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李新郭建文晋锐

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所

孙晓敏温学发

中国科学院地理科学与资源研究所

刘绍民

北京师范大学

吴冬秀陈世萍

中国科学院植物研究所

周燕

中国科学院半导体研究所

马明国

西南大学

推进我国生态文明建设、实现脆弱生态修复与保护、构建国家生态监测网络体系，都急需监测设备和监测方式的自主创新与升级换代。“生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范”,依托中国生态系统研究网络（CERN）和中科院遥感试验与地面观测网络（RSON），在西北荒漠绿洲交接生态脆弱区、西南岩溶山地石漠化生态脆弱区、东北珍稀濒危野生脊椎动物保护区选择三个典型试验场，部署新研制的生态监测物联网。项目将增强我国生态监测的自动化、信息化、智能化水平，实现我国生态监测技术的自主创新，打破相关设备严重依赖国外进口的局面，大幅推进国产化生态监测设备的产业化步伐。

1.项目背景

推进我国生态文明建设、实现脆弱生态修复与保护、构建国家生态监测网络体系，都急需监测设备和监测方式的自主创新与升级换代。目前，我国生态系统监测存在设备严重依赖进口、部分观测尚未实现自动化和信息化、与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题。例如，我国尚缺乏东北虎的全天候行为实时监测系统，导致无法及时有效掌握其生存状态，甚至延误救治的意外发生。因此，研发出高精度、低成本并具有更强自动化和智能化水平的新型生态系统水-土-气-生过程关键参量监测设备，突破生态监测物联网关键技术，实现技术先进、性能可靠、高精度、多尺度、天地一体化的生态监测体系，是急需突破的关键技术问题。

2.总体目标及研究内容

本项目紧密围绕国家生态监测需求，与国际上生态监测科学技术前沿并跑，研发生态系统关键参量监测设备和生态物联网关键技术，开展示范和产业化推广，推动我国生态监测技术的自主创新，服务我国脆弱生态修复与保护需求，增强我国生态监测的立体化、自动化、智能化水平，满足国家实时生态监测的需求。围绕项目目标，共设置6项研究内容，如下：

1、生态系统水热关键参量监测设备研制

双波段闪烁仪：微波/近红外信号接收与发射系统的研制与开发；信号采集与存储系统的实现；信号转换过程的具体方式；在不同气候带和下垫面开展野外比对与检验；观测技术、数据处理与质量控制方法的研究等。

植物液流仪：基于热物理原理及植物水力特性，改进并建立适应多种植物（不同材性乔、灌木以及农作物等）单株蒸腾量测算模型；针对功耗及热损伤导致精度下降等问题，研究优化间断加热技术；针对液流径向变异问题，研制一针多点探针式与包裹式传感器；整合得到能适应多种单株植物蒸腾量测算的热示踪液流仪。

非插入便携式土壤水分测定仪、中尺度土壤水分测定仪：基于多频率高频振荡技术，研发数据采集、系统控制和数据校验、检验与质控软件系统，研制非插入便携式单点土壤水分测定仪；基于He3宇宙射线中子捕获技术，优化中尺度土壤含水量计算模型，集成环境要素监测系统，研制中尺度（百米）土壤水分测定仪。

2、土壤生物化学过程二氧化碳同位素综合观测系统研制

根据土壤生物化学过程温室气体（CO2和δ13C）产生和输送的特点，基于稳定同位素红外光谱技术，兼顾野外原位连续观测和室内模拟控制观测的客观需要，研制直接测定土壤-大气界面CO2和δ13C通量的多通道双循环土壤呼吸δ13C观测系统、直接测定土壤和大气CO2和δ13C垂直运动过程的土壤和大气δ13C廓线协同观测系统、室内模拟变温条件下直接测定土壤有机质分解过程CO2和δ13C的土壤微生物呼吸δ13C全自动变温模拟与测定系统共3个装置。

重点研发低浓度与高浓度温室气体（CO2和δ13C）兼顾的野外与室内仪器非线性响应的在线标定系统部件、多通道气路间的双循环的CO2和δ13C高效循环的关键气路部件、符合野外和室内试验特点的CO2和δ13C浓度预降低的关键气路部件、可模拟冻融过程的全自动变温系统部件。基于上述关键部件研发，开展三个装置的硬件与软件设计与研发、系统的调试与检验、野外和室外测试等。

3、植被关键参量自动监测设备研制

针对植被结构和生产力等表征生态系统健康状况的重要参数，研发自动化、多尺度监测仪器，包括：

冠层微细立体结构三维观测仪：基于微细立体结构的超分辨率三维成像方法以及叶片特征尺寸的反演算法，突破纳秒时间同步控制、图像增强处理等关键技术，实现冠层微细结构的三维成像。

分布式叶面积指数自动观测仪：改进植被冠层的叶面积指数分布式探测方法与技术，开发满足复杂空间异质性条件的真实叶面积指数实时算法软件，集成适合多种植被类型的叶面积指数分布式观测系统。

树木径向生长自动观测仪：通过高精度位移应变传感器的研发，结合温度补偿算法，集成无线传输模块实现植物径向生长高频、自动、组网观测。

活立木密度观测仪：建立微波信号特征与树木密度分布模型，集成微波信号发射、接收、定位、及无线传输功能器件，研制活立木密度地面测量设备。

植物物候自动观测仪：基于图像自动识别和光谱分析技术的植物关键物候期的精细提取算法，研发多光谱植物物候观测仪，实现对植物关键物候信息的自动、高频获取和无线传输。

4、陆生脊椎动物监测设备研制

双CMOS红外原位立体相机：研究基于双目立体匹配的野生动物尺寸反演算法、复杂背景下双目立体视觉的图像匹配及矫正算法、夜间辅助照明及图像增强技术、上位机显示及信息处理技术、红外触发及时序控制技术，实现双CMOS相机研制。

小型脊椎动物侦测系统及触发传感器：基于传感器阵列的方位和距离获取技术、多模信息整合和处理技术，实现小型脊椎动物侦测系统及触发传感器。

陆生脊椎动物全天候监测数据自动采集终端：研究基于物候传感器和红外立体相机的多传感器同步触发及控制技术，适应低温、高湿等复杂环境，满足实时监测与传输的持续供电技术；制定适应不同网络传输带宽的多类型数据分层存储的技术标准，并提供主动传输接口，与课题5研制的数据记录传输仪对接，实现数据的无线组网传输，构成具有综合管理功能的监测节点。

5、生态监测物联网关键技术研发

针对生态监测物联网应用体系中的几个核心环节开展关键技术研发，包括：

生态监测物联网标准体系：攻克生态监测物联网系统体系框架、数据采集、数据描述、数据融合、数据共享、传输接口等关键技术标准，形成一套组建规范化生态监测物联网系统的核心技术标准。

数据记录传输技术：设计自主硬件体系架构，开发嵌入式微处理器运行程序、各个外围电路的驱动程序及应用程序，优化性能测试，研制多通道、高精度、低成本的国产通用型生态监测数据记录传输仪。

远程无线组网与传输技术：研制低功耗长距离无线组网传输器件和中继设备，满足偏远无基站环境下生态监测物联网系统组网需求。

生态监测信息化技术：研究异源数据汇集接口、监测数据存储技术、数据自动预处理方法、数据在线可视化管理应用体系，研建以生态监测物联网标准为规范的生态监测信息系统平台。

6、生态监测设备产业化与物联网监测系统示范

在4类仪器研发和生态监测物联网关键技术研发内容完成室内测试的基础上，组织开展7种新研制仪器的中试，主要针对硬件、结构、软件、工艺、测试、维修、物料等方面开展验证，并评估研制仪器的可靠性、连续性、稳定性和适应性等参数，检测生态监测物联网的联网能力。对部分达到中试要求仪器开展小批量生产，开展市场推广。

3.预期效益

依托中国生态系统研究网络（CERN）和中科院遥感试验与地面观测网络（RSON），在西北荒漠绿洲交接生态脆弱区、西南岩溶山地石漠化生态脆弱区、东北珍稀濒危野生脊椎动物保护区选择三个典型试验场，部署新研制的生态监测物联网，开展植被生态系统及濒危脊椎动物监测示范，同时开展与同类型进口仪器的对比观测，获取示范区内新研制仪器和进口仪器的观测基础数据集，并针对不同脆弱生态区的科学问题开展数据应用。

以黑河流域生态水文综合试验场为依托为依托，将新研发生态监测物联网与台站已有观测系统有机集成，形成天地一体化的综合监测系统。开展遥感-地面同步观测试验，检测生态监测物联网和已有观测系统的集成能力，实现生态、经济、社会等综合效益。

项目将增强我国生态监测的自动化、信息化、智能化水平，实现我国生态监测技术的自主创新，打破相关设备严重依赖国外进口的局面，大幅推进国产化生态监测设备的产业化步伐。同时，项目成果将推广至国家生态系统监测网络，服务于国家“两屏三带”生态安全屏障建设以及对脆弱生态区的大范围、全天候、立体化监测需求，对推进我国生态文明建设具有重要支撑作用。