基于物联网的高速公路建设期环境保护监管系统设计

陈冬勤，常鹏飞，彭阿辉，王 盈

(1.郑州方达电子技术有限公司，河南 郑州 450047；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；3.河南咏蓝环境科技有限公司，河南 许昌 461000；4.河南省岩石矿物测试中心，河南 郑州 450012)

0 引言

据交通运输部最新统计数据显示，截至2018年底，我国高速公路总里程突破14万km，位居世界第一。伴随着公路的高速发展，公路及其对周边区域的环境影响也随之凸显[1]。目前，我国交通产生的污染占污染总量的20%左右，并且将很快超过工业污染而成为污染的最主要部分，控制交通污染迫在眉睫[2]。高速公路建设期是对环境影响最大且最为多变的时期，如不及时采取有效措施，将会对沿线造成不可逆的环境破坏。清理施工场地或开通道路时可能清掉珍稀或值得保护的植物，施工过程中造成水土流失、景观破坏以及噪声、水、大气和固体废弃物污染等。目前公路环保工作的重点集中在建设前的环境影响评价和建设后的“三同时”竣工验收，建设期的环境保护非常薄弱，管理不规范，致使引起的环境问题突出[3]。需要有效控制高速公路建设期带来的环境问题，顺应技术领域发展的新要求和智慧高速公路建设的新形势。

高速公路建设带来的环境问题已引起国内外学者的广泛关注，并开展了大量研究[4]。然而大多数研究都是基于传统的实地采样方法和定性评价[5-7]。随着遥感技术成为全球对地观测的有效工具[8]，90年代起遥感技术逐渐应用于公路环境问题的相关研究中[9-11]，但建设期研究相对较少，主要集中在大气、水、地质灾害、生态环境及环境管理等方面。涉及自然保护区、饮用水水源地等生态敏感区的公路建设期环境保护、植被恢复及取弃土场、弃渣场及混凝土搅拌场等临时占地及大型临时工程连续动态监测和定时环保监管的研究仍为空白。

近些年，国内水、气、声地面自动监测系统快速发展，技术方法相对较成熟[12-13]。然而公路建设期仍以人工监测方法为主，采用移动便携设备或取样实验室分析方法，尚无长期稳定的自动监测体系。此外，公路建设期尚未建立统一的监测标准规范、方法体系、污染治理措施，造成监测标准不足、监测对象失实、数据库不统一等问题，给后续的管理和决策带来一定难度。同时，目前国内环境要素地面在线监测的应用大多数仅实现了监测和预警，未能与后端及其他环境要素联动管理。物联网的出现将改变这一现状[14]。

探索将公路建设的环境监测与物联网联动，大尺度的航空遥感监测技术与小尺度的地面监测手段强有力结合，构建天地一体化环保监管系统[15]，实现公路建设期环保监测和管理模式的跨越式发展。系统围绕获取大范围、动态的宏观和微观环境信息，对环境可能或己经产生的污染破坏作用进行监测和评价，及时、科学、准确地掌握建设期产生的环境问题，增强生态环境破坏和污染物时空分布与变化分析能力，加强环境事件防范和处理能力，进一步提高环境突发事件应急监测的时效性、准确性，将人类活动对环境造成的不利影响限制到最小程度，确保公路工程项目建设持续健康发展。

1 系统总体设计

1.1 建设目标

系统建设目标如下：

① 将RS、GPS、地面在线监测仪及云计算平台等技术有效结合，搭建天地一体化系统，实现全过程信息化、监控实时且可追溯、异常预警及数据统计分析等功能；

② 高速公路建设期环境问题最为突出，会带来景观破坏、植被破坏、水土流失及施工扬尘污染等一系列环境问题，通过建立天地一体化环境监管体系，实现天地一体化理念；

③ 利用物联网技术，达到环境监管的网格化、精细化及智慧化目标，实现对施工场地远程监视、自动报警、控制、诊断及维护，使建设单位通过手机APP或电脑客户端，实时获取准确的监测信息、超标位置及突发事件，为环境监管提供技术支撑；

④ 采用遥感手段，有效解决公路沿线难以到达区获取数据难、周期长及成本高等问题，实现对公路难以到达区环境问题实时、快速和有效监管。

1.2 技术架构

天地一体化环保监管系统设计以实现环保信息的一体化、定量化、实时化、自动化、网络化及智能化为目标，由传统的地面环境监测系统和基于新型遥感监测技术的卫星遥感监测系统组成。其中，地面环境监测系统包括水环境监测子系统、大气环境监测子系统和噪声环境监测子系统。首先，选取有代表性的环境污染区作为监测区域；其次，根据监测区环境污染特征搭建降尘、TSP、PH、SS、溶解氧等监测因子传感器；然后，通过ZigBee或GPRS网络传输到服务器终端；最后，基于数据服务中心对数据进行接收、处理和分析。卫星遥感监测系统包括数据获取、信息传输、信息处理和信息应用。以多时相多空间分辨率的多光谱、高光谱等多源卫星数据为主要数据源，通过互联网传输到遥感影像实时接收及处理平台，然后在构建的辐射校正、大气校正等预处理模块进行信息处理，形成天地一体化卫星遥感数据库，并通过构建人工干扰模块和地面创伤面对路域生态环境和固体废弃物进行定量监测及实时评价。最后，采用远程监控中心和用户终端成果应用，完成地面环境监测系统和卫星遥感监测系统的有机结合，最终实现对水环境、大气环境、噪声环境、生态环境及固体废弃物的实时远程监控、自动报警、控制、诊断和维护。技术架构如图1所示。

图1 天地一体化环保监管体系技术架构Fig.1 Technology architecture of integrated space-ground environmental protection supervision system

2 研究内容

系统主要是基于卫星遥感和地面监测搭建的天地一体化环境监管平台，通过互联网、物联网等技术实现空间信息获取的一体化和智能化，空间数据处理的自动化、定量化和实时化，空间信息分发与应用的网格化，空间信息服务的灵性化和大众化。

2.1 卫星遥感监测系统

系统密切结合涉及自然保护区的高速公路工程建设项目，在实际调查、分析研究现有资料和地面历史数据的基础上，针对施工期产生的弃土弃渣、水土流失和植被恢复等生态环境问题提出地表创伤面和人工干扰模型的研究。

2.1.1 构建建设期地表创伤面环境监管子系统

针对工程施工过程中产生的取弃土、渣等引起的地表创伤面环境问题，促使建设单位贯彻落实“边建设边恢复”的环保政策，落实施工主体方责任，督促推进生态植被恢复与重建，拟采用最新的基于改进稀疏编码检测方法，对整个拟建公路路线评价区域的地表创伤面进行连续动态变化监测。建立公路评价区建设期地表创伤面环境监管子系统，实现对整个路线施工期的连续动态监测和实时环保监管，确保对每个标段的实施进度和完成情况实现动态实时监管，降低施工建设对周边区域环境的影响程度。

2.1.2 基于人工干扰模型的敏感区环境监管子系统

以项目涉及的水环境、生态环境等敏感区为研究对象，选取代表性的土地利用/覆盖、植被覆盖度、水土流失、动物栖息地及动物通道有效性等指标，构建基于人工干扰模型的敏感区环境监管子系统。其中，植被覆盖度指标测定采用新的周期和长期趋势分解与断点识别[16](Breaks for Additive Seasonal and Trend，BFAST)算法。BFAST算法由Verbesselt等于2010年提出，是基于遥感数据进行植被干扰识别的一种新方法。敏感区环境监管子系统旨在探索采用新的定量评价方法研究公路两侧0～300，300～600，600～1 500，1 500～2 500，2 500～4 000，4 000～5 000 m范围的人工干扰指数和干扰程度，定量评价敏感区内人工干扰的连续动态变化态势及工程施工对道路两侧人工干扰的最大影响范围。

2.2 地面环境监测系统

地面环境监测系统包括水环境监测子系统、大气环境监测子系统和噪声环境监测子系统。3个子系统的搭建均基于ZigBee网络或运营商网络的无线传感器网络。水环境子系统主要采用传感器方式对PH、SS、溶解氧、COD及石油类等参数进行自动监测，监测点位布设在水源地、影响区水环境、桥粱及隧道施工废水等位置。大气监测指标为降尘、TSP、PM10等，布设的监测点位为公路施工堆料场、拌和站、沥青拌合站、灰土拌合站及施工便道等。噪声监测指标为A声级标准计权网络，布设的监测点位为沥青拌合站、灰土拌合站、路基施工点、路面施工点、桥粱、隧道、施工打桩作业、敏感建筑物附近及施工便道等。同时，对3个子系统获取的数据建立地面数据服务中心，实现数据分类存储管理和查询调阅。地面环境监测系统实现建设期全过程大气、水及噪声等环境要素信息化，监控实时且可追溯，具有异常预警及数据统计分析等功能。

2.3 环保监管中心

2.3.1 地面远程监控中心

基于地面环境监测系统建立地面远程监控中心，将传感器节点监测到的数据通过网络发送给数据服务中心和地面远程监控中心。终端用户可以通过地面远程监控中心进行实时监测，通过选择设计界面实现监控水、声、气等环境要素污染物排放情况，根据监测界面，科学有效地对建设期环境要素的状况进行分析，掌握公路建设期环境要素监测指标的情况，根据出现的问题，及时提出解决方法，从而为环保监管提供技术支持。

2.3.2 遥感定时监管中心

基于卫星遥感监测系统建立遥感定时监管中心，通过网络将遥感数据及其产品发送到卫星遥感数据库和遥感定时监管中心。终端用户可以通过遥感定时监管中心实现对生态环境破坏情况的监管，科学有效地对建设期生态环境的状况进行分析，及时掌握公路建设期生态环境的破坏和恢复情况，提出解决方法，进而为生态环境的监管提供数据支撑和决策依据。

2.4 环保监管大数据平台

基于监测系统获取的卫星遥感、地面监测等环保相关数据，建立环保监管大数据管理与分析平台。平台以期挖掘出公路建设期重点污染因子的成因、分布范围及其特点、公路行业环保发展趋势特征及行业环保区域差异情况等数据。

2.4.1 基于大数据的环保监管数据库

环保监管数据库集成公路项目相关的空间及属性数据，主要由地面环境监测系统的数据服务中心和卫星遥感监测中心的天地一体化数据库组成，具有海量、多样、复杂、集成、时效的大数据特征[17]。搭建大数据支持下的公路建设期环保系统信息管理方法、环保系统数据库及关系表结构，为分析决策平台提供数据管理支持。

2.4.2 基于大数据的环保监管决策平台

基于公路工程建设情况和数据库，3S模型与污染源解析模型联动，以系统信息的输入、存储、管理、更新、查询与分析为基本功能构建分析决策平台，实现不同项目的动态用地类型、创伤变化及污染因子动态变化核算。挖掘不同工程施工情景、不同地理基质条件下公路建设环保的特征和趋势，为公路建设技术优化提供平台化基础数据、模型运算决策支持。

3 结束语

通过环保监管系统的构建，实现了填补高速公路建设期环境保护实时监管的空白，以期为高速公路项目持续健康发展提供技术支持和决策依据。由于研究周期、人员等条件有限，后续工作将以代表性强的涉及敏感区的高速公路进行典型案例分析。① 将卫星遥感监测系统与地面环境监测系统有机结合，搭建天地一体化环境保护监管系统，实现对公路工程项目建设期的环保监督和管理；② 采用航天遥感和物联网技术，实现对公路沿线人力难以到达区、信号难覆盖区的施工阶段产生的环境污染实时监控、生态环境影响定量评价；③ 通过物联网技术平台，将地面监测系统的微观小尺度评价与航天遥感系统的宏观大尺度评价有机结合，实现天地一体化；④ 建立地表创伤面模块，形成建设期独特的技术方法体系、分类标准及数据处理与分析中心，实现动态实时监控和定量评价；⑤ 利用系统收集到的数据建立大数据分析中心，探索公路建设中环境污染的主要因子及其产生来源、时期及针对措施，并通过分析结果优化施工流程和技术；⑥ 设备多模块集成，将水、气、噪监测设备集成安装、运用，避免了多家公司管理，降低部署和运维成本。