基于物聯(lián)網(wǎng)的森林碳匯遙感測量的探討

任潤東，吳秋蘭，潘寧寧，梁 勇

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018)

一、引 言

森林碳匯(forest carbon sinks)是指森林植物吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度。森林碳匯主要是指森林吸收并儲存二氧化碳的能力。近年來隨著溫室效應(yīng)和氣候變暖的加劇，國際社會對森林吸收二氧化碳的匯聚作用越來越重視，旨在減少全球溫室氣體排放的《京都議定書》于2005年2月16日在全球正式生效，原本在自然界中默默地承擔(dān)著碳匯作用的森林，將更加受到人們的重視。

隨著遙感與信息技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研究者多借助遙感手段研究森林碳匯問題。在國際地圖生物圈計劃(International Geosphere-Biosphere Program，IGBP)的模型研究計劃中，主要采用美國國家海洋和大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)的先進(jìn)型甚高分辨輻射儀(advanced very high resolution radiometer，AVHRR)衛(wèi)星較長時間序列的遙感數(shù)據(jù)估計;大尺度的碳匯計量主要采用遙感和模型相結(jié)合的方法?；谶b感技術(shù)的森林生物量和凈生長量模型的建立，在大尺度森林生物量及凈生長量的估算上有著其他方法不可替代的優(yōu)勢，比傳統(tǒng)方法優(yōu)越，這也為模擬和估算長時間、大尺度上的區(qū)域碳儲量提供了有效技術(shù)支持[1-4]。但是現(xiàn)有的遙感數(shù)據(jù)源并不能直接探測森林碳匯及其空間分布，大多數(shù)基于遙感技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)碳匯估算是建立在碳匯與遙感數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)分析上，缺乏對非線性遙感生態(tài)系統(tǒng)碳匯模型的研究，而且由于缺乏地面連續(xù)與翔實的碳匯監(jiān)測信息進(jìn)行驗證與輔助定量解譯，致使遙感解譯的精度較低，使得遙感的深入研究具有局限性。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，給實現(xiàn)高精度定量遙感解譯提供了契機(jī)[5]。本文探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的森林碳匯遙感測量方法，借助無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以在森林局部區(qū)域布設(shè)高密度的傳感器，以便獲取翔實的地面碳匯信息，由其輔助遙感解譯驗證及其預(yù)處理，不僅省時省力，而且在近距離輔助遙感解譯的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)距離輔助遙感監(jiān)測成為可能，大大提高了遙感碳匯測量的解譯精度和范圍。

二、物聯(lián)網(wǎng)

所謂物聯(lián)網(wǎng)又稱傳感網(wǎng)(internet of things，IOT)。1999年在美國召開的移動計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)國際會議上首次被提出，2005年在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上利用射頻識別(RFID)技術(shù)、無線通信技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中物品間能夠進(jìn)行“交流”無需人工干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測等多個領(lǐng)域。在生態(tài)系統(tǒng)碳匯測量方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用較少，目前正處于應(yīng)用研究的起始階段，國內(nèi)外尚未見基于物聯(lián)網(wǎng)的碳匯測量應(yīng)用案例[6]。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)的碳匯測量系統(tǒng)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的碳匯測量系統(tǒng)充分運用物聯(lián)網(wǎng)的全面感知技術(shù)、近程通訊技術(shù)、遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)、海量信息智能分析技術(shù)，實現(xiàn)影響碳匯的CO2、CH4、SO2、懸浮顆粒物濃度、氣溫、降水、濕度、光照、風(fēng)向、風(fēng)速、蒸發(fā)等生態(tài)因子的自動采集、傳輸與處理，為碳匯監(jiān)測與模擬提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由感知層、傳輸層、處理層組成。感知層是碳匯估算的基礎(chǔ)，碳匯因子傳感器、GPS及RFID等構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的森林碳匯遙感測量系統(tǒng)的感知層，實現(xiàn)碳匯因子的全面感知;傳輸層實現(xiàn)信息的可靠傳輸，感知層采集的信息通過傳輸層傳輸?shù)教幚韺蛹靶畔@示終端;由控制器、顯示設(shè)備及操控終端等組成了智能處理層[7]。

(1)感知層的設(shè)計

感知層的主要任務(wù)是完成各項碳匯因子的快速、準(zhǔn)確采集，為智能決策提供科學(xué)依據(jù)。感知層檢測的信息主要包括CO2、CH4和SO2、懸浮顆粒物濃度、氣溫、降水、濕度、光照等影響森林碳匯的生態(tài)因子。

根據(jù)感知節(jié)點的功能特點，感知節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 感知節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

感知節(jié)點是實現(xiàn)信息感知的基本結(jié)構(gòu)單元。利用優(yōu)選傳感器及微處理器等部件，設(shè)計適宜的感知節(jié)點，實現(xiàn)對碳匯生態(tài)因子相關(guān)傳感器的集成，使其具有感知、計算和通信能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。并通過多源同構(gòu)、異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理，實現(xiàn)碳匯相關(guān)生態(tài)因子的精確測量。感知節(jié)點同時具備高可靠、低功耗、耐潮濕、耐高溫、耐低溫等性能。

感知節(jié)點設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，通用信息感知主板通過標(biāo)準(zhǔn)接口與功能模塊及輔助模塊連接。其中輔助模塊包括GPS模塊、精準(zhǔn)時鐘模塊等，可根據(jù)需要選用;功能模塊接口主要是傳感器接口，分為模擬量與數(shù)字量接口兩類，分別連接模擬量及數(shù)字量輸入模塊。供電形式可選用電池、太陽能?？紤]到野外工作需要，信息感知主板應(yīng)選用具有超低功耗特性的微控制器，傳輸模塊選低功耗、適于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線傳輸模塊。

在單個感知節(jié)點設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)類型、地形等特點，利用系統(tǒng)分析及軟件模擬等手段，確定最優(yōu)的感知節(jié)點數(shù)量和空間優(yōu)化布局，實現(xiàn)對生態(tài)因子的等功率覆蓋，達(dá)到精確測量生態(tài)因子的目的。同時滿足低成本、易維護(hù)、易動態(tài)組合等要求。在感知節(jié)點優(yōu)化布設(shè)的基礎(chǔ)上，通過選擇合適的微內(nèi)核操作系統(tǒng)及傳輸協(xié)議，開發(fā)可靠實用、易維護(hù)的應(yīng)用軟件，構(gòu)建強(qiáng)壯的無縫感知網(wǎng)絡(luò)。在運行過程中，通過網(wǎng)絡(luò)自診斷、網(wǎng)絡(luò)自組合、傳輸協(xié)議優(yōu)化等措施，保證相關(guān)因子的可靠感知。

(2)傳輸層的設(shè)計

傳輸層主要完成信息的可靠傳輸。傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需根據(jù)現(xiàn)場情形選擇靈活的結(jié)構(gòu)形式，一般采取多輸入、多輸出的多路徑傳輸方式。傳輸節(jié)點是傳輸層的基本結(jié)構(gòu)單元，除具有信息輸入、輸出轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還需具有信息暫存功能，而且保證以最少的節(jié)點數(shù)量和最小的功率代價實現(xiàn)信息的可靠傳輸。無線傳輸節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 無線傳輸節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

傳輸節(jié)點主要由CPU主板、存儲器、無線傳輸模塊、GPRS等組成。CPU主板應(yīng)采用具有超低功耗且高性能的微控制器，CPU主板通過標(biāo)準(zhǔn)接口與外圍各模塊連接。無線傳輸模塊是實現(xiàn)無線傳輸功能的基本結(jié)構(gòu)單元，可直接接收感知層采集的信息。傳輸層應(yīng)根據(jù)采集區(qū)域地形特點，優(yōu)選無線傳輸芯片，設(shè)計適應(yīng)能力強(qiáng)、性能可靠的無線傳輸模塊，而且具有低功耗及傳輸功率自動調(diào)整功能，通過構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)很容易實現(xiàn)采集信息的遠(yuǎn)距離傳輸;GPRS模塊實現(xiàn)采集信息的遠(yuǎn)距離傳輸，通過互聯(lián)網(wǎng)可傳至所需到達(dá)的終端;存儲模塊通過多片互聯(lián)，可方便擴(kuò)展存儲容量。

(3)處理層的設(shè)計

信息智能處理層主要完成數(shù)據(jù)的接收和預(yù)處理，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。主要由無線接收模塊、微處理器等組成。針對信息的接收、預(yù)處理和數(shù)據(jù)入庫等問題，需研制的智能處理終端，開發(fā)信息智能處理系統(tǒng)。

四、遙感信息與物聯(lián)網(wǎng)信息融合處理

影響森林碳匯的各生態(tài)因子之間存在復(fù)雜關(guān)系，各因子對森林碳匯的影響也各不相同。遙感估算法利用遙感手段獲得各種植被狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合地面調(diào)查，完成植被的空間分類和時間序列分析，估算大面積森林碳匯以及土地利用變化對碳匯的影響。利用遙感與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取的碳匯信息具有多角度、多尺度、多波段、多類型的特征，使得碳匯信息呈現(xiàn)多樣性，因此應(yīng)將不同方式獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。有效利用多個傳感器資源(遙感影像面源信息、物聯(lián)網(wǎng)點源信息)提供信息的互補(bǔ)性，獲得被探測目標(biāo)更為全面的信息。

在遙感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，以信息理論與方法為基礎(chǔ)，將遙感與物聯(lián)網(wǎng)獲取的信息予以集成和融合，通過兩者的集成實現(xiàn)對地面信息的點面結(jié)合、空地一體的有機(jī)表達(dá)和描述，綜合兩種技術(shù)的優(yōu)勢提高碳匯測量的精度和可靠性。以信息融合推動技術(shù)集成，通過兩種技術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與運行模式分析，形成集遙感與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)于一體的碳匯測量體系，如圖3所示。

圖3 遙感與物聯(lián)網(wǎng)碳匯測量技術(shù)路線圖

針對監(jiān)測目標(biāo)與需求，構(gòu)建森林碳匯因子指標(biāo)體系;對遙感影像實施預(yù)處理、分類、融合、目標(biāo)檢測、定量反演等處理，通過對已有算法的比較和分析，結(jié)合應(yīng)用需求，選擇合適的信息處理方法提取所需要的碳匯信息;構(gòu)建碳匯測量傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決傳感器選型、無線通訊與信息傳輸、多傳感器集成、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵問題，通過各種的傳感器，把獲取的CO2、CH4、SO2等生物量因子傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析，得到需要的碳匯因子;選取同一時期物聯(lián)網(wǎng)獲取的數(shù)據(jù)和遙感信息，進(jìn)行信息處理與結(jié)果評價，獲取碳匯信息，通過不同的信息融合方法，實現(xiàn)遙感信息和物聯(lián)網(wǎng)信息的集成;通過同期物聯(lián)網(wǎng)信息，對遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗證和處理，為遙感解譯精度的提高提供支持[8-9]。

五、結(jié)束語

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，目前應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行森林碳匯測量是最廣泛的一種方法，基于遙感影像和物聯(lián)網(wǎng)的碳匯信息融合的研究成果較少?，F(xiàn)代遙感技術(shù)最大特點是遙感影像覆蓋范圍大、時效性強(qiáng)，但受空間分辨率限制，大多數(shù)基于遙感技術(shù)的森林碳匯估算是建立在碳匯與遙感數(shù)據(jù)之間的線性相關(guān)分析上，所以通過遙感影像在識別碳匯信息時，仍需要地面的實地驗證。物聯(lián)網(wǎng)具備實時獲取實地信息的功能優(yōu)勢，但監(jiān)測裝置是固定的，只能獲取點源上的動態(tài)信息，監(jiān)測范圍有限，在大面積森林布設(shè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)代價太高?？梢?，遙感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)各具特色，優(yōu)勢互補(bǔ)。因此，將遙感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可以取長補(bǔ)短，即用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時獲取的碳匯信息作為遙感影像信息的實地驗證，用遙感影像監(jiān)測范圍大的優(yōu)勢彌補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測范圍小的不足。

[1]CHRISTINE L，GOODALE，MICHAEL J，et al．Forest Carbon Sinks in the Northern Hemisphere[J]．Ecological Applications，2010，12(3)：891-899．

[2]張坤．碳匯計量和核查方法研究[D]．北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007．

[3]韓愛惠．森林生物量與碳儲量遙感監(jiān)測方法研究[D]．北京：北京林業(yè)大學(xué)，2009．

[4]楊永恬．基于多源遙感數(shù)據(jù)的森林蓄積量估測方法研究[D]．北京：中國林業(yè)科學(xué)研究院，2010．

[5]殷鳴放，楊琳，殷煒達(dá)，等．森林固碳領(lǐng)域的研究方法及最新進(jìn)展[J]．浙江林業(yè)科技，2010，30(6)：78-86．

[6]柳平增，畢樹生，梁勇，等．畜禽養(yǎng)殖環(huán)境智能終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機(jī)工程，2009，35(19)：20-25．

[7]柳平增，畢樹生，薛新宇，等．基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能控制系統(tǒng)研究[J]．計算機(jī)測量與控制，2011，19(9)：2154-2155．

[8]張海寧，孫久運．基于物聯(lián)網(wǎng)/RS集成的環(huán)境監(jiān)測研究[J]．測繪，2012，35(1)：46-48．

[9]杜鑫，蒙繼華，吳炳萬，等．作物生物量遙感估算研究進(jìn)展[J]．光譜學(xué)與光譜分析，2010，30(11)：3098-3102．