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國産生態監測設備的“高光時刻”

發布時間:2020-09-12來源:科學網阅读 > 3817

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“多年以來,我們所研發的生態系統關鍵參量監測設備的平均國産化率達到80%以上,且大多數性能指標與國際水平相當,部分甚至領先。”站在祁連山下黑河流域的試驗示範點,中國科學院青藏高原研究所(簡稱青藏高原所)研究員李新指著布設在各處的國産監測設備向《中國科學報》記者介紹著,言語之間,充滿了欣慰和自豪。

近日,在甘肅張掖開展的“生態研發專項天地一體化綜合試驗”考察活動現場,記者看到,從觀測土壤水氣碳,到監測動物植物,這些國産生態監測設備連點成網、天地一體,擔起祁連山脈生態系統的“瞭望者”,時刻守護著這裏脆弱的生態環境。

從“黑河計劃”到國産設備“覺醒”

黑河流域作爲我國第二大內陸河流域,極具代表性和典型性,它從上遊到下遊,形成了以水爲紐帶的“冰雪/凍土、森林、草原、河流、湖泊、綠洲、沙漠、戈壁”的多元自然景觀。此外,黑河流域開發曆史悠久,自然和人文過程交織碰撞、此消彼長。這些,都使得黑河流域成爲開展流域綜合研究的理想“試驗場”。

流域科學的集成研究,需觀測先行。過去10年,李新和團隊走過了一段不平凡的生態監測技術創新之路。

2010年,國家自然科學基金委員會啓動了一項以我國黑河流域爲典型研究區、曆時8年的“黑河計劃”(即“黑河流域生態-水文過程集成研究”重大研究計劃)。其核心科學目標之一,就是通過試驗建立我國內陸河流域生態水文科學觀測系統。

彼時,李新作爲首席科學家,聯合多學科、多機構、多項目的科研人員,在黑河流域上、中、下遊開展了一場衛星和航空遙感及地面觀測互相配合的多尺度綜合觀測試驗(英文:HiWATER)。

在科研人員們努力回答流域生態水文觀測科學問題的同時,有一種更強烈的“危機感”湧入他們心頭——生態監測設備和技術被國外壟斷,嚴重制約了科學研究的進展和觀測數據的安全。

李新告訴《中國科學報》,“實現脆弱生態修複與保護、構建國家生態監測網絡體系,都急需監測設備和監測方式的自主創新與升級換代。而我國生態系統監測中存在設備嚴重依賴進口、部分觀測尚未實現自動化和信息化、與遙感和模型尺度不匹配等瓶頸問題。”

2016年10月,在國家重點研發計劃的支持下,李新擔任首席科學家的“生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示範”項目(以下簡稱項目)正式啓動。他們希望打破國外技術壟斷,實現我國生態監測技術的自主創新,提升我國生態監測的信息化水平。

國産設備“從無到有”

項目參與者、中科院西北生態環境資源研究院研究員晉銳告訴記者,自2016年至今,項目團隊通過原始和集成創新,共研發了5類19種生態監測和聯網設備,包括水熱參量多尺度監測設備、土壤生物化學過程同位素綜合觀測系統、植被關鍵參量自動監測設備、陸生脊椎動物監測設備、以及生態物聯網關鍵設備。同時,新研發監測設備還在多個典型生態脆弱區進行了適應性應用和示範。

在張掖市大滿灌區,1km*2km範圍內的玉米示範田裏,北京師範大學地理科學學部副教授屈永華團隊自主研發的5台植被葉面積指數儀和18個無線傳感器網絡節點布設其中。

葉面積指數是反映植物生長狀況的一個重要指標,其監測設備長期被國外壟斷,且價格高昂,制約科研進展。“這套系統可實現空間上密集、時間上連續的自動聯網觀測,准確捕捉植被生長狀況、隨時提供生長動態信息,完全改變了過去我們拿著儀器人工信息采集的工作方式。更重要的是,這套設備打破了國外儀器的壟斷地位。”屈永華說。目前,他們正與企業合作進行産業化推廣,以期實現更大價值。

不遠處,中科院地理科學與資源研究所研究員孫曉敏團隊研發的“土壤生物化學過程同位素綜合觀測系統”正在時刻監測著土壤的“呼吸狀況”。

“同位素是生態系統的指紋,土壤含量不到0.2%,很難監測。但通過了解其産生和輸送的特點,以及土壤與大氣界面的交換過程等,可以評估脆弱生態系統土壤功能特征、土壤的固碳作用等。”孫曉敏告訴《中國科學報》。

而在距離大滿灌區大約40公裏的祁連山森林生態站排露溝流域綜合觀測場的固定樣地,中科院植物研究所研究員吳冬秀等團隊研發的樹木徑向生長自動觀測儀、活立木密度微波觀測儀、植物物候觀測儀、植物液流儀等植被關鍵參量自動監測設備也正在開展著進口同類觀測儀器與自主研發儀器的相互比對和精度評估。

中科院半導體研究所研究員周燕團隊研制了冠層微細立體結構觀測儀,其實現了與國外進口期間相媲美的高分辨率三維成像,且體積是國外的1/6-1/10,價格的1/5。

“目前,儀器大多指標都可滿足觀測需求且能實現無線組網觀測,與國外儀器相比還具有價格優勢。”祁連山森林生態站站長敬文茂分享著他的“用戶”體驗。

項目團隊的所有科研人員努力通過“十年鑄一劍”,鑄就屬于國産設備的“高光時刻”。但他們也深知,“事業未竟,目前只是邁出了第一步,還有很多關鍵技術難關尚未突破,國産設備産業化還有很長的路要走,要繼續努力。”

生態監測邁向萬物互聯

與過去不同,該項目團隊更注重設備具有更強自動化、信息化和智能化水平。他們引入了物聯網技術,建立並推動我國生態系統監測物聯網的發展。

生态监测物联网除了实现对各种生态环境要素的高密度、智能化、远程实时监测等,还可对海量数据进行自动质量控制、存储和在线分析处理。“特别是对于人际难以到达的偏远地区的脆弱生态系统,建立智能化的生态系统监测信息系统更为关键。”項目參與者、中科院西北生態環境資源研究院博士生張明虎說。

近年來,項目團隊突破了通用型數據記錄傳輸技術、遠程無線組網與數據傳輸技術、生態監測信息化技術,實現了上述監測設備的無線組網和大數據量的低功耗長距離無線傳輸,創建了一個集數據采集、傳輸、處理、可視化和應用的生態監測物聯網。此外,在無人機高速物聯中繼、極端環境衛星物聯組網技術上也取得了突破,有望解決偏遠地區無法聯網的難題。

目前,物聯網監測系統正在喀斯特石漠化地區、東北虎國家公園、中國綠洲荒漠交錯帶等脆弱生態系統中進行聯網、應用和示範。

前不久,一個好消息讓李新感到更加振奮。8月8日,今年5月成功發射的“行雲二號”01/02號物聯網衛星成功將黑河上遊無信號覆蓋區的生態監測數據傳回數據平台,此次示範應用從衛星到地面觀測終端的所有設備均爲國産。

“陸地上80%的地區沒有被蜂窩通信網絡覆蓋,極端環境更是如此,這導致很多信息無法及時傳輸獲取,比如在阿裏無人區,科研人員一年取一次數據。而衛星互聯與地面監測手段相結合,可實現實時在線監測。”李新說。

李新對未來充滿期待,他說,“通過我們的技術創新和示範驗證,希望構建一個立體綜合、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,並推廣至國家生態系統監測網絡,服務于國家生態安全以及對脆弱生態區的大範圍、全天候、立體化監測需求,支撐國家生態文明建設。”

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李新研究員正在介紹“黑河計劃”

無人機飛行演示

屈永華正在介紹植被葉面積指數儀

“生態系統關鍵參量監測設備研制與生態物聯網示範”項目團隊成員

(以上:攝/韓揚眉)

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無人機中繼系統實現無公網覆蓋的偏遠地區生態物聯網監測數據的收集和傳輸(項目團隊供圖)

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