環(huán)境監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀分析及其發(fā)展趨勢

楊鳳娥

（云南省生態(tài)環(huán)境廳駐大理州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，云南 大理 671000）

引言

隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人口的持續(xù)增長，環(huán)境污染問題日益嚴重，給人類社會和自然生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的影響。因此，環(huán)境監(jiān)測成了保護環(huán)境和人類健康的重要手段。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)作為環(huán)境保護的重要組成部分，不斷得到了改進和創(chuàng)新。本文旨在通過分析環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的從業(yè)人員和研究者提供參考和借鑒。

1 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程及意義

1.1 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的歷史發(fā)展脈絡(luò)

（1）19世紀初期至20世紀初期：在19世紀初期，人們開始意識到環(huán)境質(zhì)量對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的重要性。早期的環(huán)境監(jiān)測主要是通過實地調(diào)查和觀測來收集數(shù)據(jù)，例如記錄氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)和土壤狀況等。這些數(shù)據(jù)的收集依賴于人工采樣和實驗室測試。

（2）20世紀中期至1970年代：隨著化學(xué)分析技術(shù)的進步，20世紀中期以后，環(huán)境監(jiān)測逐漸引入了化學(xué)分析的方法。人們開始利用化學(xué)方法來檢測大氣中的污染物、水體中的有害化學(xué)物質(zhì)、土壤中的重金屬等。這些化學(xué)分析方法為環(huán)境監(jiān)測提供了更準確的、定量的數(shù)據(jù)。

（3）1970年代至1990年代：在20世紀70年代，建立了全球和國家層面的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以更全面地監(jiān)測環(huán)境狀況。此外，遙感技術(shù)的應(yīng)用也為環(huán)境監(jiān)測帶來了重大突破。通過衛(wèi)星和航空器獲取的遙感圖像和數(shù)據(jù)可以大范圍地進行環(huán)境監(jiān)測，例如監(jiān)測空氣質(zhì)量、森林覆蓋和土地利用等。

（4）1990年代至今：近年來，傳感器技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測帶來了革命性的變化。微型傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得環(huán)境監(jiān)測可以實現(xiàn)實時、連續(xù)和分布式的數(shù)據(jù)采集。傳感器可以直接感知環(huán)境參數(shù)和污染物，將其轉(zhuǎn)化為電信號或數(shù)據(jù)，并進行傳輸。這種技術(shù)的應(yīng)用使得監(jiān)測范圍更廣、數(shù)據(jù)更新更快，提高了環(huán)境監(jiān)測的效率和精確度。

1.2 環(huán)境監(jiān)測的意義

環(huán)境監(jiān)測可以及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染源和污染物，及時采取措施避免其對人體健康造成危害。例如，對空氣中的污染物進行監(jiān)測，可以及時預(yù)警和控制空氣污染，從而降低人類呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生率。生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境變化非常敏感，環(huán)境監(jiān)測可以及時監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的變化，保護生態(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性。例如，對水環(huán)境的監(jiān)測可以有效控制水質(zhì)，保護水生態(tài)系統(tǒng)的健康。環(huán)境監(jiān)測可以為環(huán)境治理和管理提供科學(xué)依據(jù)。通過對環(huán)境要素及污染物進行系統(tǒng)、全面、準確的監(jiān)測和評價，可以了解環(huán)境現(xiàn)狀和變化趨勢，從而采取針對性的環(huán)境治理和管理措施，保護環(huán)境。環(huán)境監(jiān)測可以提供大量的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，為環(huán)境科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和依據(jù)。通過分析和挖掘環(huán)境數(shù)據(jù)，可以了解環(huán)境變化的規(guī)律和趨勢，為環(huán)境相關(guān)部門進行科學(xué)研究提供支持和指導(dǎo)。環(huán)境監(jiān)測可以提供環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，為可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)和支持。通過對環(huán)境要素的監(jiān)測和評價，可以了解環(huán)境對經(jīng)濟和社會發(fā)展的影響，從而制定出可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃和戰(zhàn)略[1]。

2 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1 實驗室監(jiān)測

2.1.1 野外取樣

野外取樣是指在特定區(qū)域采集大氣、水體或土壤樣品，并將這些樣品帶回實驗室進行分析。野外取樣通常需要環(huán)境專業(yè)人員進行，他們根據(jù)監(jiān)測目的和要求選擇合適的采樣點和采樣方法。野外取樣可以提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，但由于需要手動采集和實驗室分析，操作繁瑣，費時費力，無法實現(xiàn)實時監(jiān)測。

2.1.2 實驗室分析

實驗室分析是傳統(tǒng)監(jiān)測方法的另一關(guān)鍵步驟。野外取樣得到的樣品在實驗室中進行定量分析和測試，以獲得各項環(huán)境參數(shù)的測量值。在進行實驗室分析之前，需要對采集的樣品進行適當?shù)臏蕚浜吞幚?。樣品準備過程可能涉及樣品的預(yù)處理、提取、濃縮和制備等。樣品準備的目的是提高分析的準確性和靈敏度，同時消除潛在的干擾因素。實驗室分析需要嚴格遵循標準操作程序和質(zhì)量控制要求，以確保結(jié)果的準確性和可靠性。在環(huán)境監(jiān)測中，要根據(jù)監(jiān)測目標和樣品特性，選擇適當?shù)姆治龇椒ㄟM行測量。不同的環(huán)境參數(shù)和污染物可能需要不同的分析方法。例如，空氣質(zhì)量監(jiān)測可選擇氣相色譜法、質(zhì)譜法等；水質(zhì)監(jiān)測可選擇pH值、溶解氧、化學(xué)需氧量（COD）等分析方法。分析方法的選擇應(yīng)基于準確性、精確度、靈敏度和特定樣品的可操作性。實驗室分析依賴于各種分析設(shè)備和儀器，以實現(xiàn)對樣品的測量和分析。這些設(shè)備和儀器需要具備高精度、可靠性和穩(wěn)定性，以確保準確的測量結(jié)果。常見的實驗室設(shè)備包括氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、光譜儀、離子色譜儀、pH計等。這些設(shè)備需要定期進行校準和維護，以保證其準確性并穩(wěn)定運行。在實驗室分析過程中，質(zhì)量控制是確保結(jié)果準確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。質(zhì)量控制包括校準、空白樣品、質(zhì)控樣品和重復(fù)性檢測等。校準是使用已知濃度的標準物質(zhì)對儀器進行校準，以建立分析方法的準確性和線性范圍?？瞻讟悠酚糜跈z測分析過程中的背景污染。質(zhì)控樣品是已知濃度的參考樣品，用于評估實驗室的準確性和精確性。重復(fù)性檢測用于評估同一樣品分析結(jié)果的一致性和可重復(fù)性。實驗室分析完成后，需要對得到的數(shù)據(jù)進行分析和解釋，并生成最終的監(jiān)測結(jié)果報告。數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和質(zhì)量評估等。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)校正、單位換算和異常值處理等。統(tǒng)計分析用于計算平均值、標準差、相關(guān)性等統(tǒng)計指標。質(zhì)量評估用于評估分析結(jié)果的可靠性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。最后，根據(jù)分析結(jié)果，生成詳細的監(jiān)測結(jié)果報告，提供給環(huán)境管理者、決策者和其他相關(guān)方使用。實驗室分析的優(yōu)點在于其準確性、可靠性和廣泛接受性。嚴格控制實驗室環(huán)境能夠保證標準化操作，確保分析過程的準確性和可重復(fù)性。實驗室分析的結(jié)果也被廣泛應(yīng)用于環(huán)境管理、政策制定和環(huán)境保護措施的評估。然而，實驗室分析也存在一些限制和挑戰(zhàn)。其中包括時間消耗較長、成本較高、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測以及對特定儀器和設(shè)備的依賴性等。此外，實驗室分析工作通常需要專業(yè)的實驗室設(shè)施和技術(shù)專家，這對于一些資源有限的地區(qū)和監(jiān)測項目可能存在困難[2]。

2.2 現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)

（1）遙感技術(shù)是一種通過獲取和解譯地球表面的遙感圖像和數(shù)據(jù)來進行環(huán)境監(jiān)測和研究的技術(shù)。它利用衛(wèi)星、航空器和其他遙感平臺搭載的傳感器，獲取不同波段的光譜信息，可以實現(xiàn)對大范圍區(qū)域的環(huán)境要素和變化的遙感監(jiān)測。遙感數(shù)據(jù)可以分為光學(xué)數(shù)據(jù)和雷達數(shù)據(jù)兩種類型。光學(xué)數(shù)據(jù)是利用反射和輻射原理獲取的，主要包括可見光、紅外和熱紅外數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以提供地表覆蓋類型、植被生長狀態(tài)、土地利用等信息。雷達數(shù)據(jù)則是利用雷達信號的散射和回波特性獲取的，可以用于監(jiān)測地表高度、形態(tài)和濕度等。遙感數(shù)據(jù)的處理和分析是遙感技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射校正、幾何校正和大氣校正等，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和準確性。數(shù)據(jù)解譯和分類是利用遙感圖像進行地物類型分類和辨識的過程，采用像元級、目標級或物體級的分類方法。遙感數(shù)據(jù)還可以與地理信息系統(tǒng)（GIS）集成，進行空間分析和建模，以獲取更多的環(huán)境信息。

（2）傳感器技術(shù)在現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測中起著至關(guān)重要的作用。傳感器是一種能夠感知環(huán)境參數(shù)并將其轉(zhuǎn)化為可測量的信號的裝置。傳感器技術(shù)的發(fā)展使得環(huán)境監(jiān)測具備了實時、準確和遠程監(jiān)測的能力。傳感器類型多種多樣，用于監(jiān)測不同的環(huán)境參數(shù)。例如，大氣傳感器用于監(jiān)測空氣質(zhì)量指標，如顆粒物濃度、氣體濃度、溫度和濕度等。水質(zhì)傳感器用于監(jiān)測水體中的pH值、溶解氧、濁度和化學(xué)物質(zhì)濃度等。土壤傳感器可以監(jiān)測土壤濕度、溫度和土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)含量。此外，還有聲音傳感器、光學(xué)傳感器、振動傳感器等，用于監(jiān)測環(huán)境中的噪聲、光照強度、振動等。

（3）在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，無人機技術(shù)提供了一種靈活、高效和安全的方式來獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。無人機可以搭載各種傳感器和設(shè)備，如高分辨率相機、紅外相機、氣象傳感器等，用于采集大氣、水體、土壤和植被等環(huán)境參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)。無人機的靈活性和機動性使得它能夠進入難以到達或危險的區(qū)域，并能夠?qū)崿F(xiàn)高空、大范圍和高分辨率的方式獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。無人機可以攜帶氣體傳感器和顆粒物傳感器，實時監(jiān)測大氣中的有害氣體濃度、顆粒物分布和空氣質(zhì)量狀況。它可以在不同高度和位置進行采樣，提供更全面的空氣質(zhì)量信息。無人機可以用于監(jiān)測湖泊、河流、海洋等水體的水質(zhì)獲取水體參數(shù)。通過攜帶水質(zhì)傳感器，無人機可以獲取水體的溶解氧、pH值、濁度、葉綠素濃度等數(shù)據(jù)，并快速繪制水體參數(shù)分布圖。無人機搭載多光譜相機或紅外相機可以進行植被監(jiān)測。通過獲取植被的光譜特征和熱紅外輻射，可以評估植被的健康狀態(tài)、生長情況和葉面積指數(shù)等。這對于農(nóng)業(yè)、森林管理和生態(tài)保護具有重要意義。無人機技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中具有安全性和準確性優(yōu)勢。通過遙控操作或自主飛行，無人機可以進入危險環(huán)境，如高空、狹窄的區(qū)域或高風(fēng)險區(qū)域，以獲取數(shù)據(jù)，減少人員安全風(fēng)險。同時，無人機具有較高的定位精度和懸停能力，可以對特定區(qū)域進行詳細監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

3 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 多元化和綜合化的發(fā)展

環(huán)境監(jiān)測涉及多個領(lǐng)域和指標，未來的發(fā)展趨勢是將不同的監(jiān)測技術(shù)進行多元化和綜合化的應(yīng)用。不同環(huán)境要素和污染物的監(jiān)測需要采用多種監(jiān)測手段的組合，以獲取更全面、準確的數(shù)據(jù)。同時，環(huán)境監(jiān)測將與其他領(lǐng)域的技術(shù)相結(jié)合，如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的智能化和自動化[3]。

3.2 實時性和移動性的提升

隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷進步，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將更加注重實時性和移動性的發(fā)展。傳感器節(jié)點可以實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并通過無線通信傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境變化的實時監(jiān)測和響應(yīng)。此外，移動監(jiān)測平臺的發(fā)展也將使環(huán)境監(jiān)測能夠靈活地應(yīng)用于不同區(qū)域和場景，滿足不同監(jiān)測需求。

3.3 數(shù)據(jù)處理和分析能力的提升

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測將更加注重對海量數(shù)據(jù)的處理和分析能力的提升。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測往往面臨數(shù)據(jù)量龐大、復(fù)雜性高等挑戰(zhàn)，而大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)可以幫助挖掘數(shù)據(jù)中的隱藏模式和規(guī)律，提高數(shù)據(jù)利用效率和監(jiān)測結(jié)果的準確性。

3.4 智能決策支持的發(fā)展

未來環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將更加注重提供智能化的決策支持?；诖髷?shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可以建立環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、風(fēng)險評估模型等，為環(huán)境管理者和決策者提供科學(xué)的決策依據(jù)和預(yù)測能力，實現(xiàn)精細化的環(huán)境管理和控制。智能決策支持系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型預(yù)測和風(fēng)險評估，提供可視化的結(jié)果和建議，幫助決策者制定和實施環(huán)境保護政策。

3.5 共享和開放的發(fā)展趨勢

環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享和開放是環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)開放政策的推動，越來越多的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)被公開和共享。這種數(shù)據(jù)的共享和開放促進了科學(xué)研究的進展，加速了環(huán)境問題的解決。共享的數(shù)據(jù)可以用于跨地區(qū)、跨領(lǐng)域的研究，為環(huán)境保護決策提供更全面的依據(jù)。此外，共享的數(shù)據(jù)還可以促進公眾參與和環(huán)境治理的透明度，增強社會的環(huán)境意識和責(zé)任感。

3.6 環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展的融合

未來環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展將與可持續(xù)發(fā)展目標密切相關(guān)。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)不僅關(guān)注環(huán)境污染監(jiān)測，還將關(guān)注資源的可持續(xù)利用、生態(tài)保護等方面的監(jiān)測。例如，對可再生能源的監(jiān)測和評估，對生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和保護等，都將成為未來環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3.7 精細化和個性化的監(jiān)測

未來環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將趨向精細化和個性化。傳統(tǒng)的大范圍均勻監(jiān)測將逐漸向特定區(qū)域、特定目標的監(jiān)測轉(zhuǎn)變。通過精細化監(jiān)測，可以更準確地了解特定區(qū)域的環(huán)境狀況，為精細化的環(huán)境管理和控制提供支持。同時，個性化監(jiān)測也將逐漸普及，通過個人設(shè)備和移動應(yīng)用，公眾可以獲取個人周圍環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，增強環(huán)境意識和參與度。

4 結(jié)語

環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在環(huán)境保護和管理中具有重要作用。本文對環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀進行了分析，并展望了其未來的發(fā)展趨勢。隨著科技的不斷進步，環(huán)境監(jiān)測技術(shù)將更加多元化、綜合化，注重實時性和移動性，提升數(shù)據(jù)處理和分析能力，并提供智能化的決策支持。未來要加強科研和技術(shù)創(chuàng)新，加強國際合作和標準制定，以推動環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，營造更清潔、健康、可持續(xù)的環(huán)境。