我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)環(huán)境污染狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境信息的獲取、分析和管理。基于此，綜述我國(guó)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(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初始階段，主要是形成大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本理論與方法；80年代到90年代初，是我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)范化系統(tǒng)化形成時(shí)期，這個(gè)期間明確大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能和結(jié)構(gòu)，同時(shí)是我國(guó)大氣監(jiān)測(cè)環(huán)境信息系統(tǒng)與信息系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)始融合的階段；90年代至今，是我國(guó)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(kāi)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(cè)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(guó)的環(huán)境信息系統(tǒng)必將走向網(wǎng)絡(luò)化和智能化，同時(shí)將會(huì)更加貼合實(shí)際，成為我國(guó)大氣環(huán)境管理的重要支柱。

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；發(fā)展歷程；問(wèn)題；展望

自20世紀(jì)80年代初期以來(lái)，隨著人們對(duì)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(cè)信息系統(tǒng)逐漸成熟起來(lái)。全球各個(gè)區(qū)域開(kāi)始陸續(xù)建立各種環(huán)境檢測(cè)信息系統(tǒng)，為環(huán)境規(guī)劃、開(kāi)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(shí)預(yù)測(cè)與應(yīng)答的前提，保障了人體健康、社會(huì)穩(wěn)定和生態(tài)平衡。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)以環(huán)境管理服務(wù)為目的，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件與硬件為工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境大氣污染狀況及其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析的系統(tǒng)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)主要是對(duì)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(cè)，從而實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)模擬與控制。我國(guó)的大氣環(huán)境檢測(cè)信息系統(tǒng)經(jīng)過(guò)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(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程

我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作相對(duì)于一些發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但發(fā)達(dá)國(guó)家污染問(wèn)題起源較早，在20世紀(jì)三四十年代美英日等國(guó)的一些城市先后發(fā)生過(guò)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(gè)別城市設(shè)立簡(jiǎn)易的單個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)或取樣點(diǎn)。到60年代末和70年代初，這些國(guó)家先后成立了環(huán)境保護(hù)廳或環(huán)境對(duì)策委員會(huì)。在70年代，不少?lài)?guó)家的空氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)和連續(xù)自動(dòng)空氣監(jiān)測(cè)站都有較大的發(fā)展［1］。同時(shí)中國(guó)開(kāi)始步入工業(yè)化社會(huì)，環(huán)境問(wèn)題日益突出。到了20世紀(jì)70年代末，我國(guó)在3a間建立了大概20個(gè)大氣監(jiān)測(cè)站［2］，使我國(guó)的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初具規(guī)模。同時(shí)我國(guó)參與WHO主持的GEMS，我國(guó)參加全球大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有北京、上海、沈陽(yáng)等5個(gè)城市［3］。

從70年代到80年代我國(guó)與國(guó)外大氣監(jiān)測(cè)工作的比較，可以看出當(dāng)時(shí)我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)單機(jī)間斷采樣和手工分析，隨著各類(lèi)大氣監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)的發(fā)展，大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)進(jìn)入新的階段，從間斷的手工分析向大氣污染自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展。1985年全國(guó)大氣環(huán)境地面自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)審定會(huì)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(dòng)監(jiān)測(cè)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(wú)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(guó)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(dòng)連續(xù)地面監(jiān)測(cè)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(dòng)向包括通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由封閉集中向開(kāi)放分散的轉(zhuǎn)變，3S技術(shù)等。大氣環(huán)境檢測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)路線緊密依賴(lài)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(guó)氣象部門(mén)開(kāi)始從2000年構(gòu)建大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，是由氣象衛(wèi)星、多普勒雷達(dá)、地面自動(dòng)氣象站組成的三層監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)［7］，為全國(guó)各地的大氣環(huán)監(jiān)測(cè)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(cè)信息系統(tǒng)開(kāi)始從地面監(jiān)測(cè)向與空間信息系統(tǒng)結(jié)合的方向發(fā)展，從手動(dòng)化向自動(dòng)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(cè)開(kāi)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(wú)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(xún)、空間分析、趨勢(shì)分析和制圖制表等功能［9］。同時(shí)，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(cè)系統(tǒng)［10］、基于Intranet的分布式可控監(jiān)測(cè)技術(shù)［11］、用于大氣污染監(jiān)測(cè)的紅外圖象處理系統(tǒng)［12］等。

21世紀(jì)初至今，我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)開(kāi)始由有線通信連接轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線通信連接，軟件操作系統(tǒng)平臺(tái)與監(jiān)測(cè)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(cè)信息系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，除了國(guó)家、省級(jí)和部分發(fā)達(dá)城市外，一些局部具體的信息系統(tǒng)也開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)展。例如，對(duì)一些重點(diǎn)污染源實(shí)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控：結(jié)合GPS的礦區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)［13］；市級(jí)縣級(jí)的結(jié)合GIS的大氣環(huán)境檢測(cè)信息系統(tǒng)開(kāi)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(cè)信息系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)信息系統(tǒng)的優(yōu)化與建立

總體而言，我國(guó)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(guó)國(guó)家計(jì)委和中科院才建立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。這標(biāo)志著我國(guó)GIS技術(shù)在環(huán)境方面的研究和應(yīng)用的開(kāi)始［15］。目前在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中已經(jīng)應(yīng)用較為廣泛，如天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)工作的可視化、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。天津市的大氣環(huán)境檢測(cè)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(zhǎng)處［16］。中國(guó)市場(chǎng)上較流行GIS軟件ARC/INFO、GENAMPA、SYSTEM9等，可直接嫁接到系統(tǒng)中，對(duì)其進(jìn)行組裝從而完成GIS的環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低以及便于進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，還能發(fā)現(xiàn)有時(shí)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(shí)、快速、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)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(shí)、快速跟蹤和監(jiān)測(cè)突發(fā)性大氣環(huán)境污染事件的發(fā)生發(fā)展，以便及時(shí)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(cè)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(cè)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(cè)。而大氣環(huán)境遙感則是監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)按其工作方式可分為被動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)和主動(dòng)式遙感監(jiān)測(cè)，主要可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

2.3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)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(gè)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(jì)算［19］。隨著現(xiàn)代無(wú)線通信的高速發(fā)展，為滿(mǎn)足大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(duì)大氣環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器與客戶(hù)端五部分組成的，實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)，移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)目前主要有3G網(wǎng)、4G網(wǎng)。目前針對(duì)這一研究主要的方向?yàn)楣?jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)各個(gè)部分之間的銜接、服務(wù)器的技術(shù)的提升、客戶(hù)端的人性化和智能化設(shè)計(jì)。

3　我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)發(fā)展遇到的問(wèn)題

目前，我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)已經(jīng)日趨完善，我國(guó)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了大部分城市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的建設(shè)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)隨著人們對(duì)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(wèn)題。

①各地區(qū)環(huán)境管理應(yīng)用軟件開(kāi)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(shí)，環(huán)保各業(yè)務(wù)部門(mén)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(tái)、開(kāi)發(fā)工具、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)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(duì)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(lái)。

③我國(guó)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(kāi)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(cè)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(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的展望

從我國(guó)的大氣環(huán)境檢測(cè)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(guò)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(lái)源，而社會(huì)對(duì)大氣環(huán)境掌控的需求是其開(kāi)發(fā)的不竭動(dòng)力。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)也隨著信息技術(shù)的發(fā)展，逐漸走向自動(dòng)化、統(tǒng)一化，同時(shí)逐漸提高了及時(shí)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(cè)信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)即時(shí)定位、實(shí)時(shí)反映，為環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與環(huán)境管理決策提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)將會(huì)更加普遍，可保證信息傳遞的及時(shí)性，同時(shí)便于用戶(hù)了解大氣環(huán)境信息。因此，我國(guó)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(gè)開(kāi)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(shí)、全面地掌握我國(guó)大氣環(huán)境狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)的大氣環(huán)境的治理及環(huán)境規(guī)劃提供支持，為社會(huì)提供全方位的環(huán)境信息服務(wù)，促進(jìn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)。

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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。