公路施工沿线生态监测技术及应用

李 慧，高于健，Nazar Usman，王 亮，孙艳鹏，刘 蝶

（1.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710000；2.长安大学经济与管理学院，陕西 西安 710000）

0 引言

近年来，我国高速公路等基础设施建设高速发展，国家对生态环境保护也更加重视，2017 年，习近平新时代中国特色社会主义思想特别强调重视提高生态环境质量，推进生态文明建设。公路施工不能仅仅追求经济利益最大化，应当同时重视施工过程中的生态环境保护工作，其中，在公路施工期间对沿线生态环境状况进行监测是十分重要的内容。保护环境是我国的一项基本国策，在公路施工沿线采用信息化措施对生态环境进行监测，是公路施工实现绿色建设、节约资源以及实现公路工程智能化、信息化的重要举措。

1 公路施工对沿线生态环境的影响

高速公路施工是开发自然资源的工程项目，在施工的过程中会严重影响沿线原有的生态环境，主要表现为对大气和水环境产生污染、产生噪声污染以及改变原有的土地利用方式，造成水土流失。另外，原有的地理环境和人文环境也会受到不同程度的影响。

1.1 公路施工对大气环境的影响

在公路铺设沥青的过程中，由于高温所产生的沥青烟会扩散到大气中，对于人体和生态环境均有较大影响。沥青烟包含100 多种有机化合物，其中对植被危害较大的是多环芳烃，当多环芳烃接触植被表面时，会堵塞植被呼吸孔，使得植被脱落萎缩。而人体长期处于沥青烟环境中，则会出现目眩、头痛、眼睛疼痛等症状，甚至诱发皮肤和呼吸道癌症，对人体产生巨大危害。

工程现场所产生的另一大气污染物是粉尘，在高速公路施工过程中，大量粉尘会随着土方开挖与调配而产生，例如施工中用到的水泥、白灰、粉煤灰以及产生的扬尘等，这些粉尘污染物会对周边植物的生长以及农作物产量产生不利影响，也会对沿线居民的健康造成伤害。此外，施工过程中用到的交通运输工具所产生的一氧化氮、二氧化氮、氮氢化合物等尾气更会直接对大气环境造成危害。

1.2 公路施工对水环境的影响

在公路建设的过程中对水环境产生的影响主要可以分为施工营地生活污水、桥隧施工对水环境的影响以及施工机械维修所产生的对水环境的污染[1]。这些水污染问题可以总结为建设污水紊流问题，主要产生于各种建设材料以及设备冲洗的过程，或是建设所需液体原料以及生活污水存放不当而进入施工沿线水体环境。施工过程中所产生的硫化物等粉尘进入水体会影响原有水体的pH 值，威胁原有生物的生存。另外建材中所包含的铬、汞、铜、铅、锌、镉等重金属元素进入河流或下渗进入地下水后严重污染当地水质，这些重金属元素会由周边动植物吸收后进入人体，或直接通过水体进入人体，对当地动植物以及居民的健康造成巨大危害[2]。

1.3 公路施工对声环境的影响

公路施工过程中的噪声污染主要来自装载机、平地机、压路机、推土机、挖掘机、拌和机等机械作业，在当下的公路工程建设过程中，大型施工机械已经得到广泛的应用，不仅数目庞大而且种类繁多，承担着至关重要的工作。随着机械设备工作效率的日益提高，在机械高速运转的过程中，会产生严重的噪声污染，另外由于部分设备所承担工作的特殊性，会进行连续作业，持续产生噪声污染[3]。

谢理巍等[4]在对万宜高速公路施工进行研究时发现，在使用机械时，在机械15m 以内的地方噪声达到95dB 以上。而施工爆破产生的噪声距离施工地点100m 处都能够达到110dB，机械运行时产生的噪声，会对附近的居民生活产生干扰，特别是夜间施工会严重地影响附近群众的休息。此外，当项目穿过山区时，对处于该区域内的野生动物也会产生一定的影响，不利于生态环境的保护。

1.4 公路施工对土地利用方式的影响

通常情况下，公路施工的早期阶段需要全面清理道路用地以及采土石场的植被，使得丧失植被保护的土地完全暴露在空气之中。另外，原有自然景观、土壤结构以及地形地貌会随着路基填挖建设被永久改变，在建设后期阶段产生土质疏松而引起水土流失的问题[5]。

在高速公路施工的全过程中，土地利用方式的转变趋势主要体现为林地由耕地向建设用地转变，导致区域景观多样性下降，破坏原有生物群落的栖息环境，影响部分生物的迁徙活动[6]。

2 生态监测技术

生态监测数据采集技术主要包括可见光相机、红外成像仪、气体传感器、噪声监测仪、污水监测仪等。但考虑到所搜集到的数据存在碎片化、缺乏关联性等问题，可以结合3S 技术、无人机技术以及物联网技术共同进行生态监测。

2.1 3S 技术

3S 技术，即遥感系统（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）的总称。RS 借助于遥感卫星来实现高清拍摄，进而实现对地表信息的获取，高清拍摄设备将所获取的信息传回地面监测系统，并对其进行进一步的分析后应用在不同领域。GIS 技术能够准确地获取并分析和处理地理空间范围内的数据信息，同时借助数据分析处理系统构建所需模型。GPS 主要借助人造地球卫星，能够在全球实时、全天地进行定时、定位、导航，进而获取指定点的高精度信息。3S 技术具有高频次高精度获取信息、融合新兴监测技术、融合多源时空信息以及智能分析和表达的优势[7]。

2.2 无人机技术

无人机技术主要借助无线电遥控设备以及机载计算机程控系统进行操控，无需载人飞行。无人机构造简单，具有较低的使用成本。在较为危险恶劣的监测环境中，通过人工监测会产生较大风险，更适宜采用无人机进行调查监测。无人机技术可配合高清分辨率相机等环境监测传感器对环境进行记录，并将所采集的数据传递输入计算机，快速处理并提取采集数据，用以进一步分析[8],能够弥补遥感技术所采集图像分辨率不高、时效性不好的缺点。

2.3 物联网技术

物联网技术主要通过射频识别、激光扫描、定位系统、红外感应以及气体多功能感应设备，将所有物品与互联网相互连接。能够高效率地交互信息，从而完成智能识别的功能，并在此基础上借助网络实现定位、监控以及管理。

物联网技术在应用到生态监测的过程中，主要表现为借助物联网技术实时在线监测环境质量的影响因素，在较大范围内布置智能监测节点，采集生态环境数据，明确环境的污染程度并预测污染变化趋势，从而完成对环境预警和质量监控[9]。

3 生态监测技术在公路施工沿线的应用

当将生态监测技术应用于公路施工沿线生态环境监测时，应当注意整体把握沿线区域整体生态特征，以点为主，点段结合，综合使用各种生态监测技术来实现对施工沿线的全面监测[10]。

3.1 3S 技术在公路生态监测的应用

在公路施工沿线生态环境监测中，GPS 主要用于实现对监测目标的定点定位和边界提取，RS 主要用于监测目标和对周围信息实时获取，及时更新GIS 空间数据库，GIS 是3S 技术的核心部分，对RS 和GPS 采集数据进行统筹管理、数据挖掘和空间分析[11]。在对大气环境、水环境以及土地利用方式进行监测时，利用RS 技术对水环境变化以及土地利用方式进行遥感监测，配合各空气监测站点可实现大气质量信息的共享，利用GPS 技术对不确定区域进行定位调查，对获取的生态信息使用GIS 技术进行科学的分析。

3.2 无人机技术在公路生态监测的应用

无人机技术可以用于对公路施工沿线的大气环境、水环境、声环境以及土地利用方式等多方面的生态监测。用于大气监测时，无人机可搭配可见光相机、红外成像仪、气体传感器等设施，对施工沿线大气环境进行监测；用于水环境监测时，运用无人机巡河，配置高分辨率相机以及污水检测仪，拍摄河流漂浮物状况以及采集河流水质；在土地利用方式监测中，无人机遥感设施利用相机进行影像传输，对土地利用类型、植被覆盖和土地侵蚀等生态环境要素进行定位，充分展示陆域生态环境的变化情况。进而对获得的大量实测数据实现可视化处理，充分挖掘数据隐含的空间关联。

3.3 物联网技术在公路生态监测的应用

物联网技术在用于生态监测时，主要通过在施工沿线建设大气监测站、水质监测站等，所启用的模块主要为：数据类型模块、Agent 模块、无线发射模块以及实时监测模块，用于快速整合施工沿线光照、大气、水文等基础信息，确保采集数据能够到达指定位置，对采集的数据进行分析，实现高效传递和处理，对加强环境治理方案的针对性、提高生态环境治理水平具有重大意义。

4 结语

对公路施工沿线生态环境进行有效监测、获取沿线区域生态环境状况及变化规律是公路生态环境保护工作的基础。将3S 技术、无人机技术以及物联网技术结合应用到公路施工沿线生态监测中去，能够全面地获取监测区的大气质量、水文情况、噪声情况以及土地利用状况等生态环境信息，并对其进行专业的科学分析，为公路施工沿线生态环境治理打下坚实基础。