1 引言
地球生物圈是一個(gè)連續(xù)的、動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)保等各領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境的影響是交互的，氣候變化已成為各領(lǐng)域共同關(guān)注的話題。如何實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)地監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境變化的發(fā)生、發(fā)展成為各領(lǐng)域科研人員和管理人員共同面對(duì)的挑戰(zhàn)。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 目標(biāo)
ENVIdata生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成測(cè)量土壤、植物、環(huán)境的精品測(cè)量?jī)x器，外的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和通信技術(shù)，業(yè)內(nèi)Internet生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)土壤、植物、大氣連續(xù)體、地表水環(huán)境及地下水環(huán)境自動(dòng)、連續(xù)觀測(cè)，可直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?(中國(guó)生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng))網(wǎng)站上或用戶的網(wǎng)站，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)的生態(tài)環(huán)境因子的時(shí)序變化和相關(guān)性分析，確定監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)展。即可用于科學(xué)研究，如陸地生態(tài)系統(tǒng)、水生態(tài)系統(tǒng)的常規(guī)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)記錄，也可服務(wù)農(nóng)業(yè)、水利、氣象、環(huán)保等領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和日常管理，如墑情預(yù)報(bào)、灌溉預(yù)報(bào)、水資源管理、供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、污水排放等。




2.2 系統(tǒng)的布設(shè)
ENVIdata生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由野外站和中心服務(wù)器組成。野外站布設(shè)點(diǎn)要具備研究對(duì)象的代表性，如生態(tài)系統(tǒng)的水分環(huán)境、土壤環(huán)境、大氣環(huán)境、生物環(huán)境。數(shù)據(jù)記錄器采用數(shù)據(jù)推送模式，將記錄的數(shù)據(jù)從野外發(fā)送到服務(wù)器上。這種新設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的用電話貓將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器更穩(wěn)定、更可靠，費(fèi)用更低。
ENVIdata 中心服務(wù)器既可布設(shè)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)單站過(guò)程研究聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)；也可安裝在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，完成區(qū)域綜合觀測(cè)和跨尺度生態(tài)模擬。

2.3 數(shù)據(jù)采集
野外站的數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)研究需要設(shè)定，從每秒10次、分鐘、小時(shí)不等。生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)以各種時(shí)間間隔 （分鐘、每小時(shí)、每天）發(fā)送到ENVIdata 中心服務(wù)器或網(wǎng)站上。
用戶只要能上網(wǎng)，既可瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。ENVIdata 系統(tǒng)允許用戶設(shè)立各種報(bào)警條件，超限的數(shù)據(jù)可通過(guò)郵件或短信發(fā)給用戶。用戶可定制郵件發(fā)送數(shù)據(jù)。
中心服務(wù)器中文界面，便于操作和管理，提供多參數(shù)、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)曲線圖

2.4 觀測(cè)指標(biāo)
ENVIdata生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)觀測(cè)的參數(shù)覆蓋各種生態(tài)系統(tǒng)類型的重要生態(tài)過(guò)程，如：
土壤：土壤墑情、土溫、鹽分、持水能力、土壤氣體
植物/作物：溫度、高度、莖干變化、耗水
氣象：降雨量、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、蒸發(fā)、輻射 、光譜
水生態(tài)：水位、溫度、電導(dǎo)率（TDS，總鹽，密度）、溶氧、pH值、硝酸鹽、氧化還原電位、濁度（TSS）、 葉綠素、若丹明、藍(lán)綠藻、硝酸鹽、氟化物、氯化物、鉀離子、氨離子、鈉離子、鈣離子等17種參數(shù)
水文：水位、流速、地下水質(zhì)、地表徑流

3 數(shù)據(jù)處理
ENVIdata 生態(tài)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)不僅管理能實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程采集野外站的數(shù)據(jù)，如氣象站、水位站、地表徑流、植物液流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、蒸滲系統(tǒng)等，為研究樣地、景觀、區(qū)域等不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)提供高時(shí)空分辨率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還能動(dòng)態(tài)、數(shù)字化管理生態(tài)站地理資源、科研人員、項(xiàng)目和儀器設(shè)備基礎(chǔ)信息，提供野外采樣和調(diào)查的數(shù)據(jù)管理模塊，方便科研人員對(duì)生態(tài)站的長(zhǎng)期大樣地、物候、凋落物、粗木質(zhì)殘?bào)w、土壤微生物、動(dòng)物資源、健康和服務(wù)功能評(píng)估的數(shù)據(jù)分類管理和共享。

4 應(yīng)用案例
灌溉預(yù)報(bào)
通過(guò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程遙測(cè)墑情、降雨量、農(nóng)田小氣候信息，綜合工程、農(nóng)藝、管理等節(jié)水措施，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)資料、土壤結(jié)構(gòu)、作物生育期，結(jié)合水源供應(yīng)情況、科學(xué)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不同土壤類型、不同種植結(jié)構(gòu)、不同可供水量條件下的農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)狀況，給出適宜灌水時(shí)間和適宜灌水量，實(shí)時(shí)跟蹤土壤墑情變化，及時(shí)調(diào)整預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，并能夠通過(guò)網(wǎng)站定期向農(nóng)民發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果，指導(dǎo)農(nóng)民適時(shí)、適量灌溉，實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉、節(jié)水灌溉
ENVIdata 墑情監(jiān)測(cè)及灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)的野外站數(shù)據(jù)，可用灌溉預(yù)報(bào)軟件進(jìn)行分析。灌溉預(yù)報(bào)軟在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)使用了近二十年。

水量平衡研究
選取降雨、土壤水分、水位、蒸發(fā)等參數(shù)，可用于單塊樣地、農(nóng)田、灌溉測(cè)坑實(shí)驗(yàn)場(chǎng)水分平衡研究，也可用于區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)蒸散量的比較，為水資源合理調(diào)配和利用提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。

能量平衡研究
能量平衡研究是研究地球生物圈物質(zhì)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)量單個(gè)測(cè)點(diǎn)或區(qū)域不同測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)輻射、土壤溫度、熱通量等參數(shù)，計(jì)算單點(diǎn)或區(qū)域的能量收支情況，為生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

水華預(yù)報(bào)
水生態(tài)傳感器可全面反映水環(huán)境中，浮游植物生長(zhǎng)狀態(tài)，野外站的多點(diǎn)布設(shè)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，為實(shí)時(shí)監(jiān)控有害藻類的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)程，是水華預(yù)報(bào)、有害藻類預(yù)警、流域水質(zhì)預(yù)報(bào)的重要工具。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況：

澳大利亞農(nóng)場(chǎng)、加利福尼亞的酒葡萄園、瑞士的甘蔗種植園、南非的蘋果園、肯尼亞的蔬菜種植園，新疆建設(shè)兵團(tuán)在棉花的灌溉管理中已經(jīng)采用該系統(tǒng)的灌溉預(yù)報(bào)模塊，研究根系的吸水模式和耗水量。
中科院生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)，森林生態(tài)系統(tǒng)野外定位研究站，農(nóng)科院、林科院，水科院、國(guó)家973項(xiàng)目等采用該系統(tǒng)的野外土壤、植物、氣象監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行水量平衡、能量平衡研究。
中國(guó)水科院大興實(shí)驗(yàn)基地采用完整的土壤水分、溫度、電導(dǎo)率測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到 網(wǎng)站上。用戶只要能上網(wǎng)，可隨時(shí)在網(wǎng)站上收取和查看數(shù)據(jù)。