰随之红移，定量判读悬浮泥沙浓度的最佳波段是～微米。

（4）应用红外扫描仪监测水体热污染

应用红外扫描仪记录水体的热辐射能量，真实反映其温度差异。

在热红外图像上，热水温度高，辐射能量多，呈浅色调。

冷水和冰辐射能量少，呈深色调。

热排水口处通常呈白色羽流，利用光学技术和计算机对热图像作密度分割，根据少量的同步实测水温，画出水体等温线。

（5）通过遥感技术分析水域的分布变化和水体沼泽化

水体总体反射率较低，选择～微米波段的多时域影像可以分析水域的分布变化。

沼泽化在时域图像上反映为水体面积缩小，从水体向边缘有规律变化，显示出不同程度的植被特征。

2.2.2遥感技术在大气环境监测方面的应用

（1）臭氧层

臭氧层位于地球上空25～30千米的平流层中，对0.3米以下紫外区的电磁波有较大吸收，可用紫外波段来测定臭氧层的变化。

臭氧层在2.74毫米处也有一个吸收带，可用频率为11083兆赫兹的地面微波辐射计来测定臭氧在大气中的垂直分布。

另外臭氧层会吸收太阳紫外线而升温，可使用红外波段来探测，如用～微米热红外探测器测定臭氧层的温度变化，参照浓度与温度的相关关系，推算出臭氧浓度的水平分布。

（2）大气气溶胶

利用遥感图像可分析大气气溶胶的分布和含量，烟雾、火灾浓烟和大规模沙尘暴在遥感图像上都有清晰的图像，可以直接圈定其大致范围。

利用周期性气象卫星图可监测沙尘运动，估计其运动速度，及时预报沙尘暴。

通过卫星资料可及早发现森林火灾，把灾害损失降到最低。

大比例图片可用来调查城市烟囱的数量和分布，还可以通过烟囱阴影的长度来计算其大致高度。

应用计算机对影像进行微密度分割，建立烟雾浓度与影像灰度值的相关关系，可测出烟雾浓度的等值线图。

（3）有害气体

彩红外相片可监测有毒气体对污染源周围树木和农作物的危害情况，通过植物对有害气体的敏感性来推断某地区大气污染的程度和性质。

一般污染较轻的地区，植被受污染的情况不宜被人察觉，但其光谱反射率却会明显变化，在遥感影像上表现为灰度的差异。

正常生长的植物叶片能强烈反射红外线，在彩红外相片上色泽鲜红明亮。

受到污染的叶子，其叶绿素遭到破坏，对红外线的反射能力下降，其彩红外相片颜色发暗，如白蜡树受污染后呈紫红色，柳树呈品红色略带蓝灰色。

（4）气候变化

美国、欧盟、日本和俄罗斯的地球同步轨道气象卫星组成的静止气象卫星监测系统昼夜不停地观测地球的气候变化，得到全球范围内的大气参数、海洋参数、地表状况、辐射收支和臭氧分布等信息，对全球变暖、臭氧层空洞以及厄尔尼诺现象的研究非常重要。

2.2.3应用遥感技术监控生态环境

遥感影像真实记录地貌形态特征并提供各环境参数的组合情况，根据其空间一致性和差异性进行区域环境范围的生态区划。

利用遥感卫星相片还可以编制森林树种、生长状况和森林覆盖图，使用计算机集群分类，精度可高达80％ 。

一般野生动物环境与森林植被关系最为密切，通过研究植物的分布与长势可大致确定动物的活动繁殖场所，从而编制森林野生动物保护规划。

2.2.4利用遥感技术监测自然灾害

遥感技术对于暴雨、水土流失、地震和山体滑坡等地质灾害的调查与监测也很有效。

比如说地震与地球活动构造块体分布及其活动方式密切相关，利用卫星预测地震技术主要集中在电磁波辐射和电离层异常监测、地表形变监测、红外辐射监测以及卫星重力监测等方面。

但由于目前技术条件的限制，地震还是不能准确预测，2008年5月的汶川大地震几乎震碎了人的心，期待有一天，我们中国人能通过遥感技术准确预测地震灾害，今天的悲剧永远不要发生了。

遥感技术的发展趋势

随着科学技术的进步，光谱信息成像化，雷达成像多极化，光学探测多向化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化，大大提高了遥感技术的实时性和运行性，使其向多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。

2.3.1遥感影像获取技术越来越先进

（1）随着高性能新型传感器研制开发水平以及环境资源遥感对高精度遥感数据要求的提高，高空间和高光谱分辨率已是卫星遥感影像获取技术的总发展趋势。

遥感传感器的改进和突破主要集中在成像雷达和光谱仪，高分辨率的遥感资料对地质勘测和海洋陆地生物资源调查十分有效。

（2）雷达遥感具有全天候全天时获取影像以及穿透地物的能力，在对地观测领域有很大优势。

干涉雷达技术、被动微波合成孔径成像技术、三维成像技术以及植物穿透性宽波段雷达技术会变得越来越重要，成为实现全天候对地观测的主要技术，大大提高环境资源的动态监测能力

（3）开发和完善陆地表面温度和发射率的分离技术，定量估算和监测陆地表面的能量交换和平衡过程，将在全球气候变化的研究中发挥更大的作用。

（4）由航天、航空和地面观测台站等组成以地球为研究对象的综合对地观测数据获取系统，具有提供定位、定性和定量以及全天候、全时域和全空间的数据能力，为地学研究、资源开发、环境保护以及区域持续协调发展提供科学数据和信息服务。

2.3.2遥感信息处理方法和模型越来越科学

神经网络、小波、分形、认知模型、地学专家知识以及影像处理系统的集成等信息模型和技术，会大大提高多源遥感技术的融合、分类识别以及提取的精度和可靠性。

统计分类、模糊技术、专家知识和神经网络分类有机结合构成一个复合的分类器，大大提高分类的精度和类数。

多平台、多层面、多传感器、多时相、多光谱、多角度以及多空间分辨率的融合与复合应用，是目前遥感技术的重要发展方向。

不确定性遥感信息模型和人工智能决策支持系统的开发应用也有待进一步研究。

3S一体化

计算机和空间技术的发展、信息共享的需要以及地球空间与生态环境数据的空间分布式和动态时序等特点，将推动3S一体化。

全球定位系统为遥感对地观测信息提供实时或准实时的定位信息和地面高程模型；遥感为地理信息系统提供自然环境信息，为地理现象的空间分析提供定位、定性和定量的空间动态数据；地理信息系统为遥感影像处理提供辅助，用于图像处理时的几何配准和辐射订正、选择训练区以及辅助关心区域等。

在环境模拟分析中，遥感与地理信息系统的结合可实现环境分析结果的可视化。

3S一体化将最终建成新型的地面三维信息和地理编码影像的实时或准实时获取与处理系统。

2.3.4建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统

随着3S一体化，资源与环境的遥感数据量和计算机处理量也将大幅度增加，遥感数据处理系统就必须要有更高的处理速度和精度。

神经网络具有全并行处理、自适应学习和联想功能等特点，在解决计算机视觉和模式识别等特大复杂的数据信息方面有明显优势。

认真总结专家知识，建立数据库，寻求研究定量精确化算法，发展快速有效的遥感数据压缩算法，建立高速、高精度和大容量的遥感数据处理系统。

2.3.5建立国家环境遥感应用系统

国家环境遥感应用系统将利用卫星遥感数据和地面环境监测数据，建立天地一体化的国家级生态环境遥感监测预报系统以及重大污染事故应急监测系统，可定期报告大气环境、水环境和生态环境的状况。

环境遥感地理信息系统是其支撑系统，在各种应用软件的辅助下实现环境遥感数据的存储、处理和管理；环境遥感专业应用系统是其应用平台，在环境专业模型的支持下实现环境遥感数据的环境应用；环境遥感决策支持系统是其最上层系统，在环境预测评价和决策模型的驱动下进行环境预测评价分析，制定环境保护的辅助决策方案；数据网络环境是其数据输入和输出的开放网络环境，实现环境海量数据的快速流通。

第3章空气质量自动监测技术

环境保护监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障。

在地方经济迅速发展的同时、各地区不断出现不同程度的水、气、噪声等环境污染事件，严重影响了人们的生活质量，阻碍了当地经济的持续发展。

随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测地面站，实施城市空气质量预报。

空气质量自动监测技术原理

空气质量的自动监测系统一般采用湿法和干法两种方式。

湿法的测量原理是库仑法和电导法等，需要大量试剂，存在试剂调整和废液处理等问题，操作繁琐，故障率高，维护量大。

干法基于物理光学测量原理，使样品始终保持在气体状态，没有试剂的损耗，维护量较小。

干法以欧美国家为主，代表了目前的发展趋势。

空气质量自动监测技术的应用

3.2.1环境空气质量自动监测系统

环境空气质量自动监测以自动监测仪器为核心，干法监测子站的系统由样品采集、空气自动分析仪、气象参数传感器、动态自动校准系统、数据采集和传输系统及其它条件构成。

THY-AQM60系列城市级大气环境监测系统可以实现区域环境保护监测部门对环境监测的实际需要，满足城市空气质量预报的要求。

系统核心监测器件采用高灵敏度电化学传感器原理，结合单片机技术和网络通讯技术，可以连续监测大气层中的SO2、NO2、O3、CO、H2S、NH3、HF等气体，全面显示需要的测量数据。

首先由抽气泵将环境空气通过过滤器，经流量调节器后分别以300ml/min的流量送到传感器气室，通过传感器时所产生的信号经放大、A/D转换后，由微处理器进行采集、计算、数据处理，产生浓度结果数据，同时保存数据结果或通过RS485串行接口送至信息中心。

仪器由采样部分、过滤器、样气浓度分析、数据采集/数字滤波、动态数据图形显示、数据存储/查询/通讯、供电方式自动选择等部分组成。

以下对相关技术部分进行简介。

（1）信号转换部分即传感器部分由气体传感器和温度传感器组成，其功能是将被测物浓度变成电信号。

（2）信号处理部分：

该部分由信号变换和控制两部分组成。

信号变换：

由气体传感器和温度传感器产生的电信号较小，并且和要求输出的信号不成比例关系，必须经放大后才能得到标准输出信号及控制信号。

信号经处理后，输出模拟信号0-2V（根据用户要求可改变）。

数字信号ppb或ug/m3供面板LED显示，温度信号经变换后供控制和计算用。

控制部分：

由于传感器信号的输出与温度有关系，该仪器为提高准确度设计了温度控制装置，根据传感器的温度变化即调整制冷和制热系统，保证了传感器的最佳使用状态。

控制部分还包括电源保护，开关，泵及标校整定电位趋，其作用是保证系统安全可靠。

输出部分：

该部分由模拟信号输出和LED数字输出两部分组成。

数据采集/数字滤波是由CPU控制的数据采集电路对传感器输出的多路信号进行实时采集，并通过数字滤波对异常数据进行处理，克服各种干扰的影响，确保采集的数据准确可靠。

3.2.2室内环境空气质量的自动监测

室内环境空气质量要求高，仪器趋近小型化，其检测仪器仍未出现民用化的实用产品。

目前室内环境空气质量的监测在很大程度上仍是停留在官方调查阶段。

其监测采用方法如下表。

GB/T9801

空气质量一氧化碳的测定非分散红外法

GB/T11737

居住区大气中苯、甲苯和二甲苯卫生检验标准方法气相色谱法

GB/T12372

居住区大气中二氧化氮检验标准方法改进的Saltzman法

GB/T14582

环境空气中氡的标准测量方法

GB/T14668

空气质量氨的测定纳氏试剂比色法

GB/T14669

空气质量氨的测定离子选择电极法

GB/T14677

空气质量甲苯、二甲苯、苯乙烯的测定气相色谱法

GB/T14679

空气质量氨的测定次氯酸钠――水杨酸分光光度法

GB/T15262

环境空气二氧化硫的测定甲醛吸收――副玫瑰苯氨分光光度法

GB/T15435

环境空气二氧化氮的测定Saltzman法

GB/T15437

环境空气臭氧的测定靛蓝二黄酸钠分光光度法

GB/T15438

环境空气臭氧的测定紫外光度法

GB/T15439

环境空气苯并[a]芘测定高效液相色谱法

GB/T15516

空气质量甲醛的测定乙酰丙酮分光光度法

GB/T16128

居住区二氧化硫卫生检验标准方法甲醛溶液吸收－盐酸副玫瑰苯胺分光光度法

GB/T16129

居住区甲醛卫生检验标准方法分光光度法

GB/T16147

空气中氡浓度的闪烁瓶测量方法

GB/T17095

室内空气中可吸入颗粒物卫生标准

GB/

公共场所空气温度测定方法

GB/

公共场所空气湿度测定方法

GB/

公共场所风速测定方法

GB/

公共场所室内新风量测定方法

GB/

公共场所空气中一氧化碳测定方法

GB/

公共场所空气中二氧化碳测定方法

GB/

公共场所空气中氨测定方法

第4章水质自动监测技术

水质自动监测技术

实施水质自动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，达到及掌握主要流域重点断面水体的水质状况、预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况、排放达标情况等目的。

4.1.1水质自动监测系统的构成

在水质自动监测系统网络中，中心站通过卫星和电话拨号两种通讯方式实现对子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，托管站也可以通过电话拨号方式实现对所托管子站的实时监视、远程控制及数据传输功能，其他经授权的相关部门可通过电话拨号方式产现对相关子站的实时监视和数据传输或能。

每个子站是一个独立完整的水质自动监测系统，一般由6个主要子系统构成，包括：

采样系统、预处理系统、监测仪器系统、PLC控制系统、数据采集、处理与传输子系统及远程数据管理中心、监测站房。

目前，水质自动监测系统中的子站的构成方式大致有三种：

（1）由一台或多台小型的多参数水质自动分析仪（如：

YS1公司和HYDROLAB公司的常规五参数分析仪）组成的子站（多台组合可用于测量不同水深的水质）。

其特点是仪器可直

接放于水中测量，系统构成灵活方便。

（2）固定式子站：

为较传统的系统组成方式。

其特点是监测项目的选择范围宽。

（3）流动式子站：

一种为固定式子站仪器设备全部装于一辆拖车（监测小屋）上，可根据需要迁移场所，也可认为是半固定式子站。

其特点是组成成本较高。

各单元通过水样输送管路系统、信号传输系统、压缩空气输送管路系统、纯水输送管路系统实现相互联系

在线自动分析仪器的发展

水质自动监测仪器仍在发展之中，欧、美、日本、澳大利亚等国均有一些专业厂商生产。

目前，已经较成熟的常规项目有：

水温、PH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氧化还原电位（ORP）、流速和水位等。

常用的监测项目有：

COD、高锰酸盐指数、TOC、氨氮、总氮、总磷。

其他还有：

氟化物、氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、TOD、BOD、UV、油类、酚、叶绿素、金属离子（如六价铬）等。

目前的自动分析仪一般具有如下功能：

自动量程转换，遥控、标准输出接口和数字显示，自动清洗（在清洗时具有数据锁定功能）、状态自检和报警功能（如：

液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尺、高/低浓度、断电等），干运转和断电保护，来电自动恢复，COD、氨氮、TOC、总磷、总氮等仪器具有自动标定校正功能。

结论

考察数据采集与处理技术在环境科学与工程中的应用对今后本学科相关工作的开展有着重要的指导意义。

因此本文针对相关技术的现状做了简要的概述，分别为遥感监测技术、空气质量自动监测技术、水质自动监测技术三个内容要点；并以此对有关技术的应用趋势做出了合理性的判断。

参考文献

[1]李国刚.“化学需氧量（CODcr）水质在线自动监测仪”认定技术条件的诠释.中国环保产业,2002.

[2]武万峰,徐立中,徐鸿.水质自动监测技术综述.水利水文自动化,2004.

[3]王玉华,赵学民,周怀东.水质自动监测技术及其应用分析.水文,2004.

[4]任源,杨晓晶.遥感技术在现代环境监测与环境保护中的应用.环境保护科学第33卷第3期,2007.

[5]王旭,徐永花,李莉.遥感技术在环境科学领域的应用及其发展趋势.环境