物聯(lián)網(wǎng)在云南極小種群野生植物保護(hù)中的應(yīng)用研究

譚紹斌， 胡坤融， 趙友杰， 付小勇

（1.云南省楚雄彝族自治州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 楚雄675000；2．西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 云南 昆明650224）

物聯(lián)網(wǎng)在云南極小種群野生植物保護(hù)中的應(yīng)用研究

譚紹斌1， 胡坤融2， 趙友杰2， 付小勇2

（1.云南省楚雄彝族自治州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 楚雄675000；2．西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 云南 昆明650224）

極小種群物種大多為我國(guó)特有植物，具有不可替代的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)和文化價(jià)值，對(duì)于我國(guó)未來發(fā)展具有重大意義.中國(guó)極小物種保護(hù)工作形式嚴(yán)峻，因此，對(duì)于瀕危植物物種的監(jiān)測(cè)已迫在眉睫.大部分極小物種缺少有效的監(jiān)測(cè)體系，所以同時(shí)具備集成傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程遙測(cè)監(jiān)控技術(shù)和數(shù)據(jù)判讀技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和極小物種監(jiān)測(cè)的重要手段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)極小植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)及環(huán)境分析成為植物保護(hù)的首選.

極小物種；保護(hù)；監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器

1 引言

1.1 極小種群物種概念

極小種群野生植物的概念曾在多處文獻(xiàn)中被定義和描述，《中國(guó)極小種群野生植物瀕危程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》[1]給出了極小種群野生植物的定義，并討論了國(guó)內(nèi)外極小種群物種概念的提出過程.極小種群野生植物的定義的特點(diǎn)是：（1）目前已知野外數(shù)量很少；（2）生存環(huán)境要求獨(dú)特；（3）對(duì)生物多樣性的貢獻(xiàn)目前未知.云南野生動(dòng)植物資源豐富，尤其在滇西北的狹長(zhǎng)地帶生長(zhǎng)的很多野生植物都具有極小種群物種的特征.

1.2 研究?jī)r(jià)值

極小種群野生植物中，有許多具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值.比如胡黃連具有較高藥用價(jià)值，紫檀具有較高材用價(jià)值，一些木蘭科植物具有較高觀賞價(jià)值等.正是由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，這些物種的種群數(shù)量正在迅速減少，有的已瀕臨滅絕.

另外一些在生物演化歷史上具有重要地位的極小種群野生植物，對(duì)其研究有助于探討生物演化的過程.比如國(guó)家Ⅰ級(jí)保護(hù)植物水杉，是著名的“活化石”植物，對(duì)研究我國(guó)植物區(qū)系的古地理變遷、古氣候變化及裸子植物發(fā)育體系有重要科學(xué)意義.

還有一些極小種群野生植物在目前還沒有開展有效的科學(xué)研究，它們的基因價(jià)值、種質(zhì)資源價(jià)值等尚未得到挖掘，但在將來可能會(huì)被研究和利用.其潛在價(jià)值可能比人類目前認(rèn)知到的那些物種的價(jià)值更大.

1.3 現(xiàn)狀及問題

云南省早就已經(jīng)開展了極小種群野生植物的保護(hù)工作. 2011年云南省極小種群野生植物保護(hù)建設(shè)試點(diǎn)正式啟動(dòng)，希望通過對(duì)極小種群野生植物的分布現(xiàn)狀、瀕危狀況、致瀕因子等開展詳細(xì)情況調(diào)查，為極小種群野生植物的保護(hù)進(jìn)行必要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，添加管理和監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展近地或回歸種植，擴(kuò)大種群數(shù)量和科研監(jiān)測(cè)等工作.

目前云南至少有2000余種高等植物和半數(shù)以上脊椎動(dòng)物的生存處于受威脅狀態(tài).由于人類活動(dòng)的影響，加之氣候環(huán)境、自身生物學(xué)特征的限制等因素，極小種群物種的拯救保護(hù)形勢(shì)依然嚴(yán)峻.

在云南，有一部分極小種群野生植物因分布區(qū)域狹窄或呈間斷分布，對(duì)生境要求較為苛刻，長(zhǎng)期受到外界因素脅迫干擾，個(gè)體數(shù)量持續(xù)減少，種群退化，已低于穩(wěn)定存活界限，并隨時(shí)面臨滅絕.

“十二五”期間，云南省遴選出20種植物優(yōu)先開展拯救保護(hù)工作.針對(duì)云南藍(lán)果樹、巧家五針?biāo)傻鹊姆N群狀況和生態(tài)習(xí)性已經(jīng)做了研究[2,3],西疇青岡、華蓋木、滇藏欖和彌勒苣苔的保護(hù)工作也取得了較快進(jìn)展[8,9].

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及極小種群野生植物保護(hù)方案

物聯(lián)網(wǎng)指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別(RFID)裝置、傳感器、全球定位系統(tǒng)等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò).目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在森林防火、生態(tài)監(jiān)測(cè)等方面已經(jīng)有了 一些初 步的應(yīng)用研 究和實(shí)施方 案[4～7]，其 中大部分的研究?jī)?nèi)容集中于使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感自組網(wǎng)，而對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的其它部分由涉及較少.

2.1 極小種群物種野生植物保護(hù)方案

云南省對(duì)云南華蓋木、滇藏欖、藍(lán)果樹、彌勒苣苔、西疇青岡等5個(gè)物種提出了具體的保護(hù)思路.同時(shí)結(jié)合5個(gè)物種保護(hù)現(xiàn)狀、分布地、林地權(quán)屬等實(shí)際情況，在它們的集中分布地劃建面積和范圍達(dá)到其自然生存繁衍最低要求的保護(hù)小區(qū)或者保護(hù)點(diǎn).

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在對(duì)極小種群物種的生態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)管理、人工繁育技術(shù)研究等方面都可以提供技術(shù)支撐手段，協(xié)助實(shí)現(xiàn)對(duì)極小種群物種保護(hù)的目的，提高極小種群物種的保護(hù)和管理水平.

圖1 極小種群野生植物物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控圖

在保護(hù)極小種群物種的保護(hù)小區(qū)或保護(hù)點(diǎn)內(nèi)，可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，然后通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而為極小種群物種的保護(hù)提供更好的數(shù)據(jù)支撐.基本的監(jiān)測(cè)保護(hù)框架如圖1所示.

如圖1所示，在劃定的極小種群野生植物的保護(hù)小區(qū)內(nèi)，部署相關(guān)的傳感器，這些傳感器可以構(gòu)成一個(gè)無線自組網(wǎng)傳遞監(jiān)控信息.為了解決傳感器和其他監(jiān)控設(shè)備的供電問題，可以部署太陽(yáng)能供電設(shè)備.傳感器的信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)，使用GPRS或者3G、4G等技術(shù)把信息傳入到互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器中，監(jiān)控終端負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)也可以對(duì)一個(gè)保護(hù)小區(qū)的監(jiān)控狀態(tài)進(jìn)行管理.在概念上，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模型.下面討論在極小種群野生植物保護(hù)中需要解決的一些關(guān)鍵問題.

2.2 具體實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 傳感器的部署問題

出于經(jīng)濟(jì)和有效性的考慮，在一個(gè)極小種群野生植物保護(hù)小區(qū)內(nèi)，如何部署傳感器是一個(gè)必須要考慮的問題.問題主要來源于兩個(gè)方面，一個(gè)是如何有效識(shí)別人的入侵，另一個(gè)是傳感器采集的數(shù)據(jù)是否具有研究?jī)r(jià)值.為了識(shí)別入侵者可以在小區(qū)的邊界部署紅外傳感器或者地面震動(dòng)傳感器.為了使傳感器采集的數(shù)據(jù)更有研究?jī)r(jià)值，需要考慮不同野生植物的生態(tài)特性.

2.2.2 傳感器的無線自組網(wǎng)問題

關(guān)于傳感器的無線自組網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)有了較多的研究，其中使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建自組網(wǎng)的研究較多，其也是一種合理的組網(wǎng)方式[10～12].對(duì)于極小種群野生植物 生態(tài)特性的監(jiān)控，并不需要完全實(shí)時(shí)的監(jiān)控，只需要按照合理的時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)的傳遞量也并不大.而人入侵保護(hù)小區(qū)的數(shù)據(jù)是一種觸發(fā)式的，數(shù)據(jù)量也很小.傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是最重要的考慮因素.由于傳感器位于野外的惡劣環(huán)境，可能面臨傳感器失效的問題，所以傳感器的部署要考慮一定的冗余，從而保證無線自組網(wǎng)的連通性.

2.2.3 傳感器的供電問題

極小種群野生植物的保護(hù)小區(qū)可能位于較偏僻的野外，最理想的情況是能夠自動(dòng)獲取電能從而保持長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài).在野外的保護(hù)小區(qū)，使用太陽(yáng)能供電是一種合理的選擇.然而傳感器的分布地點(diǎn)比較分散，傳感器供電的布線可能成本較大，而且可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞.因而利用無線技術(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行充電是一個(gè)值得研究的方向. 2.2.4傳感器的壽命問題

傳感器工作的環(huán)境位于野外的露天環(huán)境，可能面臨潮濕、暴曬等因素，這些因素對(duì)傳感器的壽命可能帶來很大的影響.選擇高質(zhì)量、耐惡劣環(huán)境的傳感器是必要的.

2.2.5 采集數(shù)據(jù)的分析處理

林業(yè)分析數(shù)據(jù)的采集目前在時(shí)間跨度上都是不連續(xù)的，這給很多研究工作帶來不便.而傳感器則能夠采集到連續(xù)數(shù)據(jù)，對(duì)于極小種群野生植物的繁育、遷移地點(diǎn)的選擇等，可以提供更科學(xué)的數(shù)據(jù)支持.

2.2.6 極小種群野生植物管理系統(tǒng)

對(duì)多個(gè)極小種群野生植物的管理，可以開發(fā)出一套具體而有針對(duì)性的管理系統(tǒng)，對(duì)所涉及的相關(guān)業(yè)務(wù)工作進(jìn)行有效的管理，真正做到科學(xué)監(jiān)測(cè)、有效監(jiān)測(cè).

2.2.7 遙感數(shù)據(jù)的使用

利用遙感數(shù)據(jù)，可以定期監(jiān)測(cè)接近人類活動(dòng)范圍的極小種群野生植物保護(hù)小區(qū)的生態(tài)變化狀況，可以為林地征占等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供支持.

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備的研究?jī)r(jià)值

通過對(duì)保護(hù)區(qū)土壤、氣候因子、人為活動(dòng)等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集分析，能夠產(chǎn)生如下的研究?jī)r(jià)值.

（1）可以對(duì)極小種群野生植物監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，防止監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的物種受到意外的破壞.

（2）通過對(duì)極小種群野生植物監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)物種的生境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)施采集，可以對(duì)其生活習(xí)性等進(jìn)行持續(xù)的觀察和數(shù)據(jù)分析，為該物種的近地繁衍提供有效的研究.

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立極大提高了研究人員獲取數(shù)據(jù)的頻率和質(zhì)量.

（4）可以結(jié)合3S技術(shù)，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尋找適合極小種群物種生存的類似地點(diǎn)，進(jìn)行不同地域的繁衍和引種活動(dòng).

3 結(jié)論

極小種群野生植物的保護(hù)工作對(duì)于保持生物多樣性具有重要意義.目前對(duì)于極小種群野生植物保護(hù)的相關(guān)信息系統(tǒng)還沒有建立，有效使用信息技術(shù)手段支撐極小種群野生植物的保護(hù)工作也處于起步階段.本文提出使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)極小種群野生植物實(shí)施保護(hù)地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建相關(guān)的信息系統(tǒng)，以期為后續(xù)保護(hù)工作的開展提供理論依據(jù).

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