2024-04水生态环境物联网智慧监测感知技术
《生态环境监测规划纲要(2020—2035年)》提出，地表水监测要“逐步实现水质监测向水生态监测转变”，“监测手段从传统手工监测向天地一体、自动智能、科学精细、集成联动的方向发展”。随着传感技术和通信技术的不断进步，基于物联网的水生态环境智慧监测技术可实现全方位、实时、高效的水生态环境质量动态监测，为水生态环境监管提供新的技术方法。下文介绍水生态环境物联网智慧监测的感知技术[1]。
(1)自动在线监测技术
水生态环境自动在线监测技术主要包括固定式、浮标式和小型移动式3种集成形式。
01固定式监测系统
固定式监测系统一般是指建设在固定房屋内的自动监测站。其仪器设备种类较多，监测数据的准确性较好，但占地面积大，建设和维护成本高，无法大量布置，且水样采集易受天气因素干扰，故主要用于地表水重要断面和重要点位的水质自动监测。固定站内的在线监测仪器可实现监测数据实时传输，此外，亦可采用人工方式读取和记录监测数据。监测项目包括水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、化学需氧量、生化需氧量、总有机碳、可溶性有机碳、UV254、硝酸盐、亚硝酸盐、硫化氢、总悬浮固体、苯系物、色度、氨氮、总磷、总氮、高锰酸盐指数、重金属、叶绿素a、蓝绿藻、磷酸盐、盐度、氯化物、氟化物、生物毒性、流量、液位等，此外还涉及视频、指纹图和光谱报警等。
目前，同一水源的固定式自动监测站存在监测范围小、数量少、位置固定等缺点，难以全面反映水质状况，故主要适用于河流断面考核监测、出入境断面监测、重要点位监测。
02浮标式监测系统
浮标式监测系统是由浮标、维护平台、传感器组、通信设备、供电系统、锚系等组成的自动监测站。其布置方式灵活，可以通过锚链固定在不同水域的水面上，快速、准确地对水质进行监测并实时传输监测数据，抗环境干扰能力较强。浮标式监测系统多采用电极和光谱等方法获取监测数据，监测项目主要包括水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、氨氮、硝酸盐氮、叶绿素a、蓝绿藻等。
该系统适用于水面面积大、难以建设观测站点、不易采用常规河道监测手段、需要快速开展污染监测和预警的水域，如近海、水库、湖泊、湿地、水源地等。
03小型移动式监测系统
小型移动式监测系统是通过可移动的在线监测设备对不同水域进行监测。其监测区域灵活，设备集成度高，可以实现实时监测数据远程传输。因具备占地面积小和投资较少的特点，其主要适用于市内小型河流、景观河流和部分典型污染河流。由于移动式水质监测站的内部空间有限，故以常规五项参数、氨氮和化学需氧量等指标的电极法或光度法检测仪器为主。
随着水质快速检测方法的发展，高性能的小型移动式监测系统可以实现对生化需氧量、总磷、总氮、叶绿素a等11个参数的在线实时监测，且占地面积不超过1 m2。其中，化学需氧量的测定可采用紫外吸收法，氨氮可采用离子选择性电极法或紫外吸收法。这些检测方法校准简便，无需更换试剂，但较易受水质干扰。
(2)应急快速监测技术
突发性水环境污染事故发生后，需对水生态环境的受污染程度和范围进行应急快速监测，监测设备主要包括便携式监测设备、移动式现场监测系统和水生生物在线监测系统。
01便携式监测设备
基于光学、电化学、色谱、色谱-质谱联用等原理和技术开发出的便携式监测仪器设备的种类多样，其特点是体积小、携带方便，能够满足现场快速定性和定量分析多种常规水质指标，以及检测未知污染物的需求。
02移动式现场监测系统
移动式现场监测系统主要包括监测车和监测船两类。
应急监测车配备独立的实验室工作系统，具备现场快速分析、数据处理和通信传输的功能，适用于野外现场采样、存储和分析。
应急监测船是在水面完成现场采样和分析的平台，由船体、船载流动实验室、便携式应急监测仪器和应急防护设施等组成，具备移动监测、水上实验、快速预警等功能，可机动监测辖区内的水质状况。
03
水生生物在线监测系统
水生生物在线监测系统可直接反映突发环境事件对水生态系统健康的影响，主要分为基于生物行为变化的在线监测系统( 如摄像示踪监测系统和四极阻抗监测系统)和基于生物生理变化的在线监测系统(如发光菌在线监测系统和藻类荧光分析系统)两大类。其检测原理是通过传感器探测生物生理指标和行为强度的变化，或通过摄像技术连续观察、记录水生生物的行为变化，从而为突发环境事件中的水生态环境应急监测提供技术手段。
(3)遥感监测技术
遥感监测是根据水体中不同物质的折射率反馈物质的组成和含量，可对水体中的悬浮物质、叶绿素a，以及水体透明度、热污染、石油污染等进行监测。
无人机遥感技术主要包括遥感传感技术、影像拼接技术与数据实时传输存储技术。相对于卫星遥感，无人机遥感的航线可自主规划，且作业简单、易于操作，可搭载多类型高精度传感器，影像分辨率可达厘米级，适用于小范围、高分辨率遥感数据的即时获取，主要从宏观上观测水华的发生情况，以及采集河流水文信息等。
卫星遥感具有监测范围大、资料获取方便、图像处理和解译容易等特点，能够对大范围水体水质进行监测。其中：高光谱遥感能够捕捉水体的精细光谱特征，但同时也存在扫描幅宽较窄、重访周期较长、不利于大范围监测和应急监测等局限性; 多光谱遥感因波段数量少且光谱范围宽，无法获取内陆水体的细微光谱特征，但具有数据源多、数据易获取、成像幅宽大和重访周期短等优势。
在水生态环境监测中，主要利用卫星遥感开展蓝藻水华反演、悬浮物浓度反演，以及黑臭水体识别等。
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