濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

袁紅平 解生彬 薛丹丹 郜志鵬 嚴(yán)睿

關(guān)鍵詞：生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì);物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu);大豐麋鹿保護(hù)區(qū)

1 引言

十八大以來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。自然保護(hù)區(qū)作為生態(tài)文明建設(shè)的一部分，受到高度重視，各地生態(tài)保護(hù)工作也上升到一個(gè)新的高度。全面開(kāi)展自然保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)工作，是踐行“綠水青山就是金山銀山”的重要路徑。在自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，是保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)工作的重要內(nèi)容之一，又能輔助管理人員進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)管工作，還能輔助科研人員開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)的學(xué)術(shù)研究以及保護(hù)區(qū)科普宣教工作。

江蘇省大豐麋鹿國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)屬于濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]，具有濕地生態(tài)系統(tǒng)的共同點(diǎn)，即具備氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、水體凈化、固碳、釋氧、維護(hù)物種多樣性、提供生物棲息地、開(kāi)放旅游觀光、建立科研基地等功能[2]。但是，濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)是介于海陸之間的過(guò)渡地帶，是對(duì)人類(lèi)活動(dòng)極為敏感的生態(tài)脆弱區(qū)[3]，易受人為因素干擾，因此掌握保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境變化尤為重要。

生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)掌握保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境變化狀況提供了有效手段，系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)管理思想，將各種感知設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍數(shù)據(jù)采集，并提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、決策支持等服務(wù)。

2 生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

濕地生態(tài)系統(tǒng)是大氣、水體、土壤和生物共同作用形成的一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)破壞濕地生態(tài)的穩(wěn)定性。生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器觀測(cè)濕地生態(tài)環(huán)境的變化過(guò)程，可為合理開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)濕地提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[4]。

2.1 感知層

根據(jù)不同的采集對(duì)象選擇有線或無(wú)線組網(wǎng)方式，采集節(jié)點(diǎn)可根據(jù)需要選擇不同的傳感器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集終端可對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出請(qǐng)求時(shí)傳遞數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知層主要監(jiān)測(cè)類(lèi)別包括氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層基于TCP/IP協(xié)議對(duì)感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、編碼并上傳。同時(shí)可兼容有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等通信模式，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議的異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接入和訪問(wèn)。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制和路由協(xié)議的規(guī)范自動(dòng)形成能實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能的多跳網(wǎng)絡(luò)[5]。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層通常由服務(wù)器硬件和應(yīng)用軟件構(gòu)成。服務(wù)器硬件包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、Web服務(wù)器和中心處理服務(wù)器，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、應(yīng)用程序的管理和各種功能的處理。應(yīng)用軟件則通過(guò)軟件功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和管理。本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件基于B/S結(jié)構(gòu)和微服務(wù)結(jié)構(gòu)，方便遠(yuǎn)程訪問(wèn)和后期功能拓展。生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

本文以江蘇省大豐麋鹿國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)為對(duì)象，開(kāi)展?jié)竦厣鷳B(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究。通過(guò)建設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和配套物理硬件設(shè)施、智慧管理平臺(tái)，形成一整套系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可看、可用、可展示、可管理。

3.1 科學(xué)構(gòu)建生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)麋鹿保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生態(tài)功能特性，結(jié)合保護(hù)區(qū)自然地理特征、物種資源分布，遵循科學(xué)布點(diǎn)原則，在保護(hù)區(qū)2 667公頃面積范圍內(nèi)的重要生態(tài)功能節(jié)點(diǎn)設(shè)置7個(gè)生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中核心區(qū)2個(gè)、緩沖區(qū)4個(gè)、實(shí)驗(yàn)區(qū)1個(gè)，生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的類(lèi)型涵蓋了氣象、空氣質(zhì)量、負(fù)氧離子、土壤、水質(zhì)、水文等。

3.2 配置完善生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

保護(hù)區(qū)7個(gè)生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)部署的監(jiān)測(cè)設(shè)備合計(jì)涵蓋6項(xiàng)氣象指標(biāo)（大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、雨量）、1項(xiàng)空氣質(zhì)量指標(biāo)（PM2.5）、1項(xiàng)空氣清新指標(biāo)（負(fù)氧離子）、3項(xiàng)土壤理化指標(biāo)（土壤溫度、土壤濕度、土壤電導(dǎo)率）、7項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)（水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、ORP、葉綠素A）、1項(xiàng)水文指標(biāo)（水位）。

3.3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智慧管理平臺(tái)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)智慧管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)區(qū)氣象、空氣、負(fù)氧離子、土壤理化、水質(zhì)水文等生態(tài)環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、展示、分析及導(dǎo)出功能，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，輔助保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量信息發(fā)布。同時(shí)，結(jié)合保護(hù)區(qū)歷史調(diào)查統(tǒng)計(jì)和科研相關(guān)資料，建設(shè)基礎(chǔ)信息管理系統(tǒng)、地圖展示系統(tǒng)、景區(qū)大屏系統(tǒng)等。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在濕地類(lèi)保護(hù)區(qū)的成功實(shí)踐，具有連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看、下載和分析的技術(shù)特點(diǎn)，可提高科研、監(jiān)管、宣教等工作效率，實(shí)現(xiàn)信息可視化，對(duì)于類(lèi)似保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作可發(fā)揮如下作用。

4.1 可提高保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管效能

生態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備累積獲取監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集頻率15分鐘一條，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況實(shí)時(shí)連續(xù)感知，對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)生境狀況演變過(guò)程有了持續(xù)監(jiān)管能力。軟件系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)情況可自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警信息推送，保護(hù)區(qū)管理人員具備了遠(yuǎn)程監(jiān)管手段，可有效、持續(xù)掌握轄區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化。可作為保護(hù)區(qū)“天地一體化”監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的重要組成部分，提高保護(hù)區(qū)綜合監(jiān)管效能。

4.2 可支撐保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境科研工作

充分發(fā)揮生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科研價(jià)值，可定期編制生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析報(bào)告，研究保護(hù)區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)生態(tài)環(huán)境狀況，評(píng)估生態(tài)環(huán)境指標(biāo)變化趨勢(shì)，分析各生態(tài)節(jié)點(diǎn)生態(tài)環(huán)境狀況演變規(guī)律，為保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期研究提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.3 可拓寬保護(hù)區(qū)生態(tài)科普宣教渠道

保護(hù)區(qū)作為重要的科普宣教基地，可將平臺(tái)數(shù)據(jù)成果，包括保護(hù)區(qū)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、生物多樣性數(shù)據(jù)（動(dòng)物資源、濕地植物資源）、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，作為對(duì)外科普宣教的重要素材。結(jié)合保護(hù)區(qū)科普宣教任務(wù)，發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)，形式包括景區(qū)大屏發(fā)布、科普講堂、中小學(xué)環(huán)境保護(hù)教育實(shí)踐活動(dòng)等，通過(guò)充分展示保護(hù)區(qū)豐富物種資源和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境，來(lái)提高社會(huì)公眾生態(tài)保護(hù)意識(shí)和從我做起的責(zé)任意識(shí)。