生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示范

李 新,劉紹民,孫曉敏,吳冬秀,周 燕,郭建文,溫學發,陳世蘋,馬明國,晉 銳,*,趙 寧

1 中國科學院西北生態環境資源研究院,蘭州 730000 2 北京師范大學,北京 100875 3 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 4 中國科學院植物研究所,北京 100093 5 中國科學院半導體研究所,北京 100083 6 西南大學,重慶 400715 7 中國科學院大學,北京 100049

生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示范

李 新1,劉紹民2,孫曉敏3, 7,吳冬秀4,周 燕5,郭建文1,溫學發3,陳世蘋4,馬明國6,晉 銳1,*,趙 寧1

1 中國科學院西北生態環境資源研究院,蘭州 730000 2 北京師范大學,北京 100875 3 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101 4 中國科學院植物研究所,北京 100093 5 中國科學院半導體研究所,北京 100083 6 西南大學,重慶 400715 7 中國科學院大學,北京 100049

本文主要介紹國家重點研發計劃2016年首批立項的重點專項“生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示范”(2016YFC500100)的項目立項背景、主要研究內容及總體目標。本項目緊密圍繞國家生態監測需求,與國際上生態監測科學技術前沿并跑,研發生態系統關鍵參量監測設備和生態物聯網關鍵技術,開展示范和產業化推廣,推動我國生態監測技術的自主創新,服務我國脆弱生態修復與保護需求,增強我國生態監測的立體化、自動化、智能化水平,滿足國家實時生態監測的需求。

生態監測設備；生態監測物聯網；脆弱生態

推進我國生態文明建設、實現脆弱生態修復與保護、構建國家生態監測網絡體系,都急需監測設備和方法的自主創新與研發。國家《生態環境監測網絡建設方案(2015年)》提出要“強化高新技術、先進裝備與系統的應用,提高生態環境監測立體化、自動化、智能化水平”。然而,我國生態監測儀器存在嚴重依賴進口、觀測自動化、智能化、網絡化程度不高等瓶頸問題。目前,我國多種實驗室原型機已展現出與國際先進儀器性能相當甚至超越的創新潛力,但其市場化程度甚低。因此,本項目在分析國家生態監測需求并參考國內外主要生態觀測網絡科學規劃的基礎上[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、動物生態關鍵參量,開展儀器研發和物聯網示范研究。

本項目將研制一系列監測生態系統水-土-氣-生關鍵參量的新設備,構建基于物聯網的天地一體化生態系統監測體系,打破國外技術壟斷,實現我國生態監測技術的自主創新；并將實現對重要生態功能區的大范圍、全天候、立體化監測,對推進我國生態文明建設具有重要支撐作用。

1 研究內容和關鍵技術方案

1.1 主要研究內容

本項目的主要研究內容包括：

(1)生態系統水熱關鍵參量監測設備研制

針對蒸散發、植被蒸騰和土壤水分三個關鍵參量,研制以下“單株-群落-生態系統-景觀”多尺度監測設備：

雙波段閃爍儀：集成雙波段電磁波傳播技術、信號調制解調技術及微氣象數據分析與控制等技術,研制雙波段閃爍儀的硬件系統(近紅外、微波波段的發射器與接收器等)與軟件系統,并進行系統整合與性能調試；在多種天氣與下墊面條件下,開展野外檢測,并對系統硬件與軟件進行改進。

植物液流儀：針對不同植物類型,改進單株蒸騰量測算模型；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；研究與分析樹木液流徑向變化規律,研制“一針多點”探針式傳感器；分析熱平衡特征,研制包裹式傳感器；進行野外測試,最終實現對多種植物(不同材性喬、灌木與農作物等)單株蒸騰量的測量。

非插入便攜式土壤水分測定儀：基于高頻振蕩技術,研制0—40cm 深度范圍內點尺度、非插入、便攜式土壤水分測定儀,研發基于FDR(Frequency Domain Reflectometry)的土壤水分傳感器,集成國內外高精度微型數據采集與存儲器、GPS (Global Positioning System)定位系統、可調式多類型無線傳輸與控制模塊于一體,并研發數據采集、系統控制和數據檢驗與控制軟件系統。

中尺度土壤水分測定儀：基于He3宇宙射線中子捕獲技術,研制700m 直徑范圍中尺度土壤水分測定儀,集成國內外高精度探測器和高精度微型數據采集與存儲器,并研發低功耗數據采集、系統控制和數據檢驗與質控系統。

(2)土壤生物化學過程二氧化碳同位素綜合觀測系統研制

根據土壤生物化學過程溫室氣體(CO2和δ13C)產生和輸送的特點,基于穩定同位素紅外光譜技術,兼顧野外原位連續觀測和室內模擬控制觀測的客觀需要,研制直接測定土壤-大氣界面CO2和δ13C通量的多通道雙循環土壤呼吸δ13C觀測系統、直接測定土壤和大氣CO2和δ13C垂直運動過程的土壤和大氣δ13C廓線協同觀測系統、室內模擬變溫條件下直接測定土壤有機質分解過程CO2和δ13C的土壤微生物呼吸δ13C全自動變溫模擬與測定系統共3個裝置。

重點研發低濃度與高濃度溫室氣體(CO2和δ13C)兼顧的野外與室內儀器非線性響應的在線標定系統部件、多通道氣路間的雙循環的CO2和δ13C高效循環的關鍵氣路部件、符合野外和室內試驗特點的CO2和δ13C濃度預降低的關鍵氣路部件、可模擬凍融過程的全自動變溫系統部件。基于上述關鍵部件研發,開展三個裝置的硬件與軟件設計與研發、系統的調試與檢驗、野外和室外測試等。

(3)植被關鍵參量自動監測設備研制

針對植被結構和生產力等表征生態系統健康狀況的重要參數,研發自動化、多尺度監測儀器,包括：

冠層微細立體結構三維觀測儀：基于微細立體結構的超分辨率三維成像方法以及葉片特征尺寸的反演算法,突破納秒時間同步控制、圖像增強處理等關鍵技術,實現冠層微細結構的三維成像。

分布式葉面積指數自動觀測儀：改進植被冠層的葉面積指數分布式探測方法與技術,開發滿足復雜空間異質性條件的真實葉面積指數實時算法軟件,集成適合多種植被類型的葉面積指數分布式觀測系統。

樹木徑向生長自動觀測儀：通過高精度位移應變傳感器的研發,結合溫度補償算法,集成無線傳輸模塊實現植物徑向生長高頻、自動、組網觀測。

活立木密度觀測儀：建立微波信號特征與樹木密度分布模型,集成微波信號發射、接收、定位、及無線傳輸功能器件,研制活立木密度地面測量設備。

植物物候自動觀測儀：基于圖像自動識別和光譜分析技術的植物關鍵物候期的精細提取算法,研發多光譜植物物候觀測儀,實現對植物關鍵物候信息的自動、高頻獲取和無線傳輸。

(4)陸生脊椎動物監測設備研制

針對現有動物監測系統中存在的數據離散、監測單一、難以量化等難題,重點研制以下設備：

雙CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)紅外原位立體相機：研究基于雙目立體匹配的野生動物尺寸反演算法、復雜背景下雙目立體視覺的圖像匹配及矯正算法、夜間輔助照明及圖像增強技術、上位機顯示及信息處理技術、紅外觸發及時序控制技術,實現雙CMOS相機研制。

小型脊椎動物偵測系統及觸發傳感器：基于傳感器陣列的方位和距離獲取技術、多模信息整合和處理技術,實現小型脊椎動物偵測系統及觸發傳感器。

陸生脊椎動物全天候監測數據自動采集終端：研究基于物候傳感器和紅外立體相機的多傳感器同步觸發及控制技術,適應低溫、高濕等復雜環境,滿足實時監測與傳輸的持續供電技術；制定適應不同網絡傳輸帶寬的多類型數據分層存儲的技術標準,并提供主動傳輸接口,與課題5研制的數據記錄傳輸儀對接,實現數據的無線組網傳輸,構成具有綜合管理功能的監測節點。

(5)生態監測物聯網關鍵技術研發

針對生態監測物聯網應用體系中的幾個核心環節開展關鍵技術研發,包括：

生態監測物聯網標準體系：攻克生態監測物聯網系統體系框架、數據采集、數據描述、數據融合、數據共享、傳輸接口等關鍵技術標準,形成一套組建規范化生態監測物聯網系統的核心技術標準。

數據記錄傳輸技術：設計自主硬件體系架構,開發嵌入式微處理器運行程序、各個外圍電路的驅動程序及應用程序,優化性能測試,研制多通道、高精度、低成本的國產通用型生態監測數據記錄傳輸儀。

遠程無線組網與傳輸技術：研制低功耗長距離無線組網傳輸器件和中繼設備,滿足偏遠無基站環境下生態監測物聯網系統組網需求。

生態監測信息化技術：研究異源數據匯集接口、監測數據存儲技術、數據自動預處理方法、數據在線可視化管理應用體系,研建以生態監測物聯網標準為規范的生態監測信息系統平臺。

(6)生態監測設備產業化與物聯網監測系統示范

在4類儀器研發和生態監測物聯網關鍵技術研發內容完成室內測試的基礎上,組織開展新研制儀器的中試,主要針對硬件、結構、軟件、工藝、測試、維修、物料等方面開展驗證,并評估研制儀器的可靠性、連續性、穩定性和適應性等參數,檢測生態監測物聯網的聯網能力。

依托中國生態系統研究網絡(CERN：Chinese Ecosystem Research Network)和中國科學院遙感試驗與地面觀測網絡(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脆弱區、西南巖溶山地石漠化生態脆弱區、東北珍稀瀕危野生脊椎動物保護區選擇三個典型試驗場,部署新研制的生態監測物聯網,開展植被生態系統及瀕危脊椎動物監測示范,同時開展與同類型進口儀器的對比觀測,獲取示范區內新研制儀器和進口儀器的觀測基礎數據集,并針對不同脆弱生態區的科學問題開展數據應用。

以黑河流域生態水文綜合試驗場為依托,將新研發生態監測物聯網與臺站已有觀測系統有機集成,形成天地一體化的綜合監測系統。開展遙感-地面同步觀測試驗,檢測生態監測物聯網和已有觀測系統的集成能力,實現生態、經濟、社會等綜合效益。

1.2 技術路線

如圖1所示,項目研究內容的第一部分是15種生態監測關鍵參量監測設備研發,第二部分是生態物聯網關鍵技術研發,第三部分是示范應用和綜合監測體系構建。項目將通過原始和集成創新,以新型生態監測設備研制為重點,物聯網為集成方式,示范為檢驗手段,產業化為出口,通過產學研密切合作,完成預設的研究內容。第一部分的監測設備通過第二部分接入網絡和信息系統。第三部分,一方面為監測設備和物聯網提供中試基地,以輔助相關設備的定型和產業化；另一方面通過建立天地一體化的生態系統物聯網監測體系,支持脆弱生態系統的實時、綜合監測。

圖1 項目總體技術路線圖Fig.1 Overall technical route

2 總體目標

項目總體目標為：研發生態監測設備和物聯網關鍵技術,推動我國生態監測技術自主創新,增強生態監測立體化、自動化、智能化水平,服務國家脆弱生態修復與保護,逐步滿足國家實時生態監測的需求：

(1)研發水-土-氣-生過程關鍵參數監測設備,精度不低于國際同類儀器,實現單點/單株/個體到群落-生態系統-景觀多尺度立體化、自動化觀測；

(2)制定生態物聯網標準,研制支持遠程聯網通用數據記錄傳輸儀、無線傳輸器件及中繼設備,開發數據全自動采匯、實時共享、可在線應用的生態監測信息系統,形成智能化生態監測物聯網；

(3)提高生態監測設備的國產化率,提升國產生態監測設備市場競爭力,打破相關設備嚴重依賴進口的局面；

(4)在脆弱生態區示范應用,構建立體綜合、與遙感監測天地一體化的群落-生態系統-景觀多尺度生態物聯網監測系統；

(5)產出一系列原創知識產權,包括專利、論文、軟件著作權和物聯網標準。

3 結語

本項目將緊密圍繞國家“兩屏三帶”生態安全屏障建設的科技需求,推進我國生態文明建設和國家生態安全保障,實現生態系統關鍵監測設備和監測方式的自主創新與升級換代,并在我國脆弱生態區開展示范應用,全面提升我國生態環境和經濟社會可持續發展的綜合效益。研制的儀器設備可運用于森林、草地、濕地、荒漠、農田和城市等生態系統變化的自動監測與觀測。相對于國外同類產品,成本將大幅降低,打破國外壟斷技術及產品嚴重制約我國相關學科及業務發展的不利局面。

通過對生態監測物聯網技術的應用,可提升我國生態監測的信息化水平,具有重要社會意義。本項目研制的生態系統關鍵參量監測設備、觀測規范與數據處理方法、生態監測物聯網等,可以推廣應用到中國生態系統研究網絡、國家生態系統觀測研究網絡以及其它相關部門類似的野外臺站,將有助于大幅提升我國對生態監測與評估的科技研發能力、水平和國際影響力,為國家生態建設和生態安全調控提供技術支撐,有效地促進生態建設、以及經濟和社會的可持續發展。

[1] 傅伯杰, 劉宇. 國際生態系統觀測研究計劃及啟示. 地理科學進展, 2014, 33(7):893-902.

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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

國家重點研發計劃項目(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,溫學發,陳世蘋,馬明國,晉銳,趙寧.生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示范.生態學報,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.