第19章環(huán)境監(jiān)測 環(huán)境監(jiān)測是最早提出、應(yīng)用最為廣泛、影響最為深遠(yuǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一。本章首先介紹環(huán)境監(jiān)測的概念、形式和手段，結(jié)合當(dāng)前全球氣候變化和環(huán)境污染的形勢，闡述環(huán)境監(jiān)測的重要意義；作為環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的雛形和重要組成部分，環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)也在本章中簡要介紹。對環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的介紹從體系結(jié)構(gòu)、基本原理、功能與應(yīng)用、意義與挑戰(zhàn)四個方面展開。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹森林生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)這個具有代表性的系統(tǒng)范例，討論其典型應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)。本章最后對物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景作了展望。 19．1 應(yīng)用背景 19．1．1環(huán)境監(jiān)測的概念 環(huán)境監(jiān)測，是指通過對人類和環(huán)境有影響的各種物質(zhì)的含量、排放量以及各種環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的檢測，跟蹤環(huán)境質(zhì)量的變化，確定環(huán)境質(zhì)量水平，為環(huán)境管理、污染治理、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供基礎(chǔ)信息、方法指引和質(zhì)量保證。進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，是開展一切環(huán)境管理和研究工作的前提。只有在對監(jiān)測信息進(jìn)行解析、綜合的基礎(chǔ)上，才能全面、客觀、準(zhǔn)確地揭示監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，對環(huán)境質(zhì)量及其變化作出正確的評價。 環(huán)境監(jiān)測的對象包括：反映環(huán)境質(zhì)量變化的各種自然因素；對人類活動與環(huán)境有影響的各種人為因素；對環(huán)境造成污 環(huán)境監(jiān)測通常包括多個階段。從系統(tǒng)工程角度，傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測通常按如下流程實(shí)施，現(xiàn)場調(diào)查一監(jiān)測計劃設(shè)計一優(yōu)化布點(diǎn)一樣品采集一運(yùn)送保存一分析測試一數(shù)據(jù)處理一綜合評價等。從信息技術(shù)角度，環(huán)境監(jiān)測是以環(huán)境信息為中心建立監(jiān)測計劃，依次經(jīng)過獲取、傳遞、分析等階段，最終對環(huán)境質(zhì)量綜合評價的過程。 19．1．2環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展 人類對環(huán)境的觀察有悠久的歷史，自古以來人類通過對天體、氣候、潮汐、水文、生物等自然因素的變化和環(huán)境變遷，獲取對自然規(guī)律的認(rèn)識，預(yù)測地質(zhì)和氣候?yàn)?zāi)害的發(fā)生，但主觀的基于經(jīng)驗(yàn)的觀察無法全面、準(zhǔn)確、客觀的反映自然規(guī)律。 系統(tǒng)科學(xué)的環(huán)境監(jiān)測開始于20世紀(jì)50年代。二戰(zhàn)以后，世界進(jìn)入經(jīng)濟(jì)高速增長的時期，工業(yè)化加速發(fā)展。但由于對工業(yè)化進(jìn)程的負(fù)面影響估計不足、預(yù)防不力，地球生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，惡性污染事件頻頻發(fā)生，嚴(yán)重危及人類自身生存和可持續(xù)發(fā)展，人類對環(huán)境污染的關(guān)注程度迅速提高 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到影響環(huán)境質(zhì)量的因素不僅是化學(xué)污染物，還包括物理因素，如噪聲、光、熱、氣、電磁輻射、放射性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等，全面的環(huán)境質(zhì)量評價需要包含對上述環(huán)境參數(shù)的測量。蛩,120世紀(jì)70年代，環(huán)境監(jiān)測的對象延伸至上述環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測的范圍也擴(kuò)展到一定面積的區(qū)域，但監(jiān)測的形式仍然是人工或借助儀器的、主動、有目的的離散測量。 監(jiān)測范疇和范圍的擴(kuò)大，雖然能夠在一定程度上提升區(qū) 另一方面，全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和工業(yè)化速度的不斷加快，使得全球氣候變化和環(huán)境污染的趨勢日益明顯。特別是最近30年，世界各國高度關(guān)注的溫室氣體效應(yīng)和臭氧層破壞被認(rèn)為是全球環(huán)境和氣候整體惡化的集中體現(xiàn)，人類賴以生存的地球因此出現(xiàn)了冰川消融、海平面上升以及干旱和洪澇頻發(fā)等極端天氣。2007年突襲北半球2010年中國西南地區(qū)發(fā)生的百年一遇的特大旱災(zāi)等都被認(rèn)為是極端天氣頻發(fā)的典型例證。如何采取有效措施準(zhǔn)確監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)并有力的控制環(huán)境 20世紀(jì)80年代初，隨著微電子、嵌入式計算和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，自動監(jiān)測成為可能。發(fā)達(dá)國家相繼建立了具備自動連續(xù)監(jiān)測功能的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用了遙感、遙測等技術(shù)手段，新型感知和測量的電子設(shè)備不斷推出。由電子計算機(jī)控制和輔助數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和處理過程，極大提高了人類監(jiān)測環(huán)境的廣度、頻度和深度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱傳感網(wǎng))的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用就是在這一時期逐步出現(xiàn)的。 19．2環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)19．2．1典型應(yīng)用系統(tǒng)和部署 傳感網(wǎng)在前面的章節(jié)已有詳細(xì)介紹，這里重點(diǎn)介紹在過去十年國內(nèi)外已有的環(huán)境監(jiān)測傳感網(wǎng)系統(tǒng)、部署和應(yīng)用。主要涉及生物習(xí)性監(jiān)測和高危災(zāi)害區(qū)域監(jiān)測兩類應(yīng)用。 一個較早的用于環(huán)境監(jiān)測的傳感網(wǎng)系統(tǒng)是2002年由加州大學(xué)伯克利分校的研究人員建立的。圖19．1是該系統(tǒng)使用的封裝節(jié)點(diǎn)以及部署環(huán)境中的海燕。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是對美國的大鴨島(Great Duck Island)上棲息的一種海燕在繁殖季節(jié)的習(xí)性(如海燕進(jìn)出燕巢的時間、頻率、雄燕和雌燕的分工模式等)進(jìn)行持續(xù)觀測，收集相 生物習(xí)性監(jiān)測有兩個重要要求：①由于生物習(xí)性是在較長時間內(nèi)生物活動蘊(yùn)含的規(guī)律，必須長期持續(xù)細(xì)粒度觀測；②不能人為干預(yù)觀測過程，因?yàn)槿祟惖慕槿霑淖兩锏淖匀涣?xí)性，使觀測結(jié)果偏離真實(shí)規(guī)律。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)很難同時滿足這兩項(xiàng)要求。由于觀測活動通常是在遠(yuǎn)離人類居住區(qū)的野外進(jìn)行，環(huán)境惡劣，不適宜人類長期停留，要在這樣的環(huán)境中持續(xù)監(jiān)測只能依靠自動化設(shè)備和監(jiān)測系統(tǒng)。而在傳感網(wǎng)技術(shù)誕生之前，沒有任何一項(xiàng)自動化監(jiān) 計算機(jī)科學(xué)

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