全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 139145
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015

收稿日期: 2014-11-04; 修订日期: 2015-03-20
基金项目: 国家生态系统观测研究网络运行服务之鼎湖山国家站运行服务; CERN 鼎湖山站运行费
作者简介: 张倩媚(1970—), 女, 广东兴宁人, 硕士, 高级工程师, 主要从事生态学研究及生态信息管理, E-mail:zqm@scbg.ac.cn

张倩媚, 张德强, 李跃林, 等. 鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设[J]. 生态科学, 2015, 34(3): 139145.
ZHANG Qianmei, ZHANG Deqiang, LI Yuelin, et al. Construction of intelligent field observation station: a case study from
Dinghushan forest ecosystem research station[J]. Ecological Science, 2015, 34(3): 139145.

鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设
张倩媚, 张德强, 李跃林, 刘世忠, 褚国伟, 孟泽
中国科学院华南植物园, 广州 510650

【摘要】 鼎湖山森林生态系统定位研究站(鼎湖山站 DHF)是中国生态系统研究网络(CERN)的重要成员, 也是国家科技
部重点野外台站(CNERN), 主要研究我国南亚热带森林生态系统结构、功能、格局和过程。根据鼎湖山站的数据管理
和信息化实践, 结合信息化的发展趋势, 提出了智慧型野外台站建设的组成与结构, 重点介绍了基于互联网技术的数
据监测、数据管理、信息服务与管理, 基于 3S 技术的数字化台站建设等内容, 为野外台站的能力建设提供参考。

关键词：数据监测; 数字化; 数据管理; 智慧台站
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.024 中图分类号：Q31 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-139-07
Construction of intelligent field observation station: a case study from
Dinghushan forest ecosystem research station
ZHANG Qianmei, ZHANG Deqiang, LI Yuelin, LIU Shizhong, CHU Guowei, MENG Ze
South China Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China
Abstract: As a key member of Chinese Ecosystem Research Network (CERN), and a pilot station of Chinese National Ecosystem
Observation & Research Network (CNERN) which is affiliated to the Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of
China, Dinghushan forest ecosystem research station (DHF) has become one of the important stations in China. The station focuses on
understanding the structure, function, patterns and processes of forest ecosystems in lower subtropical China. According to the long-
term data management practice at the DHF and the trends of information technology, this paper describes the composition and
structure of an intelligent field observation station, including the daily management of data monitoring, data management, station
information service based on internet technology, and digital station construction based on 3S technology. It is expected to give
reference on the capacity building of field observation stations.
Key words: data monitoring; digitization; data management; intelligent station
1 前言
野外科学观测研究站是科技创新的有机组成部
分, 也是重要的科技基础条件平台, 在生态、大气、
环境科学等相关学科的发展过程中起着重要作用。
自 1999 年以来, 科技部共批准建设了 105 个国家野
外台站; 至 2012 年, 中国科学院建立了 212 个野外
台站(点), 主要在生态、环境、农业、海洋、地球物
理、天文、空间、金属腐蚀等研究领域[1–3]。目前, 这
些野外台站的主要任务是“监测、研究、示范和服
务”4 个方面。而要完成好这些任务, 台站的能力建
设是基础。根据学科和观测手段的发展, 中国科学
院的野外台站在 1988—2000 年间主要注重单站过
程研究和联网动态监测; 在 2000—2010 年增加了
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联网观测研究和区域综合分析; 在 2010—2020 年
间, 又增加了全国联网研究、立体综合观测和跨尺
度生态模拟。在 2020 年前, 中国生态系统研究网络
关注的 18 个重点科学问题中, 生态系统野外实时动
态监测技术集成、生态信息的质量控制方法和数据
管理关键技术、信息技术在生态系统研究和管理中
的应用等 3 个是有关信息技术的[3]。国际科联的
Future Earth 计划、美国长期生态网络的 NECON 计
划都强调, 时空过程的观测与拓展、规范的单要素
的联网观测和研究、地面与遥感有机结合等是将来
发展的重点方向[4]。
当前生命科学、信息技术和材料科学发展迅速,
智慧化成为继工业化、电气化、信息化之后, 在世
界科技革命的又一次新的突破。物联网、移动互联
网再加上传统互联网, 每天都在产生海量数据, 而
大数据又通过云计算的形式, 将这些数据筛选处理
分析, 提取有用的信息, 这就是大数据分析。智慧化
与大数据云计算紧密相关。目前全世界采集数据的
速度已超过可以物理存储的增长幅度, 即进入数字
格式存储时代, 因此, 《Science》认为, 科学就是数
据, 数据就是科学, 科学由数据驱动, 每个人都有
责任为改善数据的存储和维护做出努力, 这样才有
资格使用和获取相关的数据资源[5]。野外台站在面
向国际科学前沿和国家战略需求时, 要结合生态学
研究的跨区域、长期性和复杂性, 考虑生态数据多
源性、跨学科性、分散性特点, 充分利用过去数字
化的基础和新的智慧技术, 建设智慧台站, 以推动
台站在大数据和云计算时代的各项工作。
本文试图借鉴智慧城市和数字地球等领域的思
想和方法, 结合国家科技部、中国科学院鼎湖山森
林生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称鼎
湖山站)的数字化台站建设, 提出智慧台站的框架,
为提升野外台站的能力建设提供参考。
2 智慧台站的概念
智慧台站是在新一代信息技术支撑下, 面向知
识创新工程, 支撑野外台站完成任务的一种形态。
参考智慧城市的理念[6–7], 它应该基于物联网、云计
算等新一代信息技术以及维基、移动技术网络、Fab
Lab、Living Lab、综合集成法等工具和方法的应用,
营造有利于创新涌现的局面, 实现全面透彻的感
知、宽带泛在的互联、智能融合的应用以及以用户
创新、协同创新为特征的可持续创新模式。智慧台
站以互联网、物联网、电信网、无线宽带网等网络
组合为基础, 以智慧技术高度集成、智慧服务高效
方便为主要特征, 把台站的物理基础设施、信息基
础设施、知识基础设施连接起来。
3 智慧台站的组成与结构
3.1 数据监测
数据监测每天要产生大量的数据(表 1), 这些数
据来源于台站的水、土、气、生等各要素的监测[8], 因
监测和管理原因, 数据来源比较复杂(图 1)。例如:
有些数据来自于自动观测(如气象站、小气象站、大
气本底站、通量站、树干液流、水分)、有些来自于
人工观测(如生物群落调查、物候观测、水分、土壤、
植物采样分析等); 鼎湖山站在气象站、针叶林、3 个
针阔叶混交林和季风常绿阔叶林等多个样地布置了
约 30 套自动观测探头及数据采集器; 还有大量控
制实验(如 N 沉降实验平台、海拔梯度开顶箱控制实
验、酸沉降实验平台等)和小型研究项目产生的数据;
数据提供者有科研人员、研究生及项目聘用人员。
这些因素增加了监测数据采集、传输和管理的难度。
鼎湖山站根据野外条件, 参照红壤站的拓扑结构[9],
建立了自动采集数据网络平台。在这个平台中, 自
动采集数据按照自动监测－自动采集－无线数据采
集网传输到台站主机－再通过互联网远程传输或人
工读取、校验－上传到所部数据中心; 人工采集的
数据则通过人工记录(包括人工调查、采样、分析)
－数据录入－办公局域网－数据中心。经过这两条
途径形成数据库后, 再经研究所数据中心进行分
类、处理和质量检查, 即可应用(上交、存档、上网、
服务)。
鼎湖山站于 2002 年底建立了碳通量站, 2004
年安装了自动气象观测系统, 2006 年建立了大气本
底监测站, 可实现初步的数据自动采集和远程传
输。2012 年, 在中国科学院“十一五”信息化专项“互
联网络环境建设与服务”之大科学装置、野外台站网
络环境建设的子项目建设工作中, 在我站搭建了水
热碳通量观测系统的自动采集和远程传输, 创建了
“点-站-所”的数据网络环境。在此基础上, 又搭建了
长期试验项目树干液流、海拔梯度开顶箱控制实验
监测及各样地内小气候系统的实时传输。2014 年,
3 期 张倩媚, 等. 鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设 141

表 1 鼎湖山站数据库分类
Tab. 1 The database classification at Dinghushan station
序号 数据库分类 数据集分类 实体个数* 主要内容
生物监测 27
土壤监测 16
水文监测 13
1 联网长期观测
数据
气象监测 73
数据每年上交给水、土、气、生各分中心, 再汇总到综合中心, 进
行网上发布。台站依据台站-中心-综合中心三级分布式数据管理和
共享服务系统(http://cerndis.cern.ac.cn/index.html), 也可提供网上
数据共享服务(http://dhs.scib.ac.cn/)。
基础地理信息 1 套 收集整理的信息, 用于台站简介、研究背景等。
样地信息 11 套 不断增加的永久观测场地详细信息, 每个场地 1 个文档。
空间数据 1 套 包括站区遥感图、土地利用图、植被图、水系图、坡度图。
站区背景数据
社会经济 1 套 收集当地各年信息。
大气本底站长期观测 1 中科院 2006 年首批启动的区域大气本底和质量监测 5 个台站之一,
包括主要温室气体(CO2、CH4、N2O、CFCs)、臭氧 O3和气溶胶等
原始数据, 上交大气物理所大气本底站网。
碳通量观测入库数据 10 常规气象日数据和 30 分钟数据各 4 个、30 分钟通量数据 2 个, 台
站提供网上数据查询。
3 长期观测数据
碳通量观测原始数据 1 套 2002 年建成的通量塔, 应用涡度相关法观测常规气象、通量以及部
分辅助数据, DAT 格式, 每天约 200 MB, 上交地理所进行数据集
成、建立数据库、数据的发布与服务 (http://www.chinaflux.org/
index/index.asp)。
树干液流监测
增温 OTC 实验
酸沉降样地
氮沉降样地
林冠降雨
降雨改变试验
4 长短期实验
数据
径流场观测
包含自动、人工采集的数据, 林内小气象数据、各种处理的试验、
调查、采样、分析数据等, 网上提供元数据查询, 数据有条件共享。
生物研究 33
土壤研究 17
水文研究 13
气象研究 24
部分历史数据按水、土、气、生归类, 提供元数据查询。
专题数据 40 复杂的数据以研究专题打包, 主要包括以学生论文研究为专题布置的各种试验获取的数据, 提供元数据查询。
C 项目数据 包括收集的全国森林资源调查资料及本项目调查、采样分析获得的数据, 数据海量, 此项目另外建立数据库系统。
5 研究数据
已发表论文数据 收集整理的数据、历史数据等。
行政资源数据 23 人员(台站人员、人才、人才培养、客座人员)、项目与经费、成果
(论文、专著、专利、奖项、标准、新品种)、示范模式、学术互访、
参加会议、组织承办会议、公众科普教育、学术组织或学术期刊任
职、数据使用、服务信息等, 可对外提供服务。
实物资源数据 11 场地、样品(土壤、植物)、标本(植物、动物、土壤剖面)、仪器设
备、设施(观测、建筑物类、线路类、车船类)等, 可对外提供服务。
服务信息

随时收集记录的各类服务信息, 每月上传到国家科技平台运行与
服务管理系统(http://124.207.169.21:8080/osms/), 作为台站服务考
核指标之一。
标准规范 数据管理手册、三维仿真系统使用手册、质量控制手册、监测规范等文本类资料。
管理类文档下载 站务管理条例、数据管理条例等、站简介、有参考利用价值的 PPT、
PDF、数据集等。
论文汇编 1500 篇 收集所有与台站相关的论文的 PDF, 供网上下载。
6 管理服务类
数据
图片库 所有与台站相关的照片。
标识信息 4
场地信息 4
方法信息 11
实体信息 2
数据规范 12
其它信息 5
7 元数据
角色和用户 5
上网数据通用的元数据介绍信息, 便于数据关联与查询。
注:* 实体个数为空白的及单位为套的, 代表数据成套集成, 不便统计具体表格实体个数(本表参考了 CERN 的信息系统建设培训材料及数
据分类体系等)。
142 生 态 科 学 34 卷


图 1 鼎湖山站数据监测及管理流程图
Fig. 1 The data monitoring and management flowchart at Dinghushan station
安装完成了土壤水分监测系统的自动采集, 中科院
地理所也通过我站的通量塔, 架设了自动多角度光
谱仪观测系统, 实现了远程监控与数据采集。鼎湖
山站定期完成台站监测(水、土、气、生)和野外试验
数据的采集和分析整理工作, 这些观测、采集、分
析和积累的各类数据量每年约 500 Mb, 通量数据
每天 200 MB, 大气本底站数据每天 1 MB。实时传
输带宽总和 10 M/Sec 以上, 每天约有 300 MB 的
实时数据量传输; 部分直接传输到中科院地理所(碳
通量、自动多角度光谱仪观测系统), 有些只传到站
上(试验数据)。我站目前已全面实现了观测数据的及
时、持续、稳定的获取和传送, 搭建了台站局域网
络数据平台。
鼎湖山站属于数据稀疏型台站, 数据传输量相
对较小、实时性要求也较低, 例如通量观测站的涡
度相关系统采样频率是 10 Hz, 每 30 分钟平均值
记录在数据采集器中, 其常规气象要素测定系统每
30 分钟输出一组平均值记录在数据采集器中, 对
数据传输吞吐率、实时性要求较低。但同时部署了
带宽需求较大的视频监测系统。联网工程的重点就
是改造完善观测/试验样地的网络覆盖以提升仪器
数据回传能力、改善台站站部办公网络覆盖条件和
实现与研究所之间的长途骨干带宽[1]。
根据物联网技术的发展, 鼎湖山站正在进行基
于物联网的自动监测体系设计, 采用 UGCCNet 网
络架构协议, 可支持传感器网络中的传感器通信组
件、数据库、应用端的智能信息交互、远程监控和
集中管理[1,9–10]。
特别需要强调的是, 在监测数据可用前, 需要
建立数据处理流水线, 即数据采集和记录阶段(既要
研究如何生成正确的元数据, 又要研究如何能够沿
着数据分析流水线进行数据溯源); 信息提取和清洗;
数据集成, 聚集与表达; 查询处理; 数据建模和分
析(目前数据库管理系统和数据分析软件之间没有
实现无缝集成, 如果能够实现此无缝集成将有利于
提高数据分析的表达能力与性能); 解释。在这个过
程中面临的挑战主要是数据的异构性和不完备性、
保持多大的数据规模、数据的及时性、数据安全、
人机协作等[11–12]。参照吴冬秀等[2]建立的生态系统
长期监测数据的质量维度体系, 可以用于数据质量
的把关(表 2)。
3.2 数据管理
野外台站建立后, 随着时间的推移, 会产生大
量的文档、数据、图片、视频等资料数据[13]。鼎湖
山站参考美国长期生态学研究数据管理的要求
(http: //www. nsf. gov/pubs/2012/bio12002/bio12002.
pdf), 为保证这些数据有效(数据必须收集并用某种
方式有效存储, 便于日后的提取使用)、有效存放(存
档的数据如果找不到了, 那么就等同于这些数据集
没有存在过)、可获取(数据集中存放后应当能获取)、
易于理解(数据必须有足够的文档便于人们恰当的
理解和使用)、可用(这些数据集应当可以被软件处
3 期 张倩媚, 等. 鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设 143

表 2 生态系统长期监测数据的质量维度体系
Tab. 2 Quality dimensions system on long-term monitoring data of the ecosystems
类别 序号 维度名称 含义描述
数据本征质量 1 实用性 指数据对于科学研究或生产实践具有应用价值
2 代表性 指观测对象能够真实、全面的反映观测区域内生态系统不同尺度的信息
3 正确性 指数据未表现出明显的错误, 包括数据的类型符合字段类型要求、数据的值未超出规定的值域范围等
4 准确性 指实际测量值与真实值的符合程度, 是最普遍关注的质量维度
5 一致性 指同级数据之间符合数据规律、不彼此矛盾, 或者不同级数据之间能够相互呼应等
6 完整性 指观测数据满足规定的观测场地数、观测项目数、采样重复数、观测频率等方面的要求
7 可比性 可比性指同一个指标数据在不同时间(同一地域不同年份, 纵向)和不同空间之间(同年份不同样地和生态站, 横向)可以比较
8 连续性 主要指同一位点数据在时间序列上的连续与完整, 能够在较长的时间序列上反映生态系统的真实动态变化
9 元数据质量 元数据完整性指数据带有的各项说明信息的完整性
10 元数据规范性、 简明性 指按照规范的要求, 清楚、简明的记录各项说明信息
数据表示质量 11 概念清晰性 指数据库中所使用的概念定义清晰, 而且保持一致
12 格式规范性 指数据格式和结构符合一般规范, 而且保持一致
13 术语权威性 指数据库中引用的专业术语及其界定具有权威性
数据访问质量 14 可访问和获取性 指数据访问和获取的便利性
15 访问安全性 指数据访问的安全性
注: *修改自吴冬秀等[2]。

图 2 鼎湖山站信息系统层次结构(仿改自方沩和曹永生[13])
Fig. 2 The hierarchy of information system at Dinghushan station
144 生 态 科 学 34 卷

理)。建立了如图 2 所示的包括了由下至上的工作层、
管理层、表示层、服务层的信息系统层次与框架。
3.3 信息服务与管理
数据管理的基本原则是保证与课题间的相互交
流, 促进数据共享。同时, 配备专人进行数据库的建
设、管理和维护。数据管理包括建立数据文档和数
据库。数据文档按数据类型、年份、课题、上交人
员等将数据分别赋以文字说明, 形成数据文档, 并
另外生成元数据数据库, 上传到网上对外发布, 供
大家了解使用; 数据均用光盘或硬盘等方式备份
保存, 监测数据分别上交保存在中科院综合中心、
分中心和本站。台站管理着所有的数据文档和数据
库。上网的数据可以在线申请, 其他数据可以离线
申请。
强大的网络建设环境为科研信息化资源的整合
与共享提供了有利的保障平台, 为台站科研发展搭
建了良好的网络支撑平台[14–15]。与数据管理直接相
关的是鼎湖山站的网站(http://dhs.scib.ac.cn/), 目前
该网站实现了监测数据每年更新, 新闻实时更新,
后台申请数据隔日处理, 每月上传网站运行信息
等。在保持网站运行良好的情况下, 数据管理员通
过邮件、QQ等方式, 及时向相关科研和课题人员、
研究生提供各类数据服务。在鼎湖山开展研究的科
研项目组也通过数据共享信息平台网站发布各课题
研究进展, 增进课题之间的交流和数据共享。利用
台站历史数据和监测数据 , 鼎湖山站已在包括
Science在内的国际顶级期刊上, 发表了大量科研成
果, 大大提高了长期监测数据的利用效率。
在大数据时代和云计算思路下, 鼎湖山站正在
探讨借助大量数据传输、数据集中存储、超级计
算服务, 对站内收集数据进行及时更新、备份和处
理; 同时及时改进自身网络系统, 配合更广泛数
据平台的信息化资源的整合, 在更大的范围内共
享利用数据资源和信息, 逐步建立院重点实验室、
野外台站、示范区的网络化研究组织结构, 形成吸
引国内外科学家参与、多学科交叉研究的基础营盘。
通过数据观测、实验过程验证等分工明确的多学科
科研组织的有机结合, 实现网络化组织内部透明和
完全共享。
3.4 基于 3S 技术的数字化台站建设
2007 年, 根据鼎湖山的高程数据与卫星遥感影
像, 通过 ArcGIS 平台的 DEM 处理与发布, 实现鼎
湖山三维仿真模型(图 3)。并在此基础上, 叠加样区、
采样点、河流、道路、历年的植被图、土壤图等矢
量要素, 开发完成具有实用价值的森林生态三维仿
真系统, 可为快速定位地图上的地理位置, 方便查
询地物上的属性数据, 使研究人员迅速直观地掌握
全面的鼎湖山森林生态系统相关信息, 对鼎湖山森
林生态系统的研究工作和成果展示提供极大的支持
和帮助。

图 3 数字化鼎湖山站
Fig. 3 The digital Dinghushan station
3 期 张倩媚, 等. 鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设 145

下一阶段, 鼎湖山站将在上述系统中增加知识
采集系统 [16], 同时根据智慧城市的模式 , 利用
Google Earth 建立台站的数字化示范平台, 建成站
点-生态系统尺度-区域尺度观测网络。在这一过程中,
要强调综合集成法等工具和方法的应用, 营造有利
于创新涌现的局面, 实现全面透彻的感知、宽带泛
在的互联、智能融合的应用以及以用户创新、协同
创新为特征的可持续创新模式。智慧台站以互联网、
物联网、电信网、无线宽带网等网络组合为基础, 以
智慧技术高度集成、智慧服务高效方便为主要特征,
把台站的各个要素连接起来。
智慧台站的建设需要投入大量的经费进行物理
基础设施、信息基础设施、知识基础设施建设, 现
阶段可充分利用中国科学院计算资源, 建立云计算
支撑下的联盟数据中心, 探索现有台站数据管理服
务器向云的迁移。当前还需要从面向生态环境监测
的传感器观测系统角度, 深入研发传感器观测服务
规范, 实现异构传感器网络之间的数据共享与互操
作性[17]。此外, 还需要相应有人才进行研发, 如何实
现全面透彻的感知野外的台站, 这与台站的监测、
研究、示范与服务等工作分不开, 但可预见, 未来智
慧台站肯定会涉及智慧台站平台、数据资源效率、
人才培养等各方面, 还需要不断探索。

致谢：本文工作得到鼎湖山站长周国逸研究员
及全站科研和监测人员的大力支持, 特此致谢！
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