地球生物圈是一個連續的、動態變化系統,農業、林業、水利、環保等各領域的經濟活動對地球環境的影響是交互的,氣候變化已成為各領域共同關注的話題。如何實時、連續、自動地監測生態環境變化的發生、發展成為各領域科研人員和管理人員共同面對的挑戰。
2 系統設計
2.1 目標
ENVIdata生態環境物聯網系統集成測量土壤、植物、環境的精品測量儀器,外的數據采集平臺和通信技術,業內Internet生態環境數據管理系統。該系統對土壤、植物、大氣連續體、地表水環境及地下水環境自動、連續觀測,可直接將數據傳輸到 (中國生態環境物聯網)網站上或用戶的網站,通過對監測的生態環境因子的時序變化和相關性分析,確定監測對象的狀態發展。即可用于科學研究,如陸地生態系統、水生態系統的常規環境因子的監測記錄,也可服務農業、水利、氣象、環保等領域的經濟活動和日常管理,如墑情預報、灌溉預報、水資源管理、供水管網監測、污水排放等。

2.2 系統的布設
ENVIdata生態環境物聯網系統由野外站和中心服務器組成。野外站布設點要具備研究對象的代表性,如生態系統的水分環境、土壤環境、大氣環境、生物環境。數據記錄器采用數據推送模式,將記錄的數據從野外發送到服務器上。這種新設計比傳統的用電話貓將數據發送到服務器更穩定、更可靠,費用更低。
ENVIdata 中心服務器既可布設在生態環境監測站,實現單站過程研究聯網動態觀測;也可安裝在遠程數據監控中心,完成區域綜合觀測和跨尺度生態模擬。
2.3 數據采集
野外站的數據采集頻率根據研究需要設定,從每秒10次、分鐘、小時不等。生態環境數據以各種時間間隔 (分鐘、每小時、每天)發送到ENVIdata 中心服務器或網站上。
用戶只要能上網,既可瀏覽實時數據。ENVIdata 系統允許用戶設立各種報警條件,超限的數據可通過郵件或短信發給用戶。用戶可定制郵件發送數據。
中心服務器中文界面,便于操作和管理,提供多參數、實時或歷史數據曲線圖
2.4 觀測指標
ENVIdata生態環境物聯網系統觀測的參數覆蓋各種生態系統類型的重要生態過程,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、風速、風向、氣壓、蒸發、輻射 、光譜
水生態:水位、溫度、電導率(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
水文:水位、流速、地下水質、地表徑流
3 數據處理
ENVIdata 生態環境物聯網系統不僅管理能實時、遠程采集野外站的數據,如氣象站、水位站、地表徑流、植物液流監測系統、蒸滲系統等,為研究樣地、景觀、區域等不同尺度的生態系統提供高時空分辨率的基礎數據,還能動態、數字化管理生態站地理資源、科研人員、項目和儀器設備基礎信息,提供野外采樣和調查的數據管理模塊,方便科研人員對生態站的長期大樣地、物候、凋落物、粗木質殘體、土壤微生物、動物資源、健康和服務功能評估的數據分類管理和共享。
4 應用案例
灌溉預報
通過實時遠程遙測墑情、降雨量、農田小氣候信息,綜合工程、農藝、管理等節水措施,根據天氣預報資料、土壤結構、作物生育期,結合水源供應情況、科學預測預報不同土壤類型、不同種植結構、不同可供水量條件下的農田水分動態狀況,給出適宜灌水時間和適宜灌水量,實時跟蹤土壤墑情變化,及時調整預測預報結果,并能夠通過網站定期向農民發布預報結果,指導農民適時、適量灌溉,實現科學灌溉、節水灌溉
ENVIdata 墑情監測及灌溉預報系統的野外站數據,可用灌溉預報軟件進行分析。灌溉預報軟在國內外已經使用了近二十年。

水量平衡研究
選取降雨、土壤水分、水位、蒸發等參數,可用于單塊樣地、農田、灌溉測坑實驗場水分平衡研究,也可用于區域不同生態系統蒸散量的比較,為水資源合理調配和利用提供實時數據支持。
能量平衡研究
能量平衡研究是研究地球生物圈物質生產力的基礎,通過測量單個測點或區域不同測點的太陽輻射、土壤溫度、熱通量等參數,計算單點或區域的能量收支情況,為生態系統和氣候變化研究提供基礎數據。
水華預報
水生態傳感器可全面反映水環境中,浮游植物生長狀態,野外站的多點布設、遠程數據傳輸,為實時監控有害藻類的發生、發展進程,是水華預報、有害藻類預警、流域水質預報的重要工具。
國內外應用情況:
澳大利亞農場、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,新疆建設兵團在棉花的灌溉管理中已經采用該系統的灌溉預報模塊,研究根系的吸水模式和耗水量。
中科院生態研究網絡,森林生態系統野外定位研究站,農科院、林科院,水科院、國家973項目等采用該系統的野外土壤、植物、氣象監測單元進行水量平衡、能量平衡研究。
中國水科院大興實驗基地采用完整的土壤水分、溫度、電導率測量系統,實時傳輸數據到 網站上。用戶只要能上網,可隨時在網站上收取和查看數據。