海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)：概念和模型

常立俠,張海杰,張飛宇,陳昌亮,黃 蓓,周厚誠(chéng),張振克,彭少麟,*

1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210023 2 廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心,廣州 510220 3 云南中醫(yī)藥大學(xué),昆明 650500 4 中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院有害生物控制與資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275

海島遠(yuǎn)離大陸,受海風(fēng)、海浪、鹽霧、土壤養(yǎng)分等影響,土壤含鹽量較高、水分較低、土層貧瘠,島上植被以灌草叢為主,原生植被較少,多為次生植被,植物形態(tài)與陸域環(huán)境相比差異明顯,但卻形成了獨(dú)特的生態(tài)景觀,如一些隱域性植被海島矮林。不少海島上分布有名貴藥用植物、國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)動(dòng)物等,周邊海域分布有紅樹(shù)林、珊瑚礁、珍稀水生生物等典型海洋生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于海島而言,惡劣的氣候環(huán)境和貧瘠的土壤大多不利于植物生長(zhǎng),植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且不穩(wěn)定,演替緩慢,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因而脆弱,一旦破壞將難以恢復(fù)。正因?yàn)槿绱?開(kāi)展海島生態(tài)學(xué)研究對(duì)于海島植被保護(hù)與修復(fù)具有重要意義。海島,尤其是面積較小的海島,作為一種特殊而脆弱的生態(tài)系統(tǒng),極易受到干擾和破壞[1- 3]。近年來(lái),隨著海島開(kāi)發(fā)活動(dòng)的不斷加劇,海島自然資源環(huán)境破壞的問(wèn)題逐漸突出,如陸源污染[4- 5]、海水養(yǎng)殖,以及外來(lái)物種入侵[7- 8]等問(wèn)題,使得海島生態(tài)環(huán)境面臨較大威脅,且有可能造成難以挽回的損失。例如,20世紀(jì)90年代廣東省的內(nèi)伶仃島出現(xiàn)的薇甘菊入侵幾乎使島上的珍稀野生動(dòng)物滅絕。因此加強(qiáng)海島生態(tài)監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。

海島作為自然資源的重要組成部分,是海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要依托,是構(gòu)建海洋生態(tài)文明的藍(lán)色屏障。黨的十九大以來(lái),習(xí)近平總書(shū)記多次強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)生態(tài)保護(hù),而生態(tài)保護(hù)的前提是對(duì)生態(tài)本底狀況、發(fā)展變化趨勢(shì)等一系列信息具有全面的掌握以此做出環(huán)境保護(hù)管理的決策依據(jù)。因此,在當(dāng)今信息化技術(shù)飛躍發(fā)展的趨勢(shì)下,探索一種完善的、基于現(xiàn)代信息技術(shù)而進(jìn)行對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)的綜合觀測(cè)將成為一種有效工具和必然趨勢(shì)。眾所周知,物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大變革,已經(jīng)深入到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域,然而在海島上利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲得海島生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期觀測(cè)鮮有研究。人們對(duì)于海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)是什么？有什么用？如何構(gòu)建？等一系列問(wèn)題并不十分清楚。因此本文在前人對(duì)物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用研究的有關(guān)基礎(chǔ)上,以無(wú)居民小海島這一典型且極少有人關(guān)注的研究領(lǐng)域作為研究對(duì)象,明確闡述了海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念,構(gòu)建了概念模型,并以典型海島為例示范了海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型在具體海島上的構(gòu)建,為加強(qiáng)海島生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)及海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考。

1 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念與內(nèi)涵

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生,物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)向物理世界的延伸,被認(rèn)為是下一信息時(shí)代的主要部分,也會(huì)是現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向[9]。當(dāng)前國(guó)際上較通用的物聯(lián)網(wǎng)定義為：運(yùn)用射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備,根據(jù)約定協(xié)議,以通過(guò)物品與互聯(lián)網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)信息和通信的交換為手段,從而實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、跟蹤、定位等功能的一種網(wǎng)絡(luò)概念[10]。

物聯(lián)網(wǎng)是許多領(lǐng)域的巨大整合[11],包括傳感器網(wǎng)絡(luò),嵌入式系統(tǒng),智能控制,數(shù)據(jù)處理和融合,任務(wù)調(diào)度和分配等。普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)是由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層3個(gè)層次組成[9]。

目前,物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,識(shí)別和辨認(rèn)技術(shù)在各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中得到應(yīng)用,例如門衛(wèi),物流,食品安全,移動(dòng)支付等[12]。在文化遺產(chǎn)的預(yù)防性保護(hù)[13]、醫(yī)療及衛(wèi)生保健[14-15]、智能城市[16]和智能生活[17- 18]以及工業(yè)[19]、制造業(yè)[20]、農(nóng)業(yè)[21]等領(lǐng)域均已經(jīng)得到廣泛使用。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也極大的推動(dòng)了環(huán)境監(jiān)測(cè)[22]研究的進(jìn)展,以獲取實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的環(huán)境動(dòng)態(tài)信息。

1.2 生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)

生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)(ecological internet of things, EIOT)是將網(wǎng)絡(luò)和感應(yīng)器嵌入生態(tài)應(yīng)用對(duì)象,監(jiān)測(cè)生態(tài)信息(水體、土壤、大氣、生物)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和環(huán)保數(shù)據(jù)(污染狀況、環(huán)境效應(yīng)、管理策略)等[23],其基礎(chǔ)和核心仍然是互聯(lián)網(wǎng),是用戶端擴(kuò)展到了生態(tài)研究、管理及工程相關(guān)的諸多方面,并進(jìn)行生態(tài)信息交換和通信,是生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)代生態(tài)管理相結(jié)合的產(chǎn)物[24]。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)[25]是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)在生態(tài)/環(huán)境相關(guān)研究主要分為兩大類,一是(生態(tài))環(huán)境因子監(jiān)測(cè)和生物過(guò)程,如森林生態(tài)因子[26]、水環(huán)境[27]、農(nóng)田[28]、城市環(huán)境[29]、植被[30]、土壤[31]、湖泊碳通量[25]等的監(jiān)測(cè)；另一類是生物監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng),如害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)[32]、動(dòng)物[25]等。然而到目前為止,國(guó)內(nèi)外鮮有從生態(tài)學(xué)角度開(kāi)展監(jiān)測(cè)要素的系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)研究,要建立一個(gè)較為完整的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)還需要一些理論和監(jiān)測(cè)體系的支撐。

1.3 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念

海島的地理位置決定其易受臺(tái)風(fēng)、地震、海嘯等海洋災(zāi)害的不利影響,存在災(zāi)害多發(fā),抗災(zāi)害能力差等弱點(diǎn)。例如,位于我國(guó)東南沿海的海島,受臺(tái)風(fēng)影響較大,由此造成的海島環(huán)境的自然破壞時(shí)有發(fā)生[3]。因此加強(qiáng)海島生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)控是海島保護(hù)的重要前提。海島生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成與其他生態(tài)系統(tǒng)相比具有自身的特點(diǎn),海島四面環(huán)海水因此相對(duì)獨(dú)立,形成了特有的海島生態(tài)景觀。海島與周邊海域界限明確,以島岸線為界限,島岸線以上的陸域是海島生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,并與潮間帶及近海兩個(gè)子系統(tǒng)共同構(gòu)成了海島生態(tài)系統(tǒng)的3個(gè)子系統(tǒng)[33]。這些決定了海島生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的復(fù)雜性。

在海島生態(tài)智能監(jiān)測(cè)方面,已有文獻(xiàn)對(duì)海島紅樹(shù)林[34]、氣象[35]、島上鼠類[36]等進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究,但總體上研究不多。當(dāng)前國(guó)家對(duì)海島資源環(huán)境保護(hù)的重視和管理迫切需要系統(tǒng)掌握海島生態(tài)現(xiàn)狀及發(fā)展變化等信息。然而,利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展海島生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)性研究較少,且沒(méi)有完整的海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念。因此,本文在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,首次明確闡述了海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)(island ecological internet of things, IEIOT)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于海島生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。它是指通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將海島生態(tài)系統(tǒng)中的生物和非生物要素(包括生態(tài)安全要素)進(jìn)行系統(tǒng)的采集、集中存儲(chǔ)并經(jīng)過(guò)島-陸間的傳輸實(shí)現(xiàn)海島生態(tài)信息的共享應(yīng)用,以便獲得海島生態(tài)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化,掌握海島生態(tài)系統(tǒng)在長(zhǎng)期自然和人為干擾下的變化規(guī)律、機(jī)制和生態(tài)安全狀況,為政策制定提供科學(xué)依據(jù)、為海島生態(tài)學(xué)等科學(xué)研究提供重要支撐的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。

圖1 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)狹義和廣義概念示意圖 Fig.1 A schematic diagram of broad and narrow sense of island ecological internet of things

由于海島與大陸隔離,要正確認(rèn)知海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的特征就需要從廣義和狹義的角度深刻理解海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的涵義(如圖1)。一是從海島內(nèi)部信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)及應(yīng)用,可理解為狹義海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),這部分信息的獲取以完全智能化的傳感器為手段,在島內(nèi)形成信息自動(dòng)獲取、實(shí)時(shí)傳輸及島內(nèi)第一層次的應(yīng)用,這與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架是一致的,但應(yīng)用層相對(duì)簡(jiǎn)單,僅為島內(nèi)工作人員,數(shù)據(jù)并不傳輸至島外；二是信息的獲取除了依靠智能化設(shè)備外,其他一些需要人工輔助的信息也是海島生態(tài)系統(tǒng)信息的來(lái)源,兩種來(lái)源的信息集成至海島控制中心而形成大數(shù)據(jù)庫(kù),這些數(shù)據(jù)通過(guò)島-陸間傳輸及應(yīng)用,即構(gòu)成了廣義的海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),其應(yīng)用層則面向更廣闊的客戶端。

1.4 構(gòu)建海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的目的和意義

海島生態(tài)監(jiān)測(cè)的目的最終是為海島保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù),保障海島生態(tài)系統(tǒng)的健康、可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)構(gòu)建海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),掌握海島生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)、功能變化規(guī)律,一方面為海島生態(tài)學(xué)研究提供重要的平臺(tái),同時(shí)也為加強(qiáng)海島的有效保護(hù),促進(jìn)海島生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

中國(guó)擁有上萬(wàn)個(gè)海島,但這些海島因?yàn)檫h(yuǎn)離大陸、交通閉塞等原因而成為名副其實(shí)的“信息孤島”,制約了海島的管理以及相關(guān)研究的開(kāi)展。在中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)中,海島生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站到目前為止依然是一片空白,而海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的建立,將實(shí)現(xiàn)對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期的生態(tài)監(jiān)測(cè),填補(bǔ)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的空白。此外,中國(guó)作為海島大國(guó),歷來(lái)重視海島的保護(hù),在國(guó)家構(gòu)建海洋生態(tài)文明、海洋戰(zhàn)略安全等時(shí)代背景下,小海島的保護(hù)是南海戰(zhàn)略和保障領(lǐng)海安全非常重要的環(huán)節(jié)。海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)恰恰能為生態(tài)島礁建設(shè)、海島統(tǒng)計(jì)調(diào)查制度、海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海島生態(tài)本底調(diào)查等提供信息獲取途徑。因此對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展長(zhǎng)期的生態(tài)監(jiān)測(cè),無(wú)論是對(duì)于海島自身資源環(huán)境的保護(hù)還是對(duì)政府管理部門決策的制定均有重要意義。

2 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型的構(gòu)建

2.1 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)組成

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)以海島生態(tài)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)對(duì)象,以島-陸傳輸作為海島生態(tài)系統(tǒng)信息共享應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。綜合海島所處地理位置、環(huán)境狀況、海島的戰(zhàn)略地位等特征,在參考傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了適合海島的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)組成,即生態(tài)監(jiān)測(cè)層、數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、海島控制層、能源保障層、數(shù)據(jù)保密層和應(yīng)用服務(wù)層7部分(如圖2)。

其中生態(tài)要素層是海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)最基本、最關(guān)鍵的組成部分,回答海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)什么？主要包括海島生物要素、非生物和特殊要素的監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集層,既包含智能監(jiān)測(cè)設(shè)備如氣象傳感器、視頻監(jiān)控傳感器等,又包含需要借助人工調(diào)查完成的信息監(jiān)測(cè)如植物多樣性、生物入侵等的監(jiān)測(cè)以及其他國(guó)內(nèi)目前還未研發(fā)出相應(yīng)傳感器的關(guān)鍵生物參量如樹(shù)木徑向生長(zhǎng)自動(dòng)觀測(cè)儀、陸生脊椎動(dòng)物監(jiān)測(cè)設(shè)備等[37]；與陸地相比,無(wú)居民海島供電、網(wǎng)絡(luò)通訊等保障具有較大的難度,因此,能源保障和數(shù)據(jù)的傳輸及共享對(duì)海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)運(yùn)行和數(shù)據(jù)的島外傳輸及共享非常關(guān)鍵。結(jié)合海島特點(diǎn),可考慮太陽(yáng)能發(fā)電、海上風(fēng)電,有條件的地區(qū)還可以通過(guò)海底電纜保障用電,而數(shù)據(jù)的傳輸不僅要解決島內(nèi)各傳感器與海島控制中心之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸,即島內(nèi)網(wǎng)絡(luò)傳輸,更要解決海島控制中心與大陸控制中心之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸,即島-陸間數(shù)據(jù)傳輸,海島控制中心既是島內(nèi)傳輸?shù)慕K端(存儲(chǔ)、分析等),又是島陸間傳輸?shù)慕涌诙?數(shù)據(jù)采集端)；由于一些海島的特殊性,例如一些權(quán)益類海島,因此還應(yīng)當(dāng)注意增加數(shù)據(jù)的安全保密層；海島的應(yīng)用服務(wù)層主要是面向各級(jí)政府、海洋主管部門、執(zhí)法監(jiān)督部門、科研機(jī)構(gòu)、海島開(kāi)發(fā)商、社會(huì)大眾等,這些機(jī)構(gòu)獲取海島信息后分別制定相應(yīng)的管理決策、科學(xué)研究目標(biāo)以及知情海島的基本現(xiàn)狀信息,增強(qiáng)海島保護(hù)與宣傳意識(shí)。

圖2 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念模型Fig.2 Conceptual model of island ecological internet of things (IEIOT)

2.2 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型構(gòu)建流程

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建時(shí)一般應(yīng)注意三方面的內(nèi)容。首先需詳細(xì)分析海島及周邊海域狀況并據(jù)此確定生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和相應(yīng)的設(shè)備；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)/人工收集并由海島控制中心匯集后傳輸至陸地服務(wù)器；最后根據(jù)對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)結(jié)果制定海島管理的決策依據(jù)(如圖3)。海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建除了上述一般流程之外,還應(yīng)考慮海島之間的差異性、特殊性,如對(duì)于有海島植被恢復(fù)的應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)增加植被恢復(fù)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)；對(duì)于海島沙灘有破壞趨勢(shì)的,增加沙灘的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；對(duì)于海島有采石滑坡風(fēng)險(xiǎn)的還應(yīng)當(dāng)增加地質(zhì)安全要素的監(jiān)測(cè)。

圖3 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建流程分析Fig.3 Construction process analysis of ecological internet of things (IEIOT)

2.3 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)、特征

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)自然因素和人為因素共同干擾下海島生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的綜合監(jiān)測(cè),因此它不僅監(jiān)測(cè)海島生態(tài)系統(tǒng)在自然因子影響下的變化同時(shí)還包括海島及周邊海域海域人為活動(dòng)對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)的影響。由于海島長(zhǎng)期暴露于海洋環(huán)境強(qiáng)烈的影響中,空氣濕度大、鹽霧多,對(duì)于儀器設(shè)備防潮、抗風(fēng)、防腐蝕、使用壽命等的性能要求高,此外交通不便利導(dǎo)致了維護(hù)成本較高。

由于海島的使用需要按照程序申請(qǐng)用島、用海,因而海島生態(tài)物理網(wǎng)建設(shè)的前期工作復(fù)雜、流程長(zhǎng),且涉及多個(gè)管理部門。獲得海島使用權(quán)是構(gòu)建海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的保密性要求高。海島是維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益的象征,不少領(lǐng)海基點(diǎn)所在海島、國(guó)防安全用島等涉及國(guó)家海上安全戰(zhàn)略,因此海島物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建應(yīng)考慮數(shù)據(jù)保密性。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)相比,測(cè)重從生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)出發(fā),強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性的監(jiān)測(cè)指標(biāo),因此增加了生態(tài)要素層以明確監(jiān)測(cè)指標(biāo),此外對(duì)于能源保障、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)保密等有特殊要求。

如前所述海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)具有廣義和狹義之分。在一個(gè)成熟的海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)中同時(shí)存在狹義、廣義兩種情形,而后者是真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)。

2.4 海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特色

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)更加強(qiáng)調(diào)信息的保密性。對(duì)于前文提及的特殊類海島的信息應(yīng)進(jìn)行保密處理,確保信息的專網(wǎng)專用,因此數(shù)據(jù)的使用管理更加嚴(yán)格。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)包括了各種氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害等特殊要素,對(duì)這些信息的監(jiān)測(cè)將有助于及時(shí)掌握和了解極端天氣對(duì)海島生態(tài)系統(tǒng)的影響,并能通過(guò)預(yù)警及時(shí)做好防范措施,最大程度降低損失。

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)重生態(tài)因子的監(jiān)測(cè),更加強(qiáng)調(diào)對(duì)自然植被的演替、植被恢復(fù)效果、入侵物種、動(dòng)物群落等的動(dòng)態(tài)、長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè),這些對(duì)于開(kāi)展海島生態(tài)學(xué)的長(zhǎng)期跟蹤評(píng)估研究十分關(guān)鍵。

與傳統(tǒng)的人工調(diào)查相比,海島生態(tài)物理網(wǎng)監(jiān)測(cè)科獲取大量、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的海島資源環(huán)境的綜合信息,因此對(duì)于海島管理部門而言將是十分有利的管理手段；

海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)獲取的信息在社會(huì)公共平臺(tái)共享后,可以讓更多人了解海島、認(rèn)知海島、保護(hù)海島,對(duì)于在全社會(huì)范圍內(nèi)加強(qiáng)海島的保護(hù)宣傳、增強(qiáng)海島保護(hù)意識(shí)也是非常重要的。

3 三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型應(yīng)用分析

三角島(22°08′30″N、 113°42′34″E)是隸屬于廣東省珠海市的眾多無(wú)居民小島中的一個(gè),海島面積雖小(不足1 km2),但島上有沙灘、地下水、植被等資源,是無(wú)居民海島中資源相對(duì)豐富的海島。因受采石活動(dòng)影響,海島原生植被及地貌遭到嚴(yán)重破壞,是珠江口采石造成破壞的典型海島,亟需開(kāi)展海島生態(tài)修復(fù)。2017年三角島已獲得了廣東省第一個(gè)不動(dòng)產(chǎn)權(quán)屬證書(shū),且屬于“公益+旅游”聯(lián)合用島創(chuàng)新模式,且目前旅游用島項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)展前期通電、通訊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),為海島物聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)基站的建立提供了重要基礎(chǔ)支撐,是三角島構(gòu)建生物物聯(lián)網(wǎng)的巨大優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型,結(jié)合三角島資源、環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)存在的問(wèn)題及未來(lái)旅游開(kāi)發(fā)活動(dòng)可能存在的生態(tài)環(huán)境影響等因素綜合考慮,構(gòu)建了三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系,形成了海島植被、土壤、氣象、沙灘、淡水、岸線、海島垃圾等在內(nèi)的21項(xiàng)優(yōu)先監(jiān)測(cè)內(nèi)容、 95個(gè)生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)(表1),作為生態(tài)監(jiān)測(cè)要素層。根據(jù)生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)確定了3大類傳感器設(shè)備,即生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、海洋水文傳感器設(shè)備；采用Mini-GSentry節(jié)點(diǎn)保障數(shù)據(jù)島內(nèi)傳輸。由各傳感器所獲取的數(shù)據(jù)以及人工錄入數(shù)據(jù)將匯聚至海島西北部區(qū)域擬建的控制中心,并通過(guò)海底光纖、北斗、GPRS等傳輸至島外。上述幾部分組合便構(gòu)成了三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的概念模型,如圖3。

表1 三角島生態(tài)監(jiān)測(cè)要素及數(shù)據(jù)采集方式

三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建在一定程度上具有重要的示范意義。該島屬于遭受人為破壞嚴(yán)重的海島,這類海島集中分布在珠江口,如小蜘洲、三門島、牛頭島、二洲島等,其他海域情況類似的海島有馬鞭洲等,因此構(gòu)建海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),通過(guò)關(guān)注植被的恢復(fù),驗(yàn)證生態(tài)學(xué)理論在海島生態(tài)恢復(fù)、植物群落構(gòu)建中的應(yīng)用,對(duì)于海島植被恢復(fù)理論和實(shí)踐研究均具有探索意義,也是很好的實(shí)例驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)于未來(lái)海島開(kāi)發(fā)建設(shè)中不可避免造成植被破壞的修復(fù)也是重要的探索嘗試,將為海島植被的保護(hù)與修復(fù)提供重要的理論和實(shí)踐支撐,從而對(duì)于推動(dòng)海島生態(tài)學(xué)的研究具有重要的啟示。長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的觀測(cè)則有助于揭示該島生態(tài)系統(tǒng)的演變規(guī)律,以便制定更加科學(xué)合理的海島發(fā)展策略,為海島生態(tài)建設(shè)、生態(tài)恢復(fù)提供可復(fù)制、可推廣的經(jīng)驗(yàn)。

其次,三角島是自2010年海島保護(hù)法公布實(shí)施以來(lái)全國(guó)首個(gè)“一島雙證”(即旅游用島不動(dòng)產(chǎn)權(quán)屬證書(shū)和公共服務(wù)用島權(quán)屬證書(shū))的無(wú)居民海島,對(duì)于探索旅游開(kāi)發(fā)與公共服務(wù)用島相結(jié)合的新型海島開(kāi)發(fā)模式具有重要的示范作用,將是全國(guó)第一個(gè)開(kāi)展“公益+旅游”創(chuàng)新海島開(kāi)發(fā)模式的有益探索。此外,三角島作為粵港澳大灣區(qū)發(fā)展中的重要節(jié)點(diǎn),通過(guò)構(gòu)建三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),還可為周邊海域安全預(yù)警提供重要的信息平臺(tái),也將是開(kāi)啟南海生態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警的重要開(kāi)端。

圖4 三角島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)模型Fig.4 Monitoring model of ecological internet of things (EIOT) of SanJiao island

4 結(jié)論與展望

運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),自動(dòng)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、傳輸、評(píng)價(jià)海島生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)信息,為海島管理部門和研究機(jī)構(gòu)提供決策依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ),這便是海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)。海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)概念模型由海島生態(tài)監(jiān)測(cè)要素層、數(shù)據(jù)采集層(信息錄入層)、能源保障層、數(shù)據(jù)保密層、信息存儲(chǔ)層、傳輸層(島內(nèi)傳輸和島外傳輸)、應(yīng)用層7個(gè)具體部分構(gòu)成。從廣義的尺度上理解海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)與其他領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是一致的,但在海島內(nèi)部的信息獲取則包括智能獲取和人工錄入相結(jié)合的模式,因此自海島控制中心向島外傳輸數(shù)據(jù)開(kāi)始才可以算作真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的范疇,島內(nèi)部分信息的獲取、傳輸及存儲(chǔ)可以看做是狹義的物聯(lián)網(wǎng)范疇。

正因?yàn)楹u具有區(qū)別于農(nóng)田、山地等陸域生態(tài)系統(tǒng)的特殊性,海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)具有綜合監(jiān)測(cè)、需履行前期用島手續(xù)、建成及運(yùn)營(yíng)成本高、數(shù)據(jù)保密性強(qiáng)等特點(diǎn),決定了海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有一定的針對(duì)性、選擇性、側(cè)重性、科研性、管理性等方面的特色。

盡管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已較為成熟,但關(guān)于海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)體系及應(yīng)用和管理等相關(guān)研究仍處于摸索階段,在諸多方面仍需開(kāi)展進(jìn)一步的研究：如何構(gòu)建適合海島特殊地理實(shí)體的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系,讓生態(tài)監(jiān)測(cè)能夠更好的為管理和科研服務(wù)；如何有效融合、展示多類型數(shù)據(jù)信息模塊,以一種簡(jiǎn)單、便捷、高效的形式展現(xiàn)海島生態(tài)監(jiān)測(cè)的信息；如何進(jìn)一步完善海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系的建設(shè),對(duì)模型的應(yīng)用進(jìn)行修改與提升；如何構(gòu)建全國(guó)海島生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系平臺(tái)、將全國(guó)沿海島嶼生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)納入中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中；如何提高智能化監(jiān)測(cè)水平、逐步解決人工錄入的問(wèn)題,將是未來(lái)在海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)方面最大的挑戰(zhàn)。筆者下一步將以三角島為例,通過(guò)構(gòu)建海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng),探索海島生態(tài)物理網(wǎng)模型在實(shí)踐中的應(yīng)用并據(jù)此進(jìn)一步完善海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建,為推廣海島生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展有益探索。

致謝：陳寶明副教授、廖慧璇副研究員、胡娜胥幫助寫作，特此致謝。