1 引 言
长期、持续的人类干扰，严重威胁森林生态系统的稳定性和物种多样性［1］。如何在长时间尺度上监测和评价森林生态系统的变化态势，是当前森林生态系统观测研究面临的重大挑战［2］。近年来，针对森林生态系统观测而建立的试验站不断涌现，遥感观测与地面点位观测相结合使得观测尺度由站点尺度向区域尺度转变。典型的森林生态系统综合观测有美国国家生态观测网络（NEOT）［3］、国际长期生态观测研究网络（ILTER）［4］以及全球碳通量网（FLUXNET）等。在我国，黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验（HiWATER）开展了遥感与地面观测相配合的生态水文过程多尺度观测试验［5-6］，中国科学院中国生态系统研究网络（CERN）12个森林生态站、国家林业和草原局中国陆地生态系统定位观测研究站网（CTERN）105个森林生态站、国家生态系统观测研究网络（CNERN）17个森林生态站实现了对森林生态系统的水、土、气、生各要素的综合观测，提供了长期连续的观测数据［7-8］。然而，森林生态系统观测站还存在观测数据实时传输存储不畅、数据共享度低、数据碎片化严重、大数据分析平台建设薄弱等问题［9-10］。无线传感器网络（WSN）技术具备实时监测、快速响应等优势，因此被应用于森林生态系统的长期定位观测［2，11-12］，实现了数据实时、自动、长期地获取和存储，是建立森林生态系统大数据及其分析系统的重要一环。
下蜀林场位于江苏省句容市境内，林地面积为298.9 hm2，占林场总面积的95.1%，其中省级公益林261 hm2。林场内观光旅游、附近居民祭祀活动频繁，这给森林防火带来了挑战。下蜀林场观测试验平台包括硬件方面的森林生态系统水、土、气、生各要素长期的连续的综合观测平台以及软件方面的森林生态系统观测数据可视化平台，重点关注森林生态系统与大气之间的碳收支、水通量和能量通量时空动态变化过程及其驱动机制、演变趋势，森林火灾实时监测、灾前预警、应急救援及灾后恢复，提高无线传感器网络技术、遥感技术和通量观测技术在森林生态系统长期综合观测试验中的应用性，并最终为森林保护提供重要依据。
2 观测试验平台设计
2.1 试验区域
结合重点关注的关键科学问题，试验共设置了3个不同尺度的观测区域。观测区域的选取原则是：一是要有代表性，能够代表下蜀林场主要森林植被类型；二是具备较好的观测设施，能开展多源、多尺度遥感像元之间的尺度转换试验。
图1
图1
下蜀林场空间分布区域、观测样地及超级观测站分布
Fig.1
The distribution of Xiashu Forest Farm and sampling plots and super-observation station
（2）典型植被样带。典型植被样带为图1（b）所示区域，由4个500 m×500 m的矩形区域构成，矩形区域大小与MODIS像元大小一致，每个矩形区域均有一个观测样地。
（3）第3个尺度为整个下蜀林场区域（图1（a）所示区域）。
2.2 平台总体框架
下蜀林场森林生态系统观测试验平台总体框架如图2所示。平台包括两部分：
图2
图2
平台总体框架
Fig.2
The framework of the forest ecosystem observation experiment platform
（1）野外观测试验平台。野外观测试验平台关注对森林生态系统水、土、气、生各要素长期的连续的综合观测。具体包括：碳收支、水通量、能量通量、气象数据观测；森林植被总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）、土壤含水量的Landsat TM/OLI传感器和Terra MODIS传感器观测；森林红外热影像全天候360°全景监控。
（2）数据可视化平台。设计标准化的、可共享的数据可视化平台有助于解决数据实时传输存储不畅、数据共享度低、数据碎片化严重、大数据分析平台建设薄弱等问题。数据可视化平台将野外观测试验平台观测的30 m×30 m观测样地和超级观测站观测的碳收支数据、水通量数据、能量通量数据以及气象数据通过GSM/GPRS/4G等传输到数据库服务器。样方调查获得的植被生物量相关数据、土壤养分数据；森林火灾监控红外热影像；Landsat TM/OLI传感器影像、Terra MODIS传感器影像数据通过以太网传输到数据库服务器。平台对所有数据实行统一编码体系，设计规范化的数据库，集中存储和管理数据，数据库管理系统为SQL Server 2012。平台基于B/S模式，采用Node.js框架，为用户提供了森林火灾全天候360°全景监控，火险等级预报及扑火方案预演；森林生态系统碳循环参量、水通量和能量通量的查询和统计分析；森林生态系统服务功能的查询和统计分析；尺度转换结果的显示等功能。
2.3 主要观测变量和仪器
表1 核心变量/参数的地面观测
Table 1
| 观测地 | 观测数据类型 | 变量/参数 | 地面测量 | 时间分辨率 |
|---|---|---|---|---|
| 样地观测数据 | 气象数据 | 气温、气压、降水、风速、风向、光照、相对湿度、光合有效辐射 | 自动气象站* | 30 min |
| 植被生态数据 | 林龄、林分密度、郁闭度、胸径、树高、树冠长度、叶面积指数、凋落物厚度 | 样方调查** | 逐月 | |
| 土壤参数数据 | 土壤温湿度 | 土壤温湿度传感器* | 30 min | |
| 土壤热通量 | 土壤热通量板* | 30 min | ||
| 土壤氮磷钾含量 | 土壤养分速测仪** | 逐月 | ||
| 土壤有机质含量 | 重铬酸钾容量法** | 逐月 | ||
| 超级站观测数据 | 通量数据 | CO2通量、CO2浓度、H2O浓度、潜热通量、显热通量 | 开路/闭路涡度相关系统* | 30 min |
| 气象数据 | 风速、风向 | 三维超声风速仪、三层风速传感器* | 30 min | |
| 气温和空气相对湿度 | 大气温湿度传感器、红外温度仪* | 30 min | ||
| 降水 | 雨量传感器测量* | 30 min | ||
| 向下的短波辐射、向上的短波辐射、向下的长波辐射、向上的长波辐射 | 四分量净辐射仪* | 30 min | ||
| 植被状态数据 | 胸径 | 胸径传感器* | 30 min | |
| 凋落物厚度 | 凋落物量传感器* | 30 min | ||
| 森林火灾监控 | 红外热成像仪* | 实时 | ||
| 土壤参数数据 | 土壤温湿度 | 土壤温湿度传感器* | 30 min | |
| 土壤热通量 | 土壤热通量板* | 30 min |
超级观测站（图1（b）红色星号）通量观测塔高度40 m，塔上分布着气象传感器、碳通量传感器、红外热成像仪。超级观测站周边30 m×30 m样地还分布着植被胸径传感器、凋落物传感器、土壤温度传感器、土壤含水量传感器、土壤热通量传感器。观测数据有：①通量数据，包括生态系统CO2通量、CO2浓度、H2O浓度、潜热通量、显热通量；②气象数据，包括气温、气压、降水、三维风速、摩擦风速、风向、相对湿度、向下的短波辐射、向上的短波辐射、向下的长波辐射、向上的长波辐射；③植被状态数据，包括胸径、凋落物厚度；④土壤参数数据，包括土壤温湿度、土壤热通量。
3 野外观测试验平台建设
下蜀林场野外观测试验由地面观测以及Landsat TM/OLI传感器、Terra MODIS传感器观测组成，地面观测又包括样地尺度、植被样带尺度和下蜀林场区域尺度3个尺度。从观测目标的角度，对基础试验划分为5个大类，分别为碳收支观测、水通量观测、能量通量观测、森林火险监测以及尺度转换试验。
3.1 碳收支观测
森林生态系统通过光合作用吸收大气中的CO2，而呼吸作用、倒木分解等往大气中释放CO2。本试验根据森林生态系统碳循环过程，选择了3类与碳循环相关的参量进行观测，即碳通量、植被生物量和土壤碳储量。
（3）土壤碳储量观测。采集植被土壤样本，采样深度分别为0~10 cm和10~30 cm，实验室用重铬酸钾容量法测量土壤有机质含量，从而估算出土壤碳储量［17］。
3.2 水通量观测
森林生态系统在陆地水循环中扮演重要角色。降水经森林截留落到地面后，一部分以地表径流和地下径流的形式汇入河流或海洋；一部分以蒸散发的形式回归大气；剩余部分为土壤水。因此，植被蒸散发和土壤涵养水源是森林生态系统水循环两个最重要的环节。
（1）降水量观测。30 m×30 m观测样地降水数据由自动气象站翻斗式雨量筒测量（图1（c）），超级观测站降水数据由安装在23 m高度的雨量传感器测量。
（2）植被蒸散发观测。涡度相关系统测量蒸散发是基于三维超声风速仪测量的垂直风速和CO2/H2O红外气体分析仪测量的水汽，协方差得到。在超级观测站，采用1套开路CO2/H2O仪和7套闭路CO2/H2O仪观测H2O浓度，以获取连续时间序列的观测数据，从而估算森林生态系统植被蒸散发［18］。
（3）土壤含水量观测。土壤含水量利用HydraⅡ土壤温湿度传感器测量。为了验证卫星遥感反演土壤水分的精度以及对地表热湿传递规律进行研究，土壤温湿度传感器埋设深度分别为5 cm、50 cm和100 cm。
3.3 能量通量观测
太阳短波辐射和大气长波辐射是森林生态系统的能量来源。在超级观测站38 m高度安装有四分量净辐射仪，测量向下的短波辐射、向上的短波辐射、向下的长波辐射、向上的长波辐射。38 m高处的涡度相关系统可用于测量潜热通量和感热通量。土壤热通量板埋设深度为3 cm和5 cm，测量土壤热通量。在30 m×30 m观测样地，自动气象站测量光合有效辐射。土壤热通量板埋设深度为3 cm和5 cm，测量土壤热通量。
3.4 森林火险监测
气象因子（风速、风向、降水、气温、空气相对湿度）、凋落物量和土壤含水量是森林火险预报模型的输入参数［19］，模型根据实时数据输出森林火险等级情况。在超级观测站，风速和风向由三维超声风速仪和三层风速传感器（安装高度为1 m、7 m和11 m）测量；气温和空气相对湿度由三层大气温湿度传感器（安装高度为1 m、7 m和11 m）测量。在30 m×30 m观测样地，风速、风向、气温、空气相对湿度由自动气象站测量。
在超级观测站，安装在38 m高度的红外热成像仪监控有效半径为3 km，实现了下蜀林场森林红外热影像全天候360°全景监控。
3.5 尺度转换试验
4 数据可视化平台建设
野外观测试验平台自动观测的碳收支数据、水通量数据、能量通量数据以及气象数据通过无线传感器网络实时自动地传输到数据库服务器，为数据可视化平台建设提供了数据支撑。
4.1 森林生态无线传感器网络
整个观测系统无线传感器网络设计的用户需求如下：
（1）由专家确定确切放置传感器节点的位置，并且主要取决于林型、立地条件等特征。网络技术必须能够支持将传感器节点放置在任意位置。 此外，为了使收集到的数据具有植物生理生态代表性，传感器网络必须能够覆盖1~1.5 km2，并由70多个传感器设备组成。
（2）网络必须能够在没有任何强制性用户干预的情况下自行运行。 它们必须能够承受温度波动，在环境变化时能够自愈，并且能够在没有人工干预的情况下运行数年。
（3）每个节点必须能够每30 min报告一次传感器测量。网络必须成功且安全地将传感器数据传输到网关设备，而且必须向用户提供远程监视功能，即远程评估网络健康的能力。生态学家必须能够在测量后的几分钟内访问传感器收集的数据。
目前，本实验在下蜀林场部署了5个SmartMesh网络。其中，4个SmartMesh网络部署在4个30 m×30 m的观测样地，每个SmartMesh网络由一个管理器，14个传感器节点和多个中继节点组成，以防某些传感器节点的部署距离网络其余部分太远而无法连接。部署的无线传感器包括空气温湿度传感器、雨量传感器、风速风向传感器、光合有效辐射传感器、土壤温湿度传感器、土壤热通量传感器（表1）。在超级观测站部署的SmartMesh网络由一个管理器，29个传感器节点和多个中继节点组成，无线传感器包括空气温湿度传感器、雨量传感器、风速风向传感器、四分量辐射传感器、土壤温湿度传感器、土壤热通量传感器、植被胸径传感器、凋落物量传感器、开路/闭路涡度相关系统（表1）。网络管理器安装在离地面2 m的位置，通过GSM/GPRS/4G将传感器数据和网络统计信息上传到下蜀林场数据中心服务器上。
根据林型、立地条件等特征选择传感器节点的位置。传感器节点覆盖1~1.5 km2之间的区域。网络管理器部署在具有良好的蜂窝连接性的开放区域。传感器和网络管理器安装到位并打开设备后，利用管理器中内置的监视工具来验证传感器之间的连接性。以迭代方式放置中继节点，并验证更新的连接信息，验证连接信息时遵循Dust Networks规则，即每个节点至少具有3个与之相连的邻居，且其接收信号强度高于-85 dBm。
4.2 平台功能
4.2.1 森林生态系统服务功能子系统
森林生态系统服务功能是指森林生态系统为人类提供的赖以生存的自然环境条件与效用，主要包括固碳释氧功能、涵养水源功能、保育土壤功能等［24］。下蜀林场森林生态系统观测数据可视化平台实现了对固碳释氧功能、涵养水源功能、保育土壤功能的观测和评估。
（2）涵养水源功能观测和评估。平台根据水汽通量数据、土壤温湿度数据、大气温湿度数据以及卫星遥感数据模拟下蜀林场区域尺度土壤含水量，并进一步估算出森林生态系统涵养水源功能［26］。具体功能包括降水量、H2O浓度、土壤含水量的查询和统计分析；蒸散发量的估算、查询和统计分析；森林水源涵养量及其生态系统服务价值的估算、显示和统计分析。
（3）保育土壤功能观测和评估。平台根据土壤氮磷钾含量数据以及卫星遥感数据模拟下蜀林场区域尺度土壤氮磷钾含量，并进一步估算出森林生态系统保育土壤功能［27］。具体功能包括土壤氮含量、土壤磷含量、土壤钾含量的查询和统计分析；森林固土量和保肥量及其生态系统服务价值的估算、显示和统计分析。
4.2.2 林火管理子系统
林火管理子系统由森林火险等级的预测预警、森林火灾的监控两部分组成。
（1）森林火险等级的预测预警。平台根据气象因子（风速、风向、降水、气温、空气相对湿度）、凋落物量和土壤含水量，建立森林火险预报模型，对下蜀林场森林火险等级进行评估及预警［19］。具体功能包括气象因子、地面可燃物、土壤含水量的查询和统计分析；火险等级的实时预报、中期预报和历史数据查询。
（2）森林火灾监控。平台利用红外热成像仪对下蜀林场森林火灾全天候360°全景监控，一旦图像像元点值超出阈值，则触发火灾警报，并生成扑救方案。具体功能模块有4个：①防火监控模块，提供了实时视频监控、起火报警和动态回放功能；②防火巡视模块，提供了火灾报警、防火信息查询、巡查签到、突发用火审批、下发通知、巡查考核和用火备案功能；③火灾扑救模块，提供了平面和三维立体电子沙盘、扑救方案制定和下达、指挥调度功能；④基本信息模块，提供了地貌信息、道路信息、水源信息、装备信息、人口分布、敏感点位和生物隔离带等信息的查询和显示。
4.2.3 尺度转换子系统
平台基于30 m×30 m观测样地和超级观测站的观测数据以及Landsat TM/OLI影像数据（空间分辨率为30 m），利用遥感数据驱动模型实现了森林植被GPP、NPP、土壤含水量数据由站点尺度向30 m空间分辨率尺度的转换。基于站点观测数据、Landsat TM/OLI影像数据以及Terra MODIS传感器影像数据（空间分辨率为500 m），利用模型实现了森林植被GPP、NPP、土壤含水量数据由站点尺度向30 m空间分辨率尺度和500 m空间分辨率尺度的转换。平台提供了站点尺度、30 m、500 m空间分辨率尺度、下蜀林场区域尺度这4个尺度森林植被GPP、NPP、土壤含水量数据的查询和显示。
5 结 语
森林生态系统与大气之间的碳收支、水通量和能量通量时空动态变化过程及其驱动机制、演变趋势，以及森林火灾实时监测、灾前预警、应急救援及灾后恢复是下蜀林场综合观测试验关注的关键科学问题。试验在下蜀林场部署了5个SmartMesh网络，并结合遥感技术、涡度相关技术和样方调查技术，在3个不同尺度上实现了森林生态系统碳收支、水通量和能量通量的长期的连续的综合观测。针对森林生态系统观测站观测数据实时传输存储不畅、数据共享度低、数据碎片化严重、大数据分析平台建设薄弱、森林火灾实时预测预警缺乏等问题，试验设计开发了森林生态系统观测数据可视化平台，实现了观测数据的实时存储和显示；提供了森林生态系统与大气之间的碳收支数据、水通量数据、能量通量数据、气象数据的实时自动存储；评估了森林生态系统固碳释氧功能、涵养水源功能、保育土壤功能及其价值量；实现了站点尺度、30 m、500 m空间分辨率尺度、区域尺度这4个尺度的转换；基于红外热成像仪实现了对森林火灾的监控，建立了森林火险预报模型，对下蜀林场森林火险等级进行评估及预警。综合观测试验为分析大气圈—生物圈—地圈之间的耦合作用，评价下蜀林场森林生态系统在区域碳循环中的贡献提供了重要的数据支撑；增强了无线传感器网络技术、遥感技术、通量观测技术和方法的综合应用，并最终为森林保护提供重要依据。
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