我國大氣環境監測信息系統的建設與發展研究

李春萌

（武漢大學資源與環境科學學院，湖北　武漢　430000）

我國大氣環境監測信息系統的建設與發展研究

李春萌

（武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢430000）

大氣環境監測系統主要用于監測環境污染狀況及其發展趨勢，實現大氣環境信息的獲取、分析和管理。基于此，綜述我國在該領域的研究成果并展望其發展方向。20世紀70年代末，是我國大氣環境監測系統的初始階段，主要是形成大氣監測系統的基本理論與方法；80年代到90年代初，是我國的大氣環境監測系統的規范化系統化形成時期，這個期間明確大氣環境監測的功能和結構，同時是我國大氣監測環境信息系統與信息系統技術開始融合的階段；90年代至今，是我國環境信息系統的迅猛發展階段，信息技術行業的迅猛發展為其開發提供了豐富的方法和手段，基于3S技術和物聯網技術的大氣監測系統占據了主流地位。隨著信息技術的進一步普遍應用，我國的環境信息系統必將走向網絡化和智能化，同時將會更加貼合實際，成為我國大氣環境管理的重要支柱。

大氣環境監測系統；發展歷程；問題；展望

自20世紀80年代初期以來，隨著人們對環境質量重視度的提高與信息技術的不斷成熟，環境監測信息系統逐漸成熟起來。全球各個區域開始陸續建立各種環境檢測信息系統，為環境規劃、開發、管理和決策提供基礎的數據，是環境緊急情況及時預測與應答的前提，保障了人體健康、社會穩定和生態平衡。大氣環境監測信息系統以環境管理服務為目的，以現代計算機軟件與硬件為工具，實現對環境大氣污染狀況及其變化趨勢進行分析的系統。大氣環境監測信息系統主要是對大氣中某些特征性的污染物濃度變化數據進行監測，從而實現大氣環境狀況的實時模擬與控制。我國的大氣環境檢測信息系統經過30多年的研究與實踐，不斷將新技術應用于系統實踐中，已經形成了較為成熟的運行模式。

1　我國大氣環境監測信息系統的發展歷程

我國大氣環境監測工作相對于一些發達國家起步較晚，但發達國家污染問題起源較早，在20世紀三四十年代美英日等國的一些城市先后發生過大規模的有害氣體中毒的嚴重事故。60年代初，仍只在個別城市設立簡易的單個指標的監測點或取樣點。到60年代末和70年代初，這些國家先后成立了環境保護廳或環境對策委員會。在70年代，不少國家的空氣監測網和連續自動空氣監測站都有較大的發展［1］。同時中國開始步入工業化社會，環境問題日益突出。到了20世紀70年代末，我國在3a間建立了大概20個大氣監測站［2］，使我國的大氣監測系統初具規模。同時我國參與WHO主持的GEMS，我國參加全球大氣監測系統的有北京、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測工作的比較，可以看出當時我國的大氣環境監測信息系統單機間斷采樣和手工分析，隨著各類大氣監測儀器和技術的發展，大氣質量監測進入新的階段，從間斷的手工分析向大氣污染自動連續監測系統發展。1985年全國大氣環境地面自動監測系統審定會決定在北京、上海和天津等市環建立大氣環境地面自動監測系統［4］。青島市在1984年與中美合資的寧加公司進行合作［5］。唐山市由于為地震后重建，其系統采用集中分散式微機控制無線電傳輸網絡，子站系統和一次儀表能夠連續運行［6］。

20世紀80年代到90年代初我國主要進行由單機間斷采樣和手工分析向完整的大氣污染自動連續地面監測系統發展。進入90年代后，新的信息技術不斷涌現，掀起了信息技術革命的新浪潮。其中，與環境信息系統發展有關的一些動向包括通信技術和互聯網的迅猛發展，計算機系統結構由封閉集中向開放分散的轉變，3S技術等。大氣環境檢測信息系統設計的開發路線緊密依賴于最新的信息技術的發展，尤其是軟件技術的發展。我國氣象部門開始從2000年構建大氣監測自動化系統，是由氣象衛星、多普勒雷達、地面自動氣象站組成的三層監測網絡［7］，為全國各地的大氣環監測信息系統的遠程化發展提供了條件。

在這些技術發展的背景下，大氣環境檢測信息系統開始從地面監測向與空間信息系統結合的方向發展，從手動化向自動化發展，由微觀調控向宏觀調控發展。大氣環境信息系統從地面監測開始向與3S相結合的方向發展。太原市從1983年到1997年進行了2次技術改造，由無線數傳方式改為有線傳輸［8］。北京市首先在系統中應用ArcView GIS，以此實現系統的數據管理、數據查詢、空間分析、趨勢分析和制圖制表等功能［9］。同時，一些新的物理技術逐漸應用到信息系統中去，如DO AS大氣環境質量監測系統［10］、基于Intranet的分布式可控監測技術［11］、用于大氣污染監測的紅外圖象處理系統［12］等。

21世紀初至今，我國的大氣環境監測隨著信息系統技術的發展與創新，也得到了進一步的發展。主要的發展方向是3S技術與大氣環境信息系統的進一步結合，同時開始由有線通信連接轉變為無線通信連接，軟件操作系統平臺與監測技術進一步進行技術提升，系統的應用更加系統化與精細化。此外，還可以發現大氣環境監測信息系統的應用更加廣泛，除了國家、省級和部分發達城市外，一些局部具體的信息系統也開始進行開展。例如，對一些重點污染源實行實時的監控：結合GPS的礦區大氣環境質量監測［13］；市級縣級的結合GIS的大氣環境檢測信息系統開始建立并且投入運行：重慶綦江縣結合GIS的大氣環境監測信息系統的開發［14］。

2　目前的主要研究熱點

2.1結合GIS技術的大氣環境監測信息系統的優化與建立

總體而言，我國的GIS技術在環境方面的應用起步較晚，一直到1987年底，中國國家計委和中科院才建立了資源與環境信息系統國家重點實驗室。這標志著我國GIS技術在環境方面的研究和應用的開始［15］。目前在大氣環境監測中已經應用較為廣泛，如天津市環境監測地理信息系統充分利用GIS的強大功能，增強了監測工作的可視化、準確性和時效性。天津市的大氣環境檢測信息系統使用的是HJGIS結構，可充分發揮2種結構的長處［16］。中國市場上較流行GIS軟件ARC/INFO、GENAMPA、SYSTEM9等，可直接嫁接到系統中，對其進行組裝從而完成GIS的環境監測信息系統的建立，這些縮短了研制周期，提高了運行效率［17］。

2.2遙感技術在大氣環境監測系統中的應用

遙感技術具有監測范圍廣、速度快、成本低以及便于進行長期的動態監測等優勢，還能發現有時用常規方法難以揭示的污染源及其擴散的狀態。這種技術不但可以實時、快速、動態地監測大范圍的大氣環境變化和大氣環境污染，也可以實時、快速跟蹤和監測突發性大氣環境污染事件的發生發展，以便及時制定處理措施，減少大氣污染造成的損失［18］。因此，遙感監測作為大氣環境管理和大氣污染控制的重要手段之一，正發揮著不可替代的作用。大氣環境遙感監測作為遙感技術應用中較為重要的內容之一，在業務上不同于常規氣象要素的監測。而大氣環境遙感則是監測大氣中的痕量氣體成分和氣溶膠等的三維分布。大氣環境遙感監測技術按其工作方式可分為被動式遙感監測和主動式遙感監測，主要可以實現區域的大氣環境質量監測。

2.3基于物聯網技術的大氣環境監測系統研究

物聯網（Internet of Things）就是將能夠被獨立尋址的普通物理對象以互聯網、傳統電信網等為信息承載體實現互聯互通的網絡。物聯網3個重要的技術包括傳感器技術、嵌入式系統技術、云計算［19］。隨著現代無線通信的高速發展，為滿足大氣環境監測系統要求，利用Zigbee技術和網絡通信技術實現對大氣環境信息實時監測的方案應運而生。系統一般是由節點（傳感器）、移動網絡、服務器與客戶端五部分組成的，實現了大氣環境監測的智能化、高效化和網絡化［20］。其中主要的技術是節點的設計，移動的網絡目前主要有3G網、4G網。目前針對這一研究主要的方向為節點的設計、系統各個部分之間的銜接、服務器的技術的提升、客戶端的人性化和智能化設計。

3　我國大氣環境監測信息系統發展遇到的問題

目前，我國的大氣環境監測信息系統已經日趨完善，我國已經基本實現了大部分城市大氣環境監測信息系統的建設。大氣環境監測信息系統隨著人們對大氣環境質量要求的進一步提升，其建設強度與范圍逐漸增加，但目前存在以下一些問題。

①各地區環境管理應用軟件開發建設缺乏統一管理和技術規范，系統建設各自獨立，形成數據孤島，缺乏信息共享機制。同時，環保各業務部門基本上都根據本部或某一特定業務編制了相應的軟件。但是，由于各相應軟件的工作平臺、開發工具、后臺數據庫的不同，使得各軟件系統彼此之間的數據共享性很差。

②部分地區大氣環境監測信息系統建設持續資金投入比例失調，只注重系統前期建設投入，缺乏對系統建成后的設備更新和應用能力建設、人員培訓等方面的持續投入，使得系統建設的效益與作用不能充分發揮出來。

③我國的大氣環境監測信息系統目前已經基本達到了先進水平，但由于信息公開及需求分析環節的一些局限性，使得一些大氣質量監測的指標數據不能切實反應真實值，使其有效性降低。

4　我國大氣環境監測信息系統的展望

從我國的大氣環境檢測信息系統的發展歷史可以發現，其是從局部化向整體化發展的。發展過程中信息系統技術的發展與創新是其建設的創新來源，而社會對大氣環境掌控的需求是其開發的不竭動力。大氣環境監測信息系統也隨著信息技術的發展，逐漸走向自動化、統一化，同時逐漸提高了及時性、準確度。3S技術基本運用成熟，成為常用的技術手段，隨著3S技術的進一步推廣，大氣環境監測信息系統可實現即時定位、實時反映，為環境質量評價與環境管理決策提供數據支持。同時，基于物聯網的大氣環境監測系統的建設將會更加普遍，可保證信息傳遞的及時性，同時便于用戶了解大氣環境信息。因此，我國大氣環境監測系統的建設將密切跟蹤信息技術發展的潮流，將建立成一個開放式、分布式、組件化、模擬化的系統，使環境信息能夠跨地區、跨行業自由流通，并將集成地理信息系統、遙感技術、全球定位系統技術，迅速準確地獲取自然災害和環境信息，及時、全面地掌握我國大氣環境狀況及其發展趨勢，為我國的大氣環境的治理及環境規劃提供支持，為社會提供全方位的環境信息服務，促進我國的可持續發展建設。

［1］王湘君.淺談大氣監測系統的建設［J］.中國環境管理，1987（1）：40-41.

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

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

［4］蘭天.全國大氣環境地面自動監測系統會在洛陽市召開［J］.環境科學動態，1983（9）：3.

［5］青島市環境大氣地面自動監測系統引進情況［J］.環境科學動態，1988（2）：46-48.

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

［7］張曉松.我國構筑大氣監測自動化系統［N］.人民日報，2000-09-24.

［8］連風寶.太原市大氣自動監測系統［J］.大眾標準化，2001（3）：42.

［9］李勇智.北京市大氣質量常規監測管理信息系統的建立及其應用［D］.北京：北京工業大學，2001.

［10］付強，謝品華，王瑞斌.DOAS大氣環境質量監測系統與傳統點式采樣監測法可比性研究［J］.中國環境監測，2003 （2）：26-28.

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

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

［13］董倩.基于GPS的礦區大氣環境監測系統研究［D］.青島：青島理工大學.

［14］韓敏，戴宏民，徐君.基于GIS縣級大氣環境信息系統的設計開發——以重慶綦江縣為例［J］.重慶工商大學學報（自然科學版），2008（2）：181-185.

［15］黃治國，張家福.基于GIS技術的環境信息系統在我國的發展及展望［J］.環境保護科學，2007（3）：54-57.

［16］李梅，辛小毛，張寬.基于GIS技術建立天津市環境檢測地理信息［A］//中國環境科學學會學術年會，2005.

［17］周勁風.我國環境信息系統研究進展［J］.環境科學動態，2002（1）：27-30.

［18］程立剛.遙感技術在大氣環境監測中的應用綜述［J］.中國環境監測，2005（5）：17-23.

［19］李鵬.基于物聯網技術的大氣環境監測系統研究［J］.信息通信，2013（8）：59-60.

［20］梅志堅，馬婭婕.基于ZigBee和GPRS的大氣污染監測系統設計［J］.武漢科技大學學報，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：大氣環境。