我國大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展研究

李春萌

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北　武漢　430000）

我國大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展研究

李春萌

（武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430000）

大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測環(huán)境污染狀況及其發(fā)展趨勢，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境信息的獲取、分析和管理?；诖?，綜述我國在該領(lǐng)域的研究成果并展望其發(fā)展方向。20世紀(jì)70年代末，是我國大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的初始階段，主要是形成大氣監(jiān)測系統(tǒng)的基本理論與方法；80年代到90年代初，是我國的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)范化系統(tǒng)化形成時期，這個期間明確大氣環(huán)境監(jiān)測的功能和結(jié)構(gòu)，同時是我國大氣監(jiān)測環(huán)境信息系統(tǒng)與信息系統(tǒng)技術(shù)開始融合的階段；90年代至今，是我國環(huán)境信息系統(tǒng)的迅猛發(fā)展階段，信息技術(shù)行業(yè)的迅猛發(fā)展為其開發(fā)提供了豐富的方法和手段，基于3S技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣監(jiān)測系統(tǒng)占據(jù)了主流地位。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步普遍應(yīng)用，我國的環(huán)境信息系統(tǒng)必將走向網(wǎng)絡(luò)化和智能化，同時將會更加貼合實(shí)際，成為我國大氣環(huán)境管理的重要支柱。

大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；發(fā)展歷程；問題；展望

自20世紀(jì)80年代初期以來，隨著人們對環(huán)境質(zhì)量重視度的提高與信息技術(shù)的不斷成熟，環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)逐漸成熟起來。全球各個區(qū)域開始陸續(xù)建立各種環(huán)境檢測信息系統(tǒng)，為環(huán)境規(guī)劃、開發(fā)、管理和決策提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，是環(huán)境緊急情況及時預(yù)測與應(yīng)答的前提，保障了人體健康、社會穩(wěn)定和生態(tài)平衡。大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)以環(huán)境管理服務(wù)為目的，以現(xiàn)代計算機(jī)軟件與硬件為工具，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境大氣污染狀況及其變化趨勢進(jìn)行分析的系統(tǒng)。大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)主要是對大氣中某些特征性的污染物濃度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境狀況的實(shí)時模擬與控制。我國的大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)經(jīng)過30多年的研究與實(shí)踐，不斷將新技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)實(shí)踐中，已經(jīng)形成了較為成熟的運(yùn)行模式。

1　我國大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程

我國大氣環(huán)境監(jiān)測工作相對于一些發(fā)達(dá)國家起步較晚，但發(fā)達(dá)國家污染問題起源較早，在20世紀(jì)三四十年代美英日等國的一些城市先后發(fā)生過大規(guī)模的有害氣體中毒的嚴(yán)重事故。60年代初，仍只在個別城市設(shè)立簡易的單個指標(biāo)的監(jiān)測點(diǎn)或取樣點(diǎn)。到60年代末和70年代初，這些國家先后成立了環(huán)境保護(hù)廳或環(huán)境對策委員會。在70年代，不少國家的空氣監(jiān)測網(wǎng)和連續(xù)自動空氣監(jiān)測站都有較大的發(fā)展［1］。同時中國開始步入工業(yè)化社會，環(huán)境問題日益突出。到了20世紀(jì)70年代末，我國在3a間建立了大概20個大氣監(jiān)測站［2］，使我國的大氣監(jiān)測系統(tǒng)初具規(guī)模。同時我國參與WHO主持的GEMS，我國參加全球大氣監(jiān)測系統(tǒng)的有北京、上海、沈陽等5個城市［3］。

從70年代到80年代我國與國外大氣監(jiān)測工作的比較，可以看出當(dāng)時我國的大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)單機(jī)間斷采樣和手工分析，隨著各類大氣監(jiān)測儀器和技術(shù)的發(fā)展，大氣質(zhì)量監(jiān)測進(jìn)入新的階段，從間斷的手工分析向大氣污染自動連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。1985年全國大氣環(huán)境地面自動監(jiān)測系統(tǒng)審定會決定在北京、上海和天津等市環(huán)建立大氣環(huán)境地面自動監(jiān)測系統(tǒng)［4］。青島市在1984年與中美合資的寧加公司進(jìn)行合作［5］。唐山市由于為地震后重建，其系統(tǒng)采用集中分散式微機(jī)控制無線電傳輸網(wǎng)絡(luò)，子站系統(tǒng)和一次儀表能夠連續(xù)運(yùn)行［6］。

20世紀(jì)80年代到90年代初我國主要進(jìn)行由單機(jī)間斷采樣和手工分析向完整的大氣污染自動連續(xù)地面監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展。進(jìn)入90年代后，新的信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)，掀起了信息技術(shù)革命的新浪潮。其中，與環(huán)境信息系統(tǒng)發(fā)展有關(guān)的一些動向包括通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由封閉集中向開放分散的轉(zhuǎn)變，3S技術(shù)等。大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)路線緊密依賴于最新的信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是軟件技術(shù)的發(fā)展。我國氣象部門開始從2000年構(gòu)建大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)，是由氣象衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)、地面自動氣象站組成的三層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)［7］，為全國各地的大氣環(huán)監(jiān)測信息系統(tǒng)的遠(yuǎn)程化發(fā)展提供了條件。

在這些技術(shù)發(fā)展的背景下，大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)開始從地面監(jiān)測向與空間信息系統(tǒng)結(jié)合的方向發(fā)展，從手動化向自動化發(fā)展，由微觀調(diào)控向宏觀調(diào)控發(fā)展。大氣環(huán)境信息系統(tǒng)從地面監(jiān)測開始向與3S相結(jié)合的方向發(fā)展。太原市從1983年到1997年進(jìn)行了2次技術(shù)改造，由無線數(shù)傳方式改為有線傳輸［8］。北京市首先在系統(tǒng)中應(yīng)用ArcView GIS，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)查詢、空間分析、趨勢分析和制圖制表等功能［9］。同時，一些新的物理技術(shù)逐漸應(yīng)用到信息系統(tǒng)中去，如DO AS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)［10］、基于Intranet的分布式可控監(jiān)測技術(shù)［11］、用于大氣污染監(jiān)測的紅外圖象處理系統(tǒng)［12］等。

21世紀(jì)初至今，我國的大氣環(huán)境監(jiān)測隨著信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。主要的發(fā)展方向是3S技術(shù)與大氣環(huán)境信息系統(tǒng)的進(jìn)一步結(jié)合，同時開始由有線通信連接轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線通信連接，軟件操作系統(tǒng)平臺與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)提升，系統(tǒng)的應(yīng)用更加系統(tǒng)化與精細(xì)化。此外，還可以發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，除了國家、省級和部分發(fā)達(dá)城市外，一些局部具體的信息系統(tǒng)也開始進(jìn)行開展。例如，對一些重點(diǎn)污染源實(shí)行實(shí)時的監(jiān)控：結(jié)合GPS的礦區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測［13］；市級縣級的結(jié)合GIS的大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)開始建立并且投入運(yùn)行：重慶綦江縣結(jié)合GIS的大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的開發(fā)［14］。

2　目前的主要研究熱點(diǎn)

2.1結(jié)合GIS技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的優(yōu)化與建立

總體而言，我國的GIS技術(shù)在環(huán)境方面的應(yīng)用起步較晚，一直到1987年底，中國國家計委和中科院才建立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這標(biāo)志著我國GIS技術(shù)在環(huán)境方面的研究和應(yīng)用的開始［15］。目前在大氣環(huán)境監(jiān)測中已經(jīng)應(yīng)用較為廣泛，如天津市環(huán)境監(jiān)測地理信息系統(tǒng)充分利用GIS的強(qiáng)大功能，增強(qiáng)了監(jiān)測工作的可視化、準(zhǔn)確性和時效性。天津市的大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)使用的是HJGIS結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮2種結(jié)構(gòu)的長處［16］。中國市場上較流行GIS軟件ARC/INFO、GENAMPA、SYSTEM9等，可直接嫁接到系統(tǒng)中，對其進(jìn)行組裝從而完成GIS的環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的建立，這些縮短了研制周期，提高了運(yùn)行效率［17］。

2.2遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低以及便于進(jìn)行長期的動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，還能發(fā)現(xiàn)有時用常規(guī)方法難以揭示的污染源及其擴(kuò)散的狀態(tài)。這種技術(shù)不但可以實(shí)時、快速、動態(tài)地監(jiān)測大范圍的大氣環(huán)境變化和大氣環(huán)境污染，也可以實(shí)時、快速跟蹤和監(jiān)測突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件的發(fā)生發(fā)展，以便及時制定處理措施，減少大氣污染造成的損失［18］。因此，遙感監(jiān)測作為大氣環(huán)境管理和大氣污染控制的重要手段之一，正發(fā)揮著不可替代的作用。大氣環(huán)境遙感監(jiān)測作為遙感技術(shù)應(yīng)用中較為重要的內(nèi)容之一，在業(yè)務(wù)上不同于常規(guī)氣象要素的監(jiān)測。而大氣環(huán)境遙感則是監(jiān)測大氣中的痕量氣體成分和氣溶膠等的三維分布。大氣環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)按其工作方式可分為被動式遙感監(jiān)測和主動式遙感監(jiān)測，主要可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測。

2.3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）就是將能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象以互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等為信息承載體實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)3個重要的技術(shù)包括傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、云計算［19］。隨著現(xiàn)代無線通信的高速發(fā)展，為滿足大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)要求，利用Zigbee技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對大氣環(huán)境信息實(shí)時監(jiān)測的方案應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)一般是由節(jié)點(diǎn)（傳感器）、移動網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器與客戶端五部分組成的，實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境監(jiān)測的智能化、高效化和網(wǎng)絡(luò)化［20］。其中主要的技術(shù)是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，移動的網(wǎng)絡(luò)目前主要有3G網(wǎng)、4G網(wǎng)。目前針對這一研究主要的方向?yàn)楣?jié)點(diǎn)的設(shè)計、系統(tǒng)各個部分之間的銜接、服務(wù)器的技術(shù)的提升、客戶端的人性化和智能化設(shè)計。

3　我國大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)發(fā)展遇到的問題

目前，我國的大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)已經(jīng)日趨完善，我國已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了大部分城市大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的建設(shè)。大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)隨著人們對大氣環(huán)境質(zhì)量要求的進(jìn)一步提升，其建設(shè)強(qiáng)度與范圍逐漸增加，但目前存在以下一些問題。

①各地區(qū)環(huán)境管理應(yīng)用軟件開發(fā)建設(shè)缺乏統(tǒng)一管理和技術(shù)規(guī)范，系統(tǒng)建設(shè)各自獨(dú)立，形成數(shù)據(jù)孤島，缺乏信息共享機(jī)制。同時，環(huán)保各業(yè)務(wù)部門基本上都根據(jù)本部或某一特定業(yè)務(wù)編制了相應(yīng)的軟件。但是，由于各相應(yīng)軟件的工作平臺、開發(fā)工具、后臺數(shù)據(jù)庫的不同，使得各軟件系統(tǒng)彼此之間的數(shù)據(jù)共享性很差。

②部分地區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)建設(shè)持續(xù)資金投入比例失調(diào)，只注重系統(tǒng)前期建設(shè)投入，缺乏對系統(tǒng)建成后的設(shè)備更新和應(yīng)用能力建設(shè)、人員培訓(xùn)等方面的持續(xù)投入，使得系統(tǒng)建設(shè)的效益與作用不能充分發(fā)揮出來。

③我國的大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)目前已經(jīng)基本達(dá)到了先進(jìn)水平，但由于信息公開及需求分析環(huán)節(jié)的一些局限性，使得一些大氣質(zhì)量監(jiān)測的指標(biāo)數(shù)據(jù)不能切實(shí)反應(yīng)真實(shí)值，使其有效性降低。

4　我國大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)的展望

從我國的大氣環(huán)境檢測信息系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)，其是從局部化向整體化發(fā)展的。發(fā)展過程中信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新是其建設(shè)的創(chuàng)新來源，而社會對大氣環(huán)境掌控的需求是其開發(fā)的不竭動力。大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)也隨著信息技術(shù)的發(fā)展，逐漸走向自動化、統(tǒng)一化，同時逐漸提高了及時性、準(zhǔn)確度。3S技術(shù)基本運(yùn)用成熟，成為常用的技術(shù)手段，隨著3S技術(shù)的進(jìn)一步推廣，大氣環(huán)境監(jiān)測信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)即時定位、實(shí)時反映，為環(huán)境質(zhì)量評價與環(huán)境管理決策提供數(shù)據(jù)支持。同時，基于物聯(lián)網(wǎng)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)將會更加普遍，可保證信息傳遞的及時性，同時便于用戶了解大氣環(huán)境信息。因此，我國大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)將密切跟蹤信息技術(shù)發(fā)展的潮流，將建立成一個開放式、分布式、組件化、模擬化的系統(tǒng)，使環(huán)境信息能夠跨地區(qū)、跨行業(yè)自由流通，并將集成地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)，迅速準(zhǔn)確地獲取自然災(zāi)害和環(huán)境信息，及時、全面地掌握我國大氣環(huán)境狀況及其發(fā)展趨勢，為我國的大氣環(huán)境的治理及環(huán)境規(guī)劃提供支持，為社會提供全方位的環(huán)境信息服務(wù)，促進(jìn)我國的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。

［1］王湘君.淺談大氣監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)［J］.中國環(huán)境管理，1987（1）：40-41.

［2］梁澤斌.國外大氣污染監(jiān)測站概述［J］.分析儀器，1977 （3）：51-57.

［3］鈕式如，陳昌杰.全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及我國開展的工作［J］.環(huán)境保護(hù)，1982（6）：19-20.

［4］蘭天.全國大氣環(huán)境地面自動監(jiān)測系統(tǒng)會在洛陽市召開［J］.環(huán)境科學(xué)動態(tài)，1983（9）：3.

［5］青島市環(huán)境大氣地面自動監(jiān)測系統(tǒng)引進(jìn)情況［J］.環(huán)境科學(xué)動態(tài)，1988（2）：46-48.

［6］魯連勝.大氣污染自動監(jiān)測系統(tǒng)的完善問題［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，1989（4）：35-37.

［7］張曉松.我國構(gòu)筑大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)［N］.人民日報，2000-09-24.

［8］連風(fēng)寶.太原市大氣自動監(jiān)測系統(tǒng)［J］.大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2001（3）：42.

［9］李勇智.北京市大氣質(zhì)量常規(guī)監(jiān)測管理信息系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2001.

［10］付強(qiáng)，謝品華，王瑞斌.DOAS大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)點(diǎn)式采樣監(jiān)測法可比性研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2003 （2）：26-28.

［11］董智勇.基于intranet的分布式可控監(jiān)測技術(shù)在大氣污染上的應(yīng)用［J］.微型電腦應(yīng)用，2003（6）：31-33.

［12］陳鴻翔，張桂林，劉永明.一種用于大氣污染監(jiān)測的紅外圖像處理系統(tǒng)［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，1996（6）：135-138.

［13］董倩.基于GPS的礦區(qū)大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］.青島：青島理工大學(xué).

［14］韓敏，戴宏民，徐君.基于GIS縣級大氣環(huán)境信息系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)——以重慶綦江縣為例［J］.重慶工商大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（2）：181-185.

［15］黃治國，張家福.基于GIS技術(shù)的環(huán)境信息系統(tǒng)在我國的發(fā)展及展望［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2007（3）：54-57.

［16］李梅，辛小毛，張寬.基于GIS技術(shù)建立天津市環(huán)境檢測地理信息［A］//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會，2005.

［17］周勁風(fēng).我國環(huán)境信息系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)動態(tài)，2002（1）：27-30.

［18］程立剛.遙感技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用綜述［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2005（5）：17-23.

［19］李鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.信息通信，2013（8）：59-60.

［20］梅志堅(jiān)，馬婭婕.基于ZigBee和GPRS的大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報，2015（1）：63-66.

Research on Construction and Development of Environment Monitoring Information System in China

Li Chunmeng
（College of Resource and Environment Science of Wuhan University，Wuhan Hubei 430000）

Atmospheric environment monitoring system is used to monitor environmental conditions and trends，which provides access to information，analysis and management about atmospheric environment.Based on this，This paper outlined the research of the field in our country and predicted the direction in this area.The period in the late 1970s was the initial stage of the system in China，which mainly formed the basic theories and methods.The period from the 1980s to the early 1990s was the time during which the standardization was established，the capabilities and structures were defined.Meanwhile the period was the beginning of the integration of this system and information systems technologies.From 1990s to now，the system in China developed fast，which owned to the rapid development of the information technology industry that provided a lot of means for development of the system，mainly based on the 3S technology and networking technology.With the further widespread application of information technologies，the intelligent networked environmental information system in China will eventually be set up，which more fits the practical application，and will become an important pillar of environmental management in China.

Atmospheric environment monitoring system；development；problems；prospect

X84

A

1003-5168（2016）07-0024-03

2016-06-10

李春萌（1994-），女，本科，研究方向：大氣環(huán)境。