湿地生态监测系统设计与应用研究

袁红平 解生彬 薛丹丹 郜志鹏 严睿

关键词：生态监测系统设计;物联网架构;大丰麋鹿保护区

1 引言

十八大以来，我国大力推进生态文明建设。自然保护区作为生态文明建设的一部分，受到高度重视，各地生态保护工作也上升到一个新的高度。全面开展自然保护区生态保护工作，是践行“绿水青山就是金山银山”的重要路径。在自然保护区开展生态系统监测，是保护区生态保护工作的重要内容之一，又能辅助管理人员进行生态环境监管工作，还能辅助科研人员开展生态系统的学术研究以及保护区科普宣教工作。

江苏省大丰麋鹿国家级自然保护区属于滨海湿地生态系统[1]，具有湿地生态系统的共同点，即具备气候调节、水源涵养、水体净化、固碳、释氧、维护物种多样性、提供生物栖息地、开放旅游观光、建立科研基地等功能[2]。但是，滨海湿地生态系统是介于海陆之间的过渡地带，是对人类活动极为敏感的生态脆弱区[3]，易受人为因素干扰，因此掌握保护区生态环境变化尤为重要。

生态监测系统对于实时掌握保护区生态环境变化状况提供了有效手段，系统基于网络管理思想，将各种感知设备作为网络中的节点来实现大范围数据采集，并提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、统计分析、预警预报、决策支持等服务。

2 生态监测系统设计

湿地生态系统是大气、水体、土壤和生物共同作用形成的一个生态系统，其系统结构的变化会破坏湿地生态的稳定性。生态监测系统通过传感器观测湿地生态环境的变化过程，可为合理开发、利用和保护湿地提供科学数据依据。系统由感知层、网络层和应用层组成[4]。

2.1 感知层

根据不同的采集对象选择有线或无线组网方式，采集节点可根据需要选择不同的传感器节点。数据采集终端可对传感器节点传递过来的数据进行处理、存储，并在网络层发出请求时传递数据。本文设计的监测系统感知层主要监测类别包括气象环境监测、水文水质监测、空气质量监测、土壤环境监测等。

2.2 网络层

网络层基于TCP/IP协议对感知层的数据进行解析、编码并上传。同时可兼容有线网络、无线网络等通信模式，实现不同通信协议的异构物联网网络的接入和访问。本文设计的监测系统采用无线传感器网络，通过拓扑结构控制和路由协议的规范自动形成能实现设定功能的多跳网络[5]。

2.3 应用层

应用层通常由服务器硬件和应用软件构成。服务器硬件包括数据存储服务器、Web服务器和中心处理服务器，分别负责数据的存储、应用程序的管理和各种功能的处理。应用软件则通过软件功能设计，实现数据的分析和管理。本文设计的应用软件基于B/S结构和微服务结构，方便远程访问和后期功能拓展。生态监测系统物理结构如图1所示。

3 生态监测系统应用研究

本文以江苏省大丰麋鹿国家级自然保护区为对象，开展湿地生态监测系统的应用研究。通过建设监测设备和配套物理硬件设施、智慧管理平台，形成一整套系统，实现数据可看、可用、可展示、可管理。

3.1 科学构建生态监测网络

根据麋鹿保护区湿地生态系统结构特点、生态功能特性，结合保护区自然地理特征、物种资源分布，遵循科学布点原则，在保护区2 667公顷面积范围内的重要生态功能节点设置7个生态监测点，其中核心区2个、缓冲区4个、实验区1个，生态监测点位的类型涵盖了气象、空气质量、负氧离子、土壤、水质、水文等。

3.2 配置完善生态监测指标

保护区7个生态监测点建设部署的监测设备合计涵盖6项气象指标（大气温度、大气湿度、风速、风向、光照、雨量）、1项空气质量指标（PM2.5）、1项空气清新指标（负氧离子）、3项土壤理化指标（土壤温度、土壤湿度、土壤电导率）、7项水质指标（水温、pH、溶解氧、电导率、浊度、ORP、叶绿素A）、1项水文指标（水位）。

3.3 设计开发智慧管理平台

设计开发保护区湿地生态系统智慧管理平台，实现对保护区气象、空气、负氧离子、土壤理化、水质水文等生态环境指标监测数据的查询、展示、分析及导出功能，实时动态掌握保护区生态环境质量状况，便于及时发现生态环境动态变化，辅助保护区生态环境质量信息发布。同时，结合保护区历史调查统计和科研相关资料，建设基础信息管理系统、地图展示系统、景区大屏系统等。

4 结论

本文设计的生态监测系统是在湿地类保护区的成功实践，具有连续在线监测、数据无线传输、数据远程查看、下载和分析的技术特点，可提高科研、监管、宣教等工作效率，实现信息可视化，对于类似保护区的生态环境监测工作可发挥如下作用。

4.1 可提高保护区生态环境监管效能

生态监测设备累积获取监测指标数据采集频率15分钟一条，实现了保护区生态环境状况实时连续感知，对于湿地生态系统生境状况演变过程有了持续监管能力。软件系统平台对生态环境指标超标情况可自动进行报警信息推送，保护区管理人员具备了远程监管手段，可有效、持续掌握辖区内生态环境质量变化。可作为保护区“天地一体化”监测预警体系的重要组成部分，提高保护区综合监管效能。

4.2 可支撑保护区生态环境科研工作

充分发挥生态监测数据的科研价值，可定期编制生态环境监测数据分析报告，研究保护区不同生态系统节点生态环境状况，评估生态环境指标变化趋势，分析各生态节点生态环境状况演变规律，为保护區湿地生态系统的长期研究提供坚实基础。

4.3 可拓宽保护区生态科普宣教渠道

保护区作为重要的科普宣教基地，可将平台数据成果，包括保护区基础信息数据、生物多样性数据（动物资源、湿地植物资源）、生态环境监测数据等，作为对外科普宣教的重要素材。结合保护区科普宣教任务，发布相关数据，形式包括景区大屏发布、科普讲堂、中小学环境保护教育实践活动等，通过充分展示保护区丰富物种资源和优良生态环境，来提高社会公众生态保护意识和从我做起的责任意识。