第19章环境监测.docx
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第19章环境监测
第19章环境监测
环境监测是最早提出、应用最为广泛、影响最为深远的物联网应用之一。
本章首先介绍环境监测的概念、形式和手段,结合当前全球气候变化和环境污染的形势,阐述环境监测的重要意义;作为环境监测物联网的雏形和重要组成部分,环境监测传感网也在本章中简要介绍。
对环境监测物联网的介绍从体系结构、基本原理、功能与应用、意义与挑战四个方面展开。
在此基础上,进一步介绍森林生态物联网这个具有代表性的系统范例,讨论其典型应用和关键技术。
本章最后对物联网在环境监测领域的应用前景作了展望。
19.1应用背景
19.1.1环境监测的概念
环境监测,是指通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量以及各种环境状态参数的检测,跟踪环境质量的变化,确定环境质量水平,为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。
进行环境监测,是开展一切环境管理和研究工作的前提。
只有在对监测信息进行解析、综合的基础上,才能全面、客观、准确地揭示监测数据的内涵,对环境质量及其变化作出正确的评价。
环境监测的对象包括:
反映环境质量变化的各种自然因素;对人类活动与环境有影响的各种人为因素;对环境造成污染危害的各种成分。
随着工业和科学的发展,环境监测的内涵也在不断扩展。
由工业污染源的监测逐步发展到对大环境的监测,即监测对象不仅是影响环境质量的污染因子,还延伸到对生物、生态变化的监测。
环境监测通常包括多个阶段。
从系统工程角度,传统环境监测通常按如下流程实施,现场调查一监测计划设计一优化布点一样品采集一运送保存一分析测试一数据处理一综合评价等。
从信息技术角度,环境监测是以环境信息为中心建立监测计划,依次经过获取、传递、分析等阶段,最终对环境质量综合评价的过程。
19.1.2环境监测的发展
人类对环境的观察有悠久的历史,自古以来人类通过对天体、气候、潮汐、水文、生物等自然因素的变化和环境变迁,获取对自然规律的认识,预测地质和气候灾害的发生,但主观的基于经验的观察无法全面、准确、客观的反映自然规律。
系统科学的环境监测开始于20世纪50年代。
二战以后,世界进入经济高速增长的时期,工业化加速发展。
但由于对工业化进程的负面影响估计不足、预防不力,地球生态环境持续恶化,恶性污染事件频频发生,严重危及人类自身生存和可持续发展,人类对环境污染的关注程度迅速提高。
因此早期的环境监测主要是对污染物的被动监测,监测活动通常集中在污染严重地点,对化学毒物含量的提取分析上。
随着科学技术的发展,人们逐渐认识到影响环境质量的因素不仅是化学污染物,还包括物理因素,如噪声、光、热、气、电磁辐射、放射性、地质结构等,全面的环境质量评价需要包含对上述环境参数的测量。
蛩,120世纪70年代,环境监测的对象延伸至上述环境参数,监测的范围也扩展到一定面积的区域,但监测的形式仍然是人工或借助仪器的、主动、有目的的离散测量。
监测范畴和范围的扩大,虽然能够在一定程度上提升区域性环境监测的质量,但由于受测量手段、采样频率、取样数量、分析效率、数据处理诸方面的限制,人工或借助仪器进行主动离散测量仍不能及时地反映环境变化,预测变化趋势,更不能根据监测结果及时产生有关应急措施的反应。
另一方面,全球经济的高速发展和工业化速度的不断加快,使得全球气候变化和环境污染的趋势日益明显。
特别是最近30年,世界各国高度关注的温室气体效应和臭氧层破坏被认为是全球环境和气候整体恶化的集中体现,人类赖以生存的地球因此出现了冰川消融、海平面上升以及干旱和洪涝频发等极端天气。
2007年突袭北半球多个国家的罕见高温天气,以及2010年中国西南地区发生的百年一遇的特大旱灾等都被认为是极端天气频发的典型例证。
如何采取有效措施准确监测、及时发现并有力的控制环境
变化,维护生态平衡,变事后治理为事前预防、事中控制,并成为全球关注的焦点。
20世纪80年代初,随着微电子、嵌入式计算和计算机网络技术的发展,自动监测成为可能。
发达国家相继建立了具备自动连续监测功能的环境监测系统,使用了遥感、遥测等技术手段,新型感知和测量的电子设备不断推出。
由电子计算机控制和辅助数据采集、传输、分析和处理过程,极大提高了人类监测环境的广度、频度和深度。
无线传感器网络(以下简称传感网)的环境监测应用就是在这一时期逐步出现的。
19.2环境监测传感网19.2.1典型应用系统和部署
传感网在前面的章节已有详细介绍,这里重点介绍在过去十年国内外已有的环境监测传感网系统、部署和应用。
主要涉及生物习性监测和高危灾害区域监测两类应用。
一个较早的用于环境监测的传感网系统是2002年由加州大学伯克利分校的研究人员建立的。
图19.1是该系统使用的封装节点以及部署环境中的海燕。
该系统的主要任务是对美国的大鸭岛(GreatDuckIsland)上栖息的一种海燕在繁殖季节的习性(如海燕进出燕巢的时间、频率、雄燕和雌燕的分工模式等)进行持续观测,收集相关环境数据供动物学家分析,分析的结果有助于人类有目的地改善海燕的栖息环境,保持岛上的物种和生态平衡。
生物习性监测有两个重要要求:
①由于生物习性是在较长时间内生物活动蕴含的规律,必须长期持续细粒度观测;②不能人为干预观测过程,因为人类的介入会改变生物的自然习性,使观测结果偏离真实规律。
传统的环境监测技术很难同时满足这两项要求。
由于观测活动通常是在远离人类居住区的野外进行,环境恶劣,不适宜人类长期停留,要在这样的环境中持续监测只能依靠自动化设备和监测系统。
而在传感网技术诞生之前,没有任何一项自动化监测技术可以在无需人类干预的条件下长期持续在野外运行。
计算机科学和动物学家合作在大鸭岛部署了一个由32个Mica节点构成的无线传感器网络,使用两节AA干电池。
每个Mica节点配备了一系列的传感器,包括温度、湿度、光照和大气压力等,这些环境参数的动态变化与海燕进出燕巢的行为密切相关。
另一方面,研究人员在传感器网络和系统层面也展开了一系列研究和测试工作,包括能量管理、数据采样和收集、路由和通信协议测试、网络任务调度、定位与时间同步等。
虽然大鸭岛系统的规模很小,部署时间也不长,但它的成功实施具有两个重要意义:
①自动持续监测的无线传感器网络技术在真实环境中首次应用到环境监测中;②作为第一个在野外环境中部署的无线传感器网络系统,该系统的实施和部署经验,揭示了无线传感器网络在室外环境应用面临的各种工程和科研挑战。
另一个著名的生物习性监测传感网是于2004年部署的ZebraNet。
该系统部署于肯尼亚中部,通过在斑马身上捆绑GPS传感器采集细粒度的斑马群位置信息,以实现长期跟踪斑马群的迁徙为目标。
为了保证传感器节点捆绑在斑马身上在野外经久耐用,ZebraNet的节点封装进行了有针对性的加固加强。
与大鸭岛系统不同的是,ZebraNet的传感器节点跟随斑马群的迁徙而不断移动,网络不是一直连通的,而只在少数时段连通,数据的缓存、延迟传输和网络管理在该系统中是较为突出的挑战。
该系统的另一个特点是使用了可充电的太阳能电池,使得传感器节点在无人工充电的野外部署中可以连续长期运转。
在高危区域进行持续环境监测,以对可能发生的自然灾害进行预警并辅助人们作出预防措施,是环境监测传感网的另一类重要应用。
这类应用需求和生物习性监测类似,也需要在无人干预的环境中进行长期持续监测,这里介绍几个典型系统。
2004年,哈佛大学的科研人员在厄瓜多尔的一座活火山周围部署了一个包含l6个节点的无线传感器网络,如图l9.2所示。
该系统连续运行了19天,以100Hz的频率持续采集地震波和声波强度等环境信息。
该系统的部署成果是显著的,l9天的连续运行共捕捉到229次地震、火山爆发和其他地震波事件,采集到的数据以用于地质监测和科学研究。
该系统在传感网研究层面主要的贡献在于对高频数据采集过程中的传输可靠性、数据验证和校准等问题的探索。
2004年麻省理工学院的科研人员在洪都拉斯北部阿关河流域部署了一个洪灾安全预警系统。
该系统规模很小,只包含9个节点,每个节点依据位置不同而监测的流域面积从1000~10000平方千米不等。
特别的是,该系统采用了四种节点,包括一种计算节点和三种传感器节点(雨量、气温和水压)。
传感器节点的通信频率和半径分别是900MHz和约8千米,除了900MHz的通信模块外,还额外配备了144MHz、通信半径约25千米的通信模块。
利用如此强大的通信模块,相隔遥远的9个节点以异构互联的方式组成了一个洪灾预警系统,节点可根据环境自适应的调整采样时间和频率,获取需要的环境信息,结合经验的洪灾预报模型,为相关河流域提供洪灾预警功能。
近年来,在全球气候变化日益引起各国关注的背景下,无线传感网逐渐应用到监测气候与环境变化关系的领域,于2006年发起的PermaSense项目就是这样的应用之一。
阿尔卑斯山山高地险,高海拔地区的永冻土与岩层历经气候变化与强风侵蚀,其结构形态不断发生变化,有潜在地质灾害的可能,对登山者与当地居民生命财产安全构成极大威胁。
该区域环境显然无法以人工方式长期监测,基于无线传感网的环境监测因此有了用武之地。
来自瑞士巴塞尔大学、苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院的计算机与网络工程、地理与信息科学等领域的专家在瑞士阿尔卑斯山的岩床上部署了一个传感网系统,同时监测气候、地质结构和地表环境,如图19.3所示。
该系统搜集到的数据可用于研究气候对环境造成的影响,如温度的变化对山坡地质结构的影响以及气候对土质渗水变化的影响等。
同时,传感网数据经过分析处理后与地质结构模型相结合,还可作为提前预测雪崩、山体滑坡等自然灾害的重要信息,防患于未然。
19.2.2环境监测传感网的模式和特征
如前所述,从信息角度讲,环境监测以环境信息为中心,实现流程分为四个基本环节:
计划、获取、传递、分析(见图l9.4)。
当把无线传感器网络应用于环境监测时,这四个基本环节具有如下特征。
局部有限维低速同构
首先,传感网环境监测与传统环境监测类似,仍然是对环境事件(如气候变化、环境污染)作出响应、获取环境信息的一种方式。
监测的全过程是从制订计划到数据分析的单向、一维的过程。
监测计划的制订往往是受个别环境监控或测量应用制约的,面向少数类型的环境信息和数据展开,有怎样的应用环境,就有怎样的监测计划,因而计划制订环节具有明显的被动性,此外,由于监测过程是单向的,监测计划的制订者在制订计划时对环境信息没有足够的经验或先验知识,计划制订过程受制订者主观影响明显,容易表现出盲目性,监测计划不一定能全面客观反映监测需求,在计划阶段就可能已经人为割裂了环境因素各方面的潜在联系。
即使付诸实施并运转良好,获得的环境信息与监测需求相比仍然可能是不完整的。
在信息获取环节不难发现,以传感网为基础的环境监测获得的环境信息无论从广度还是维度上,都是非常有限的。
现有传感网系统采用的传感器类型都很少,系统规模(即一个传感器网络包含的节点数量)都不大。
当前最大的传感网规模亦不超过l000个节点,如何突破这个规模在传感网研究领域本身就是一个极具挑战性的课题。
因此,一个网络往往只能覆盖相对较小的局部区域。
另一方面,一个传感网系统可以支持的感知功能也往往局限于一维或几维数据,而环境监测涉及环境因素的方方面面,这些因素相辅相成、不可分割。
有些环境因素较容易被感知,而有些因为受感知功能的局限无法获取其必要信息,这就使得对环境信息的获取进一步损失。
在信息传递环节的局限性也很突出。
目前的传感网系统基本上都采用同构互联的方式组成。
具体而言,所有传感器节点使用的通信模块大都是同构的,虽然在一些传感网系统中为了数据中转和中间处理的需要,采用了少数相对强大的网关节点,配备了通信功率更强、通信距离更远的通信模块,但整个网络内使用的仍然是单一的通信协议。
不仅如此,现有传感网由于受室外长期部署和有限能量储备的约束,广泛采用了低功耗的无线通信协议,比较典型的是TelosB和Mica系列节点上C
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