環境監測技術現狀分析及其發展趨勢

楊鳳娥

（云南省生態環境廳駐大理州生態環境監測站，云南 大理 671000）

引言

隨著全球經濟的迅猛發展和人口的持續增長，環境污染問題日益嚴重，給人類社會和自然生態系統造成了嚴重的影響。因此，環境監測成了保護環境和人類健康的重要手段。環境監測技術作為環境保護的重要組成部分，不斷得到了改進和創新。本文旨在通過分析環境監測技術的現狀和發展趨勢，為環境保護和環境監測領域的從業人員和研究者提供參考和借鑒。

1 環境監測技術的發展歷程及意義

1.1 環境監測技術的歷史發展脈絡

（1）19世紀初期至20世紀初期：在19世紀初期，人們開始意識到環境質量對人類健康和生態系統的重要性。早期的環境監測主要是通過實地調查和觀測來收集數據，例如記錄氣象數據、水質和土壤狀況等。這些數據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：隨著化學分析技術的進步，20世紀中期以后，環境監測逐漸引入了化學分析的方法。人們開始利用化學方法來檢測大氣中的污染物、水體中的有害化學物質、土壤中的重金屬等。這些化學分析方法為環境監測提供了更準確的、定量的數據。

（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境監測網絡，以更全面地監測環境狀況。此外，遙感技術的應用也為環境監測帶來了重大突破。通過衛星和航空器獲取的遙感圖像和數據可以大范圍地進行環境監測，例如監測空氣質量、森林覆蓋和土地利用等。

（4）1990年代至今：近年來，傳感器技術的發展為環境監測帶來了革命性的變化。微型傳感器和無線傳感器網絡的出現使得環境監測可以實現實時、連續和分布式的數據采集。傳感器可以直接感知環境參數和污染物，將其轉化為電信號或數據，并進行傳輸。這種技術的應用使得監測范圍更廣、數據更新更快，提高了環境監測的效率和精確度。

1.2 環境監測的意義

環境監測可以及時發現環境污染源和污染物，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測，可以及時預警和控制空氣污染，從而降低人類呼吸系統疾病的發生率。生態系統對環境變化非常敏感，環境監測可以及時監測生態系統的變化，保護生態系統的完整性和穩定性。例如，對水環境的監測可以有效控制水質，保護水生態系統的健康。環境監測可以為環境治理和管理提供科學依據。通過對環境要素及污染物進行系統、全面、準確的監測和評價，可以了解環境現狀和變化趨勢，從而采取針對性的環境治理和管理措施，保護環境。環境監測可以提供大量的環境數據和信息，為環境科學研究提供基礎數據和依據。通過分析和挖掘環境數據，可以了解環境變化的規律和趨勢，為環境相關部門進行科學研究提供支持和指導。環境監測可以提供環境數據和信息，為可持續發展提供決策依據和支持。通過對環境要素的監測和評價，可以了解環境對經濟和社會發展的影響，從而制定出可持續發展的規劃和戰略[1]。

2 環境監測技術的現狀

2.1 實驗室監測

2.1.1 野外取樣

野外取樣是指在特定區域采集大氣、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境專業人員進行，他們根據監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測數據，但由于需要手動采集和實驗室分析，操作繁瑣，費時費力，無法實現實時監測。

2.1.2 實驗室分析

實驗室分析是傳統監測方法的另一關鍵步驟。野外取樣得到的樣品在實驗室中進行定量分析和測試，以獲得各項環境參數的測量值。在進行實驗室分析之前，需要對采集的樣品進行適當的準備和處理。樣品準備過程可能涉及樣品的預處理、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量控制要求，以確保結果的準確性和可靠性。在環境監測中，要根據監測目標和樣品特性，選擇適當的分析方法進行測量。不同的環境參數和污染物可能需要不同的分析方法。例如，空氣質量監測可選擇氣相色譜法、質譜法等；水質監測可選擇pH值、溶解氧、化學需氧量（COD）等分析方法。分析方法的選擇應基于準確性、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備和儀器，以實現對樣品的測量和分析。這些設備和儀器需要具備高精度、可靠性和穩定性，以確保準確的測量結果。常見的實驗室設備包括氣相色譜儀、質譜儀、光譜儀、離子色譜儀、pH計等。這些設備需要定期進行校準和維護，以保證其準確性并穩定運行。在實驗室分析過程中，質量控制是確保結果準確性和可靠性的關鍵步驟。質量控制包括校準、空白樣品、質控樣品和重復性檢測等。校準是使用已知濃度的標準物質對儀器進行校準，以建立分析方法的準確性和線性范圍。空白樣品用于檢測分析過程中的背景污染。質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。重復性檢測用于評估同一樣品分析結果的一致性和可重復性。實驗室分析完成后，需要對得到的數據進行分析和解釋，并生成最終的監測結果報告。數據分析包括數據處理、統計分析和質量評估等。數據處理包括數據校正、單位換算和異常值處理等。統計分析用于計算平均值、標準差、相關性等統計指標。質量評估用于評估分析結果的可靠性和數據質量。最后，根據分析結果，生成詳細的監測結果報告，提供給環境管理者、決策者和其他相關方使用。實驗室分析的優點在于其準確性、可靠性和廣泛接受性。嚴格控制實驗室環境能夠保證標準化操作，確保分析過程的準確性和可重復性。實驗室分析的結果也被廣泛應用于環境管理、政策制定和環境保護措施的評估。然而，實驗室分析也存在一些限制和挑戰。其中包括時間消耗較長、成本較高、無法實現實時監測以及對特定儀器和設備的依賴性等。此外，實驗室分析工作通常需要專業的實驗室設施和技術專家，這對于一些資源有限的地區和監測項目可能存在困難[2]。

2.2 現代監測技術

（1）遙感技術是一種通過獲取和解譯地球表面的遙感圖像和數據來進行環境監測和研究的技術。它利用衛星、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，可以實現對大范圍區域的環境要素和變化的遙感監測。遙感數據可以分為光學數據和雷達數據兩種類型。光學數據是利用反射和輻射原理獲取的，主要包括可見光、紅外和熱紅外數據。這些數據可以提供地表覆蓋類型、植被生長狀態、土地利用等信息。雷達數據則是利用雷達信號的散射和回波特性獲取的，可以用于監測地表高度、形態和濕度等。遙感數據的處理和分析是遙感技術的重要環節。數據預處理包括輻射校正、幾何校正和大氣校正等，以保證數據質量和準確性。數據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。遙感數據還可以與地理信息系統（GIS）集成，進行空間分析和建模，以獲取更多的環境信息。

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

（3）在環境監測領域，無人機技術提供了一種靈活、高效和安全的方式來獲取環境數據。無人機可以搭載各種傳感器和設備，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、土壤和植被等環境參數相關數據。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域，并能夠實現高空、大范圍和高分辨率的方式獲取環境數據。無人機可以攜帶氣體傳感器和顆粒物傳感器，實時監測大氣中的有害氣體濃度、顆粒物分布和空氣質量狀況。它可以在不同高度和位置進行采樣，提供更全面的空氣質量信息。無人機可以用于監測湖泊、河流、海洋等水體的水質獲取水體參數。通過攜帶水質傳感器，無人機可以獲取水體的溶解氧、pH值、濁度、葉綠素濃度等數據，并快速繪制水體參數分布圖。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、生長情況和葉面積指數等。這對于農業、森林管理和生態保護具有重要意義。無人機技術在環境監測中具有安全性和準確性優勢。通過遙控操作或自主飛行，無人機可以進入危險環境，如高空、狹窄的區域或高風險區域，以獲取數據，減少人員安全風險。同時，無人機具有較高的定位精度和懸停能力，可以對特定區域進行詳細監測和數據采集。

3 環境監測技術的發展趨勢

3.1 多元化和綜合化的發展

環境監測涉及多個領域和指標，未來的發展趨勢是將不同的監測技術進行多元化和綜合化的應用。不同環境要素和污染物的監測需要采用多種監測手段的組合，以獲取更全面、準確的數據。同時，環境監測將與其他領域的技術相結合，如物聯網、云計算、人工智能等，實現環境監測系統的智能化和自動化[3]。

3.2 實時性和移動性的提升

隨著傳感器技術和無線通信技術的不斷進步，環境監測技術將更加注重實時性和移動性的發展。傳感器節點可以實時監測環境參數，并通過無線通信傳輸數據，實現對環境變化的實時監測和響應。此外，移動監測平臺的發展也將使環境監測能夠靈活地應用于不同區域和場景，滿足不同監測需求。

3.3 數據處理和分析能力的提升

隨著大數據和人工智能技術的發展，環境監測將更加注重對海量數據的處理和分析能力的提升。傳統的環境監測往往面臨數據量龐大、復雜性高等挑戰，而大數據分析和人工智能技術可以幫助挖掘數據中的隱藏模式和規律，提高數據利用效率和監測結果的準確性。

3.4 智能決策支持的發展

未來環境監測技術將更加注重提供智能化的決策支持。基于大數據和人工智能技術，可以建立環境監測預警系統、風險評估模型等，為環境管理者和決策者提供科學的決策依據和預測能力，實現精細化的環境管理和控制。智能決策支持系統可以通過實時監測數據、模型預測和風險評估，提供可視化的結果和建議，幫助決策者制定和實施環境保護政策。

3.5 共享和開放的發展趨勢

環境監測數據的共享和開放是環境監測技術發展的重要趨勢。隨著信息化技術的發展和數據開放政策的推動，越來越多的環境監測數據被公開和共享。這種數據的共享和開放促進了科學研究的進展，加速了環境問題的解決。共享的數據可以用于跨地區、跨領域的研究，為環境保護決策提供更全面的依據。此外，共享的數據還可以促進公眾參與和環境治理的透明度，增強社會的環境意識和責任感。

3.6 環境監測技術與可持續發展的融合

未來環境監測技術的發展將與可持續發展目標密切相關。環境監測技術不僅關注環境污染監測，還將關注資源的可持續利用、生態保護等方面的監測。例如，對可再生能源的監測和評估，對生態系統的監測和保護等，都將成為未來環境監測技術的重要發展方向。

3.7 精細化和個性化的監測

未來環境監測技術將趨向精細化和個性化。傳統的大范圍均勻監測將逐漸向特定區域、特定目標的監測轉變。通過精細化監測，可以更準確地了解特定區域的環境狀況，為精細化的環境管理和控制提供支持。同時，個性化監測也將逐漸普及，通過個人設備和移動應用，公眾可以獲取個人周圍環境的實時數據，增強環境意識和參與度。

4 結語

環境監測技術在環境保護和管理中具有重要作用。本文對環境監測技術的現狀進行了分析，并展望了其未來的發展趨勢。隨著科技的不斷進步，環境監測技術將更加多元化、綜合化，注重實時性和移動性，提升數據處理和分析能力，并提供智能化的決策支持。未來要加強科研和技術創新，加強國際合作和標準制定，以推動環境監測技術的持續發展，營造更清潔、健康、可持續的環境。