濕地生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應用研究

袁紅平 解生彬 薛丹丹 郜志鵬 嚴睿

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

1 引言

十八大以來，我國大力推進生態(tài)文明建設(shè)。自然保護區(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)保護工作也上升到一個新的高度。全面開展自然保護區(qū)生態(tài)保護工作，是踐行“綠水青山就是金山銀山”的重要路徑。在自然保護區(qū)開展生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，是保護區(qū)生態(tài)保護工作的重要內(nèi)容之一，又能輔助管理人員進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)管工作，還能輔助科研人員開展生態(tài)系統(tǒng)的學術(shù)研究以及保護區(qū)科普宣教工作。

江蘇省大豐麋鹿國家級自然保護區(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，即具備氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、水體凈化、固碳、釋氧、維護物種多樣性、提供生物棲息地、開放旅游觀光、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渡地帶，是對人類活動極為敏感的生態(tài)脆弱區(qū)[3]，易受人為因素干擾，因此掌握保護區(qū)生態(tài)環(huán)境變化尤為重要。

生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對于實時掌握保護區(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)點來實現(xiàn)大范圍數(shù)據(jù)采集，并提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析、預警預報、決策支持等服務。

2 生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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生態(tài)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化會破壞濕地生態(tài)的穩(wěn)定性。生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器觀測濕地生態(tài)環(huán)境的變化過程，可為合理開發(fā)、利用和保護濕地提供科學數(shù)據(jù)依據(jù)。系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層組成[4]。

2.1 感知層

根據(jù)不同的采集對象選擇有線或無線組網(wǎng)方式，采集節(jié)點可根據(jù)需要選擇不同的傳感器節(jié)點。數(shù)據(jù)采集終端可對傳感器節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并在網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出請求時傳遞數(shù)據(jù)。本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)感知層主要監(jiān)測類別包括氣象環(huán)境監(jiān)測、水文水質(zhì)監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、土壤環(huán)境監(jiān)測等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層基于TCP/IP協(xié)議對感知層的數(shù)據(jù)進行解析、編碼并上傳。同時可兼容有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等通信模式，實現(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。本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過拓撲結(jié)構(gòu)控制和路由協(xié)議的規(guī)范自動形成能實現(xiàn)設(shè)定功能的多跳網(wǎng)絡(luò)[5]。

2.3 應用層

應用層通常由服務器硬件和應用軟件構(gòu)成。服務器硬件包括數(shù)據(jù)存儲服務器、Web服務器和中心處理服務器，分別負責數(shù)據(jù)的存儲、應用程序的管理和各種功能的處理。應用軟件則通過軟件功能設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和管理。本文設(shè)計的應用軟件基于B/S結(jié)構(gòu)和微服務結(jié)構(gòu)，方便遠程訪問和后期功能拓展。生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

本文以江蘇省大豐麋鹿國家級自然保護區(qū)為對象，開展?jié)竦厣鷳B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究。通過建設(shè)監(jiān)測設(shè)備和配套物理硬件設(shè)施、智慧管理平臺，形成一整套系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可看、可用、可展示、可管理。

3.1 科學構(gòu)建生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)麋鹿保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點、生態(tài)功能特性，結(jié)合保護區(qū)自然地理特征、物種資源分布，遵循科學布點原則，在保護區(qū)2 667公頃面積范圍內(nèi)的重要生態(tài)功能節(jié)點設(shè)置7個生態(tài)監(jiān)測點，其中核心區(qū)2個、緩沖區(qū)4個、實驗區(qū)1個，生態(tài)監(jiān)測點位的類型涵蓋了氣象、空氣質(zhì)量、負氧離子、土壤、水質(zhì)、水文等。

3.2 配置完善生態(tài)監(jiān)測指標

保護區(qū)7個生態(tài)監(jiān)測點建設(shè)部署的監(jiān)測設(shè)備合計涵蓋6項氣象指標（大氣溫度、大氣濕度、風速、風向、光照、雨量）、1項空氣質(zhì)量指標（PM2.5）、1項空氣清新指標（負氧離子）、3項土壤理化指標（土壤溫度、土壤濕度、土壤電導率）、7項水質(zhì)指標（水溫、pH、溶解氧、電導率、濁度、ORP、葉綠素A）、1項水文指標（水位）。

3.3 設(shè)計開發(fā)智慧管理平臺

設(shè)計開發(fā)保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)智慧管理平臺，實現(xiàn)對保護區(qū)氣象、空氣、負氧離子、土壤理化、水質(zhì)水文等生態(tài)環(huán)境指標監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、展示、分析及導出功能，實時動態(tài)掌握保護區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，便于及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化，輔助保護區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量信息發(fā)布。同時，結(jié)合保護區(qū)歷史調(diào)查統(tǒng)計和科研相關(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)計的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是在濕地類保護區(qū)的成功實踐，具有連續(xù)在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)無線傳輸、數(shù)據(jù)遠程查看、下載和分析的技術(shù)特點，可提高科研、監(jiān)管、宣教等工作效率，實現(xiàn)信息可視化，對于類似保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作可發(fā)揮如下作用。

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

生態(tài)監(jiān)測設(shè)備累積獲取監(jiān)測指標數(shù)據(jù)采集頻率15分鐘一條，實現(xiàn)了保護區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況實時連續(xù)感知，對于濕地生態(tài)系統(tǒng)生境狀況演變過程有了持續(xù)監(jiān)管能力。軟件系統(tǒng)平臺對生態(tài)環(huán)境指標超標情況可自動進行報警信息推送，保護區(qū)管理人員具備了遠程監(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。可作為保護區(qū)“天地一體化”監(jiān)測預警體系的重要組成部分，提高保護區(qū)綜合監(jiān)管效能。

4.2 可支撐保護區(qū)生態(tài)環(huán)境科研工作

充分發(fā)揮生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的科研價值，可定期編制生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析報告，研究保護區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)節(jié)點生態(tài)環(huán)境狀況，評估生態(tài)環(huán)境指標變化趨勢，分析各生態(tài)節(jié)點生態(tài)環(huán)境狀況演變規(guī)律，為保護區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的長期研究提供堅實基礎(chǔ)。

4.3 可拓寬保護區(qū)生態(tài)科普宣教渠道

保護區(qū)作為重要的科普宣教基地，可將平臺數(shù)據(jù)成果，包括保護區(qū)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、生物多樣性數(shù)據(jù)（動物資源、濕地植物資源）、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等，作為對外科普宣教的重要素材。結(jié)合保護區(qū)科普宣教任務，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、中小學環(huán)境保護教育實踐活動等，通過充分展示保護區(qū)豐富物種資源和優(yōu)良生態(tài)環(huán)境，來提高社會公眾生態(tài)保護意識和從我做起的責任意識。