生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范

李 新,劉紹民,孫曉敏,吳冬秀,周 燕,郭建文,溫學(xué)發(fā),陳世蘋(píng),馬明國(guó),晉 銳,*,趙 寧

1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000 2 北京師范大學(xué),北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 4 中國(guó)科學(xué)院植物研究所,北京 100093 5 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083 6 西南大學(xué),重慶 400715 7 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范

李 新1,劉紹民2,孫曉敏3, 7,吳冬秀4,周 燕5,郭建文1,溫學(xué)發(fā)3,陳世蘋(píng)4,馬明國(guó)6,晉 銳1,*,趙 寧1

1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000 2 北京師范大學(xué),北京 100875 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 4 中國(guó)科學(xué)院植物研究所,北京 100093 5 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083 6 西南大學(xué),重慶 400715 7 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

本文主要介紹國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2016年首批立項(xiàng)的重點(diǎn)專項(xiàng)“生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范”(2016YFC500100)的項(xiàng)目立項(xiàng)背景、主要研究?jī)?nèi)容及總體目標(biāo)。本項(xiàng)目緊密?chē)@國(guó)家生態(tài)監(jiān)測(cè)需求,與國(guó)際上生態(tài)監(jiān)測(cè)科學(xué)技術(shù)前沿并跑,研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備和生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)展示范和產(chǎn)業(yè)化推廣,推動(dòng)我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的自主創(chuàng)新,服務(wù)我國(guó)脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)需求,增強(qiáng)我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)的立體化、自動(dòng)化、智能化水平,滿足國(guó)家實(shí)時(shí)生態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。

生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備；生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)；脆弱生態(tài)

推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)、實(shí)現(xiàn)脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)、構(gòu)建國(guó)家生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系,都急需監(jiān)測(cè)設(shè)備和方法的自主創(chuàng)新與研發(fā)。國(guó)家《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案(2015年)》提出要“強(qiáng)化高新技術(shù)、先進(jìn)裝備與系統(tǒng)的應(yīng)用,提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)立體化、自動(dòng)化、智能化水平”。然而,我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)儀器存在嚴(yán)重依賴進(jìn)口、觀測(cè)自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度不高等瓶頸問(wèn)題。目前,我國(guó)多種實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)已展現(xiàn)出與國(guó)際先進(jìn)儀器性能相當(dāng)甚至超越的創(chuàng)新潛力,但其市場(chǎng)化程度甚低。因此,本項(xiàng)目在分析國(guó)家生態(tài)監(jiān)測(cè)需求并參考國(guó)內(nèi)外主要生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)上[1-6],選擇急需并可能取得重要突破的水熱、土壤溫室氣體、植被、動(dòng)物生態(tài)關(guān)鍵參量,開(kāi)展儀器研發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)示范研究。

本項(xiàng)目將研制一系列監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)水-土-氣-生關(guān)鍵參量的新設(shè)備,構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的天地一體化生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系,打破國(guó)外技術(shù)壟斷,實(shí)現(xiàn)我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的自主創(chuàng)新；并將實(shí)現(xiàn)對(duì)重要生態(tài)功能區(qū)的大范圍、全天候、立體化監(jiān)測(cè),對(duì)推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)具有重要支撐作用。

1 研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)方案

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容包括：

(1)生態(tài)系統(tǒng)水熱關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制

針對(duì)蒸散發(fā)、植被蒸騰和土壤水分三個(gè)關(guān)鍵參量,研制以下“單株-群落-生態(tài)系統(tǒng)-景觀”多尺度監(jiān)測(cè)設(shè)備：

雙波段閃爍儀：集成雙波段電磁波傳播技術(shù)、信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)及微氣象數(shù)據(jù)分析與控制等技術(shù),研制雙波段閃爍儀的硬件系統(tǒng)(近紅外、微波波段的發(fā)射器與接收器等)與軟件系統(tǒng),并進(jìn)行系統(tǒng)整合與性能調(diào)試；在多種天氣與下墊面條件下,開(kāi)展野外檢測(cè),并對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行改進(jìn)。

植物液流儀：針對(duì)不同植物類(lèi)型,改進(jìn)單株蒸騰量測(cè)算模型；研究建立間斷加熱情況下的熱消散法液流解析解,提出熱示蹤法間斷加熱技術(shù)；研究與分析樹(shù)木液流徑向變化規(guī)律,研制“一針多點(diǎn)”探針式傳感器；分析熱平衡特征,研制包裹式傳感器；進(jìn)行野外測(cè)試,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)多種植物(不同材性喬、灌木與農(nóng)作物等)單株蒸騰量的測(cè)量。

非插入便攜式土壤水分測(cè)定儀：基于高頻振蕩技術(shù),研制0—40cm 深度范圍內(nèi)點(diǎn)尺度、非插入、便攜式土壤水分測(cè)定儀,研發(fā)基于FDR(Frequency Domain Reflectometry)的土壤水分傳感器,集成國(guó)內(nèi)外高精度微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)器、GPS (Global Positioning System)定位系統(tǒng)、可調(diào)式多類(lèi)型無(wú)線傳輸與控制模塊于一體,并研發(fā)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與控制軟件系統(tǒng)。

中尺度土壤水分測(cè)定儀：基于He3宇宙射線中子捕獲技術(shù),研制700m 直徑范圍中尺度土壤水分測(cè)定儀,集成國(guó)內(nèi)外高精度探測(cè)器和高精度微型數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)器,并研發(fā)低功耗數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與質(zhì)控系統(tǒng)。

(2)土壤生物化學(xué)過(guò)程二氧化碳同位素綜合觀測(cè)系統(tǒng)研制

根據(jù)土壤生物化學(xué)過(guò)程溫室氣體(CO2和δ13C)產(chǎn)生和輸送的特點(diǎn),基于穩(wěn)定同位素紅外光譜技術(shù),兼顧野外原位連續(xù)觀測(cè)和室內(nèi)模擬控制觀測(cè)的客觀需要,研制直接測(cè)定土壤-大氣界面CO2和δ13C通量的多通道雙循環(huán)土壤呼吸δ13C觀測(cè)系統(tǒng)、直接測(cè)定土壤和大氣CO2和δ13C垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程的土壤和大氣δ13C廓線協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)、室內(nèi)模擬變溫條件下直接測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程CO2和δ13C的土壤微生物呼吸δ13C全自動(dòng)變溫模擬與測(cè)定系統(tǒng)共3個(gè)裝置。

重點(diǎn)研發(fā)低濃度與高濃度溫室氣體(CO2和δ13C)兼顧的野外與室內(nèi)儀器非線性響應(yīng)的在線標(biāo)定系統(tǒng)部件、多通道氣路間的雙循環(huán)的CO2和δ13C高效循環(huán)的關(guān)鍵氣路部件、符合野外和室內(nèi)試驗(yàn)特點(diǎn)的CO2和δ13C濃度預(yù)降低的關(guān)鍵氣路部件、可模擬凍融過(guò)程的全自動(dòng)變溫系統(tǒng)部件?；谏鲜鲫P(guān)鍵部件研發(fā),開(kāi)展三個(gè)裝置的硬件與軟件設(shè)計(jì)與研發(fā)、系統(tǒng)的調(diào)試與檢驗(yàn)、野外和室外測(cè)試等。

(3)植被關(guān)鍵參量自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備研制

針對(duì)植被結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力等表征生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要參數(shù),研發(fā)自動(dòng)化、多尺度監(jiān)測(cè)儀器,包括：

冠層微細(xì)立體結(jié)構(gòu)三維觀測(cè)儀：基于微細(xì)立體結(jié)構(gòu)的超分辨率三維成像方法以及葉片特征尺寸的反演算法,突破納秒時(shí)間同步控制、圖像增強(qiáng)處理等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)冠層微細(xì)結(jié)構(gòu)的三維成像。

分布式葉面積指數(shù)自動(dòng)觀測(cè)儀：改進(jìn)植被冠層的葉面積指數(shù)分布式探測(cè)方法與技術(shù),開(kāi)發(fā)滿足復(fù)雜空間異質(zhì)性條件的真實(shí)葉面積指數(shù)實(shí)時(shí)算法軟件,集成適合多種植被類(lèi)型的葉面積指數(shù)分布式觀測(cè)系統(tǒng)。

樹(shù)木徑向生長(zhǎng)自動(dòng)觀測(cè)儀：通過(guò)高精度位移應(yīng)變傳感器的研發(fā),結(jié)合溫度補(bǔ)償算法,集成無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)植物徑向生長(zhǎng)高頻、自動(dòng)、組網(wǎng)觀測(cè)。

活立木密度觀測(cè)儀：建立微波信號(hào)特征與樹(shù)木密度分布模型,集成微波信號(hào)發(fā)射、接收、定位、及無(wú)線傳輸功能器件,研制活立木密度地面測(cè)量設(shè)備。

植物物候自動(dòng)觀測(cè)儀：基于圖像自動(dòng)識(shí)別和光譜分析技術(shù)的植物關(guān)鍵物候期的精細(xì)提取算法,研發(fā)多光譜植物物候觀測(cè)儀,實(shí)現(xiàn)對(duì)植物關(guān)鍵物候信息的自動(dòng)、高頻獲取和無(wú)線傳輸。

(4)陸生脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)設(shè)備研制

針對(duì)現(xiàn)有動(dòng)物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)離散、監(jiān)測(cè)單一、難以量化等難題,重點(diǎn)研制以下設(shè)備：

雙CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)紅外原位立體相機(jī)：研究基于雙目立體匹配的野生動(dòng)物尺寸反演算法、復(fù)雜背景下雙目立體視覺(jué)的圖像匹配及矯正算法、夜間輔助照明及圖像增強(qiáng)技術(shù)、上位機(jī)顯示及信息處理技術(shù)、紅外觸發(fā)及時(shí)序控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)雙CMOS相機(jī)研制。

小型脊椎動(dòng)物偵測(cè)系統(tǒng)及觸發(fā)傳感器：基于傳感器陣列的方位和距離獲取技術(shù)、多模信息整合和處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)小型脊椎動(dòng)物偵測(cè)系統(tǒng)及觸發(fā)傳感器。

陸生脊椎動(dòng)物全天候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集終端：研究基于物候傳感器和紅外立體相機(jī)的多傳感器同步觸發(fā)及控制技術(shù),適應(yīng)低溫、高濕等復(fù)雜環(huán)境,滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸?shù)某掷m(xù)供電技術(shù)；制定適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的多類(lèi)型數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并提供主動(dòng)傳輸接口,與課題5研制的數(shù)據(jù)記錄傳輸儀對(duì)接,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線組網(wǎng)傳輸,構(gòu)成具有綜合管理功能的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

(5)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

針對(duì)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系中的幾個(gè)核心環(huán)節(jié)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),包括：

生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系：攻克生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系框架、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)描述、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享、傳輸接口等關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),形成一套組建規(guī)范化生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)記錄傳輸技術(shù)：設(shè)計(jì)自主硬件體系架構(gòu),開(kāi)發(fā)嵌入式微處理器運(yùn)行程序、各個(gè)外圍電路的驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序,優(yōu)化性能測(cè)試,研制多通道、高精度、低成本的國(guó)產(chǎn)通用型生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄傳輸儀。

遠(yuǎn)程無(wú)線組網(wǎng)與傳輸技術(shù)：研制低功耗長(zhǎng)距離無(wú)線組網(wǎng)傳輸器件和中繼設(shè)備,滿足偏遠(yuǎn)無(wú)基站環(huán)境下生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組網(wǎng)需求。

生態(tài)監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)：研究異源數(shù)據(jù)匯集接口、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)處理方法、數(shù)據(jù)在線可視化管理應(yīng)用體系,研建以生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)范的生態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)平臺(tái)。

(6)生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示范

在4類(lèi)儀器研發(fā)和生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)內(nèi)容完成室內(nèi)測(cè)試的基礎(chǔ)上,組織開(kāi)展新研制儀器的中試,主要針對(duì)硬件、結(jié)構(gòu)、軟件、工藝、測(cè)試、維修、物料等方面開(kāi)展驗(yàn)證,并評(píng)估研制儀器的可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性等參數(shù),檢測(cè)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)能力。

依托中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN：Chinese Ecosystem Research Network)和中國(guó)科學(xué)院遙感試驗(yàn)與地面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(RSON：Remote Sensing Experimental Research and Ground-based Observation Network of Chinese Academy of Sciences),在西北荒漠綠洲交接生態(tài)脆弱區(qū)、西南巖溶山地石漠化生態(tài)脆弱區(qū)、東北珍稀瀕危野生脊椎動(dòng)物保護(hù)區(qū)選擇三個(gè)典型試驗(yàn)場(chǎng),部署新研制的生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng),開(kāi)展植被生態(tài)系統(tǒng)及瀕危脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)示范,同時(shí)開(kāi)展與同類(lèi)型進(jìn)口儀器的對(duì)比觀測(cè),獲取示范區(qū)內(nèi)新研制儀器和進(jìn)口儀器的觀測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集,并針對(duì)不同脆弱生態(tài)區(qū)的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展數(shù)據(jù)應(yīng)用。

以黑河流域生態(tài)水文綜合試驗(yàn)場(chǎng)為依托,將新研發(fā)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)與臺(tái)站已有觀測(cè)系統(tǒng)有機(jī)集成,形成天地一體化的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。開(kāi)展遙感-地面同步觀測(cè)試驗(yàn),檢測(cè)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)和已有觀測(cè)系統(tǒng)的集成能力,實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等綜合效益。

1.2 技術(shù)路線

如圖1所示,項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容的第一部分是15種生態(tài)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā),第二部分是生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),第三部分是示范應(yīng)用和綜合監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建。項(xiàng)目將通過(guò)原始和集成創(chuàng)新,以新型生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備研制為重點(diǎn),物聯(lián)網(wǎng)為集成方式,示范為檢驗(yàn)手段,產(chǎn)業(yè)化為出口,通過(guò)產(chǎn)學(xué)研密切合作,完成預(yù)設(shè)的研究?jī)?nèi)容。第一部分的監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)第二部分接入網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)。第三部分,一方面為監(jiān)測(cè)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)提供中試基地,以輔助相關(guān)設(shè)備的定型和產(chǎn)業(yè)化；另一方面通過(guò)建立天地一體化的生態(tài)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)體系,支持脆弱生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、綜合監(jiān)測(cè)。

圖1 項(xiàng)目總體技術(shù)路線圖Fig.1 Overall technical route

2 總體目標(biāo)

項(xiàng)目總體目標(biāo)為：研發(fā)生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)自主創(chuàng)新,增強(qiáng)生態(tài)監(jiān)測(cè)立體化、自動(dòng)化、智能化水平,服務(wù)國(guó)家脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù),逐步滿足國(guó)家實(shí)時(shí)生態(tài)監(jiān)測(cè)的需求：

(1)研發(fā)水-土-氣-生過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備,精度不低于國(guó)際同類(lèi)儀器,實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)/單株/個(gè)體到群落-生態(tài)系統(tǒng)-景觀多尺度立體化、自動(dòng)化觀測(cè)；

(2)制定生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),研制支持遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)通用數(shù)據(jù)記錄傳輸儀、無(wú)線傳輸器件及中繼設(shè)備,開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)全自動(dòng)采匯、實(shí)時(shí)共享、可在線應(yīng)用的生態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng),形成智能化生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)；

(3)提高生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率,提升國(guó)產(chǎn)生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,打破相關(guān)設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面；

(4)在脆弱生態(tài)區(qū)示范應(yīng)用,構(gòu)建立體綜合、與遙感監(jiān)測(cè)天地一體化的群落-生態(tài)系統(tǒng)-景觀多尺度生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

(5)產(chǎn)出一系列原創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán),包括專利、論文、軟件著作權(quán)和物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目將緊密?chē)@國(guó)家“兩屏三帶”生態(tài)安全屏障建設(shè)的科技需求,推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和國(guó)家生態(tài)安全保障,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)方式的自主創(chuàng)新與升級(jí)換代,并在我國(guó)脆弱生態(tài)區(qū)開(kāi)展示范應(yīng)用,全面提升我國(guó)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的綜合效益。研制的儀器設(shè)備可運(yùn)用于森林、草地、濕地、荒漠、農(nóng)田和城市等生態(tài)系統(tǒng)變化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與觀測(cè)。相對(duì)于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品,成本將大幅降低,打破國(guó)外壟斷技術(shù)及產(chǎn)品嚴(yán)重制約我國(guó)相關(guān)學(xué)科及業(yè)務(wù)發(fā)展的不利局面。

通過(guò)對(duì)生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用,可提升我國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)的信息化水平,具有重要社會(huì)意義。本項(xiàng)目研制的生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備、觀測(cè)規(guī)范與數(shù)據(jù)處理方法、生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)等,可以推廣應(yīng)用到中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)、國(guó)家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)以及其它相關(guān)部門(mén)類(lèi)似的野外臺(tái)站,將有助于大幅提升我國(guó)對(duì)生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估的科技研發(fā)能力、水平和國(guó)際影響力,為國(guó)家生態(tài)建設(shè)和生態(tài)安全調(diào)控提供技術(shù)支撐,有效地促進(jìn)生態(tài)建設(shè)、以及經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 傅伯杰, 劉宇. 國(guó)際生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究計(jì)劃及啟示. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2014, 33(7):893-902.

[2] Li X, Cheng G D, Liu S M, Xiao Q, Ma M G, Jin R, Che T, Liu Q H, Wang W Z, Qi Y, Wen J G, Li H Y, Zhu G F, Guo J W, Ran Y H, Wang S G, Zhu Z L, Zhou J, Hu X L, Xu Z W. Heihe Watershed Allied Telemetry Experimental Research (HiWATER): scientific objectives and experimental design. Bulletin of American Meteorological Society, 2013, 94(8): 1145-1160.

[3] Liu SM, Xu Z W, Wang W Z, Jia Z Z, Zhu M J, Bai J, Wang J M. A comparison of eddy-covariance and large aperture scintillometer measurements with respect to the energy balance closure problem. Hydrology and Earth System Sciences, 2011, 15(4):1291-1306.

[4] Dassot M, Constant T, Fournier M. The use of terrestrial LiDAR technology in forest science: application fields, benefits and challenges. Annals of Forest Science, 2011, 68(5):959-974.

[5] Keenan T F, Darby B, Felts E, Sonnentag O, Friedl M A, Hufkens K, O′Keefe J, Klosterman S, Munger J W, Toomey M, Richardson A D. Tracking forest phenology and seasonal physiology using digital repeat photography: a critical assessment. Ecological Applications, 2014, 24(6), 1478-1489.

[6] Rowcliffe J M, Carbone C. Surveys using camera traps: are we looking to a brighter future? Animal Conservation, 2008, 11(3):185-186.

Innovative development of equipments and internet-of-things techniques for ecosystem monitoring and its demonstration

LI Xin1, LIU Shaomin2, SUN Xiaomin3,7, WU Dongxiu4, ZHOU Yan5, GUO Jianwen1, WEN Xuefa3, CHEN Shiping4, MA Mingguo6, JIN Rui1,*, ZHAO Ning1

1NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China3InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China4InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China5InstituteofSemiconductors,ChineseAcademyofSciences,Beijing100083,China6SouthwestUniversity,Chongqing400715,China7UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

This paper introduces the background, research objectives and contents of a kicked-off project titled “Innovative development of equipments and internet-of-things techniques for ecosystem monitoring and its demonstration”. The project is funded by the Key Special Projects entitled “Rehabilitation and Protection of Typical Fragile Ecosystems in China” in the framework of National Key Research and Development Plan. To meet the requirements of national ecosystem monitoring and parallel the international science and technology frontiers of ecosystem monitoring, this project aims at developing some innovative equipments and internet-of-things technologies for ecosystem monitoring. These equipments and internet-of-things technologies will be demonstrated in selected fragile ecosystems across China to verify their usefulness in constructing a real-time, stereo, automatic and intelligent ecosystem observing system. The eventual purpose is to enhance observation ability of ecosystems and therefore serve the national priorities in fragile ecosystem protection and rehabilitation.

ecosystem monitoring equipment; internet-of-things for ecosystem monitoring; fragile ecosystem

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0500100)

2016- 11- 08

10.5846/stxb201611082269

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jinrui@lzb.ac.cn

李新,劉紹民,孫曉敏,吳冬秀,周燕,郭建文,溫學(xué)發(fā),陳世蘋(píng),馬明國(guó),晉銳,趙寧.生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7023- 7027.

Li X, Liu S M, Sun X M, Wu D X, Zhou Y, Guo J W, Wen X F, Chen S P, Ma M G, Jin R, Zhao N.Innovative development of equipments and internet-of-things techniques for ecosystem monitoring and its demonstration.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7023- 7027.