公路施工沿線生態(tài)監(jiān)測技術及應用

李 慧，高于健，Nazar Usman，王 亮，孫艷鵬，劉 蝶

（1.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710000；2.長安大學經濟與管理學院，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來，我國高速公路等基礎設施建設高速發(fā)展，國家對生態(tài)環(huán)境保護也更加重視，2017 年，習近平新時代中國特色社會主義思想特別強調重視提高生態(tài)環(huán)境質量，推進生態(tài)文明建設。公路施工不能僅僅追求經濟利益最大化，應當同時重視施工過程中的生態(tài)環(huán)境保護工作，其中，在公路施工期間對沿線生態(tài)環(huán)境狀況進行監(jiān)測是十分重要的內容。保護環(huán)境是我國的一項基本國策，在公路施工沿線采用信息化措施對生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測，是公路施工實現(xiàn)綠色建設、節(jié)約資源以及實現(xiàn)公路工程智能化、信息化的重要舉措。

1 公路施工對沿線生態(tài)環(huán)境的影響

高速公路施工是開發(fā)自然資源的工程項目，在施工的過程中會嚴重影響沿線原有的生態(tài)環(huán)境，主要表現(xiàn)為對大氣和水環(huán)境產生污染、產生噪聲污染以及改變原有的土地利用方式，造成水土流失。另外，原有的地理環(huán)境和人文環(huán)境也會受到不同程度的影響。

1.1 公路施工對大氣環(huán)境的影響

在公路鋪設瀝青的過程中，由于高溫所產生的瀝青煙會擴散到大氣中，對于人體和生態(tài)環(huán)境均有較大影響。瀝青煙包含100 多種有機化合物，其中對植被危害較大的是多環(huán)芳烴，當多環(huán)芳烴接觸植被表面時，會堵塞植被呼吸孔，使得植被脫落萎縮。而人體長期處于瀝青煙環(huán)境中，則會出現(xiàn)目眩、頭痛、眼睛疼痛等癥狀，甚至誘發(fā)皮膚和呼吸道癌癥，對人體產生巨大危害。

工程現(xiàn)場所產生的另一大氣污染物是粉塵，在高速公路施工過程中，大量粉塵會隨著土方開挖與調配而產生，例如施工中用到的水泥、白灰、粉煤灰以及產生的揚塵等，這些粉塵污染物會對周邊植物的生長以及農作物產量產生不利影響，也會對沿線居民的健康造成傷害。此外，施工過程中用到的交通運輸工具所產生的一氧化氮、二氧化氮、氮氫化合物等尾氣更會直接對大氣環(huán)境造成危害。

1.2 公路施工對水環(huán)境的影響

在公路建設的過程中對水環(huán)境產生的影響主要可以分為施工營地生活污水、橋隧施工對水環(huán)境的影響以及施工機械維修所產生的對水環(huán)境的污染[1]。這些水污染問題可以總結為建設污水紊流問題，主要產生于各種建設材料以及設備沖洗的過程，或是建設所需液體原料以及生活污水存放不當而進入施工沿線水體環(huán)境。施工過程中所產生的硫化物等粉塵進入水體會影響原有水體的pH 值，威脅原有生物的生存。另外建材中所包含的鉻、汞、銅、鉛、鋅、鎘等重金屬元素進入河流或下滲進入地下水后嚴重污染當?shù)厮|，這些重金屬元素會由周邊動植物吸收后進入人體，或直接通過水體進入人體，對當?shù)貏又参镆约熬用竦慕】翟斐删薮笪：2]。

1.3 公路施工對聲環(huán)境的影響

公路施工過程中的噪聲污染主要來自裝載機、平地機、壓路機、推土機、挖掘機、拌和機等機械作業(yè)，在當下的公路工程建設過程中，大型施工機械已經得到廣泛的應用，不僅數(shù)目龐大而且種類繁多，承擔著至關重要的工作。隨著機械設備工作效率的日益提高，在機械高速運轉的過程中，會產生嚴重的噪聲污染，另外由于部分設備所承擔工作的特殊性，會進行連續(xù)作業(yè)，持續(xù)產生噪聲污染[3]。

謝理巍等[4]在對萬宜高速公路施工進行研究時發(fā)現(xiàn)，在使用機械時，在機械15m 以內的地方噪聲達到95dB 以上。而施工爆破產生的噪聲距離施工地點100m 處都能夠達到110dB，機械運行時產生的噪聲，會對附近的居民生活產生干擾，特別是夜間施工會嚴重地影響附近群眾的休息。此外，當項目穿過山區(qū)時，對處于該區(qū)域內的野生動物也會產生一定的影響，不利于生態(tài)環(huán)境的保護。

1.4 公路施工對土地利用方式的影響

通常情況下，公路施工的早期階段需要全面清理道路用地以及采土石場的植被，使得喪失植被保護的土地完全暴露在空氣之中。另外，原有自然景觀、土壤結構以及地形地貌會隨著路基填挖建設被永久改變，在建設后期階段產生土質疏松而引起水土流失的問題[5]。

在高速公路施工的全過程中，土地利用方式的轉變趨勢主要體現(xiàn)為林地由耕地向建設用地轉變，導致區(qū)域景觀多樣性下降，破壞原有生物群落的棲息環(huán)境，影響部分生物的遷徙活動[6]。

2 生態(tài)監(jiān)測技術

生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集技術主要包括可見光相機、紅外成像儀、氣體傳感器、噪聲監(jiān)測儀、污水監(jiān)測儀等。但考慮到所搜集到的數(shù)據(jù)存在碎片化、缺乏關聯(lián)性等問題，可以結合3S 技術、無人機技術以及物聯(lián)網技術共同進行生態(tài)監(jiān)測。

2.1 3S 技術

3S 技術，即遙感系統(tǒng)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）的總稱。RS 借助于遙感衛(wèi)星來實現(xiàn)高清拍攝，進而實現(xiàn)對地表信息的獲取，高清拍攝設備將所獲取的信息傳回地面監(jiān)測系統(tǒng)，并對其進行進一步的分析后應用在不同領域。GIS 技術能夠準確地獲取并分析和處理地理空間范圍內的數(shù)據(jù)信息，同時借助數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)構建所需模型。GPS 主要借助人造地球衛(wèi)星，能夠在全球實時、全天地進行定時、定位、導航，進而獲取指定點的高精度信息。3S 技術具有高頻次高精度獲取信息、融合新興監(jiān)測技術、融合多源時空信息以及智能分析和表達的優(yōu)勢[7]。

2.2 無人機技術

無人機技術主要借助無線電遙控設備以及機載計算機程控系統(tǒng)進行操控，無需載人飛行。無人機構造簡單，具有較低的使用成本。在較為危險惡劣的監(jiān)測環(huán)境中，通過人工監(jiān)測會產生較大風險，更適宜采用無人機進行調查監(jiān)測。無人機技術可配合高清分辨率相機等環(huán)境監(jiān)測傳感器對環(huán)境進行記錄，并將所采集的數(shù)據(jù)傳遞輸入計算機，快速處理并提取采集數(shù)據(jù)，用以進一步分析[8],能夠彌補遙感技術所采集圖像分辨率不高、時效性不好的缺點。

2.3 物聯(lián)網技術

物聯(lián)網技術主要通過射頻識別、激光掃描、定位系統(tǒng)、紅外感應以及氣體多功能感應設備，將所有物品與互聯(lián)網相互連接。能夠高效率地交互信息，從而完成智能識別的功能，并在此基礎上借助網絡實現(xiàn)定位、監(jiān)控以及管理。

物聯(lián)網技術在應用到生態(tài)監(jiān)測的過程中，主要表現(xiàn)為借助物聯(lián)網技術實時在線監(jiān)測環(huán)境質量的影響因素，在較大范圍內布置智能監(jiān)測節(jié)點，采集生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，明確環(huán)境的污染程度并預測污染變化趨勢，從而完成對環(huán)境預警和質量監(jiān)控[9]。

3 生態(tài)監(jiān)測技術在公路施工沿線的應用

當將生態(tài)監(jiān)測技術應用于公路施工沿線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測時，應當注意整體把握沿線區(qū)域整體生態(tài)特征，以點為主，點段結合，綜合使用各種生態(tài)監(jiān)測技術來實現(xiàn)對施工沿線的全面監(jiān)測[10]。

3.1 3S 技術在公路生態(tài)監(jiān)測的應用

在公路施工沿線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，GPS 主要用于實現(xiàn)對監(jiān)測目標的定點定位和邊界提取，RS 主要用于監(jiān)測目標和對周圍信息實時獲取，及時更新GIS 空間數(shù)據(jù)庫，GIS 是3S 技術的核心部分，對RS 和GPS 采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)籌管理、數(shù)據(jù)挖掘和空間分析[11]。在對大氣環(huán)境、水環(huán)境以及土地利用方式進行監(jiān)測時，利用RS 技術對水環(huán)境變化以及土地利用方式進行遙感監(jiān)測，配合各空氣監(jiān)測站點可實現(xiàn)大氣質量信息的共享，利用GPS 技術對不確定區(qū)域進行定位調查，對獲取的生態(tài)信息使用GIS 技術進行科學的分析。

3.2 無人機技術在公路生態(tài)監(jiān)測的應用

無人機技術可以用于對公路施工沿線的大氣環(huán)境、水環(huán)境、聲環(huán)境以及土地利用方式等多方面的生態(tài)監(jiān)測。用于大氣監(jiān)測時，無人機可搭配可見光相機、紅外成像儀、氣體傳感器等設施，對施工沿線大氣環(huán)境進行監(jiān)測；用于水環(huán)境監(jiān)測時，運用無人機巡河，配置高分辨率相機以及污水檢測儀，拍攝河流漂浮物狀況以及采集河流水質；在土地利用方式監(jiān)測中，無人機遙感設施利用相機進行影像傳輸，對土地利用類型、植被覆蓋和土地侵蝕等生態(tài)環(huán)境要素進行定位，充分展示陸域生態(tài)環(huán)境的變化情況。進而對獲得的大量實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化處理，充分挖掘數(shù)據(jù)隱含的空間關聯(lián)。

3.3 物聯(lián)網技術在公路生態(tài)監(jiān)測的應用

物聯(lián)網技術在用于生態(tài)監(jiān)測時，主要通過在施工沿線建設大氣監(jiān)測站、水質監(jiān)測站等，所啟用的模塊主要為：數(shù)據(jù)類型模塊、Agent 模塊、無線發(fā)射模塊以及實時監(jiān)測模塊，用于快速整合施工沿線光照、大氣、水文等基礎信息，確保采集數(shù)據(jù)能夠到達指定位置，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)高效傳遞和處理，對加強環(huán)境治理方案的針對性、提高生態(tài)環(huán)境治理水平具有重大意義。

4 結語

對公路施工沿線生態(tài)環(huán)境進行有效監(jiān)測、獲取沿線區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況及變化規(guī)律是公路生態(tài)環(huán)境保護工作的基礎。將3S 技術、無人機技術以及物聯(lián)網技術結合應用到公路施工沿線生態(tài)監(jiān)測中去，能夠全面地獲取監(jiān)測區(qū)的大氣質量、水文情況、噪聲情況以及土地利用狀況等生態(tài)環(huán)境信息，并對其進行專業(yè)的科學分析，為公路施工沿線生態(tài)環(huán)境治理打下堅實基礎。