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海岛生态物联网建设_概念和模型

更新时间：2019-12-11 20:40:15 大小：1M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

海岛是自然资源的重要组成部分,但由于受海洋影响强烈、海岛空间有限而生态脆弱性明显,应加强保护.保护的前提则需要掌握海岛生态本底现状及未来发展、变化趋势等信息,海岛生态物联网监测则能够为实现这一需求提供重要支撑.本文在前人相关研究的基础上,概述了海岛生态物联网的概念,即基于物联网技术对海岛生态系统开展自动、实时、长期监测并获取海岛生物、非生物、生态安全等信息以掌握海岛生态系统在自然和人为活动干扰下的变化规律与机制,评估海岛生态状况以作出相应决策和开展海岛生态学研究的基础网络体系;结合海岛特点构建了海岛生态物联网概念模型,形成了由生态要素监测层、数据采集层、存储层、网络传输层、能源保障层、保密层、应用层等7部分构成的监测体系;海岛生态物联网在前期构建、监测内容、数据管理、建设及维护、数据应用等方面具有区别于其他物联网的特征.以广东典型小海岛——三角岛为例展示了海岛生态物联网概念模型在具体海岛上的构建应用,为下一步开展三角岛生态物联网的实践应用及管理提供基础参考,为海岛生态监测和生态物联网建设提供理论和实践参考,并有助于未来海岛生态物联网建设的研究.

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生

学

第39卷第lO期

2019年5月

V01．39．No．10

May，2019

ACTA ECOLOGICA SINICA

DOI：10．58416／s投b201812132718

常立侠。海杰，

宇，昌亮，黄蓓，周厚

，

振克，彭少麟．海

生

物

网建：概念和模型．生

学

，2019，39(IO)：3416．3425．

L _X，Zhang

_gF _Y，Chen

L，Huang B，Zhou C，ZhangZ

L．An

and model

ofThi”gsforislands：Concept

Chang

J，Zh

ecologicalIntemet

K，Peng

Acta

Ecologica Silljca，2019，39(10)：3416— 3425．

海生物网建：概念和模型

常立侠1’2’3，海杰4，宇3，昌亮2，黄蓓4，周厚 2，振克1，彭少麟4'4

l南京大学地理与海洋科学学院．南京 210023

2广省海洋

3云南中医大学．昆明 650500

4中山大学生命科学学院有害生物控制与源利用国家重点

展

划研究中心．广州 510220

510275

室．广州

摘要：海是自然源的重要成部分，但由于受海洋影响烈、海

需要掌握海本底状及未来展、等信息，海

前人相关研究的基上，概述了海网的概念，即基于物网技

生物、非生物、生安全等信息以掌握海在自然和人

体系；合海特点构建了海

、能源保障、保密等7部分构成的

、数据用等方面具有区于其他物网的特征。以广典型小海 — — 三角

网的用及管理提供基参考，

网建的研究。

空

有限而生脆弱性明

，

加

保

。保的前提

生

化

生

物

网

能

一需求提供重要支撑。本文在

生

物

海

生

系

开展自

、

期

生

并

取海

生

系

活干下的化

律与机制．估海

状况以作出

相

决策和开展海

生

学研究的基

网

生

物

网概念模型，形成了由生要素

体系；海网在前期构建、

例展示了海

、

内

生

数据采集、存

、网

及

、

用

生

物

容、数据管理、建

物

网概念模型在具体海上的构建用，下一步开展三角

网建提供理践参考，并有助于未来海

：海；海网；生；概念模型

生

物

践

海生

和生

物

和

生物

关

生

物

An _{ecologicalInter玳t}of

CHANG

for

and model

Things

islands：Concept

CHEN

Lixia‘· 2”，zHANG Haijie4，zHANG F西yu3，

ZHANG Zhenke。．PENG Shaolin4’+

Chan甜ian92，HUANG Bei4，zHOU Houchen92，

l鼬∞f

＆

如口蒯oc∞，l

＆￡m ，№，彬昭‰矗胛妙，№，毛『；fng 210023，mi∞

C眦，咖昭＆眦er如r^ r眺 t咖"跏￡R黜∞砒，C∽ng=如￡‘510220，劬in口

hn∞n‰iw"fly c^iMe^知d如沁，地，l，，lf，培650500，c^打m

4＆眦研k6nm幻，y B面∞小，of，&^002 L澹＆如n∞，Sun，缸一&'n№沁B渺，G∞ng娩∞510275，c^

are

of natuml

efkct of

strong

Abst阳ct：Islands

resources．However，their

for the

imponant pan

spatially— con6ned nature，due ^to

the them

sea，makes

ecologically

Vulnemble，thus calling

of the island landf．o肌into

strengthening

account，as

Intemet of

protection

strategies．Such strate百es

must take the

as future

well as consider other

infornlation，such

speci6c ecological background

and

an Island

p印er，

can

development

trends．Mon“oring through

Ecological

the

Things(IEIOT)approach

pmvide

this

of IEIOT is summarised on the basis of

6rstly

important suppon

pmtection strategies．In

the Intemet of

concept

and

previous studies．7rhen，using

an island

Things(IOT)technolog)r，an automatic，real-time

and

long-te瑚monitoring

is c枷ed out．Infbmation on

of the island is obtained

ecological security

ecosystem

biological，abiotic

through

基金目：2018年省

促

展

金(海洋

展用途) 目(GDME一2018E002)；广省海洋与

海洋与

科技外合作及

生

境保研究目(A201700005)

收稿日期：2018．12— 13：

修日期：2019．02．14

}通作者corresponding author．E．mail：．sysu．edu．cn

http：／／www．ecologica．cn

万方数据

3417

10期

常立侠等：海

生

物

网建：概念和模型

the island

ecosystem

to natural and

response

the

into the

and mechanisms

monit面ng

get insight

changing pattems

human activities．The basic network

for

the state of the island

is fundamental to

presented，which

system

assessing

ecology

眦ke

decisions and

out island

I．esear℃h．A

model of the IEl0T is

appropriate

caITy

ecology

IEl0T

concept

constmcted，tailored

the

characteristics of the island．The

layer

peculiar

monito“ng system

composed

monitoring

ecol晒cal

data

network transmission

layer，an energy security layer，a security layer，

elements，a

and

acquisition layer，a storage layer，a

IEIoT is different from other IoT

in seVeml

its

an印plication layer．The

systems

aSpects including

island of

constllJction，

data

content，data

monitoring

Island，is

management，maintenance，and

application．Finally，a typical

Guangdong，Triangle

taken as a case

to demonstrate the constmction and

of the

model of IEIOT．The case

study

application

conceptual

reference for the

future

and

of an IEIOT

Island．

for the

implementation

management

system

Triangle

study provides

possible

work

theoretical and

ref每rence for the

practical

Funhe硼ore，the

pmvides

ecological monitoring“islands，and

constmction of IEIOT svstems．

intemet of

mode of

ecological

Key Words：island；island

things；ecological

eeological

monitoring；conceptual

monitoring

海

离大，受海、海浪、

主，原生植被少，多次生植被，植物形

如一些域性植被海矮林。不少海上分布有名

林、珊瑚礁、珍稀水生生物等典型海洋生

物生，植物群落且不定，演替慢，生

学研究于海植被保与修复具有重要意。海，尤其是面

，极易受到干和破坏[1。]。近年来，随着海的不断加，海自然

突出，如染【4巧]、海水养殖，以及外来物种人侵[7矗】等，使得海境面

、土壤养分等影响，土壤含

境相比差异明，但却形成了独特的生

用植物、国家重点保物等，周海域分布有

于海而言，劣的气候境和瘠的土壤大多不利于植

因而脆弱，一旦破坏将以恢复。正因

小的海，作一种

量

高、水分低、土

瘠，上植被以

灌草

与

域

景

，

系

。

构

系

构

如此，开展海

生

特殊而脆弱的生

系

开

活

源

境破坏的

逐

源

生

大威．且有可能造成以挽回的失。例如，20世 90年代广省的内伶仃

出

的薇甘菊人侵几乎使

上的珍稀野生

自然源的重要成部分，是海洋

的十九大以来，近平多次要加

物

。因此加

海

生

就

保

得十分重要。

展的重要依托，是构建海洋生文明的色屏障。党

，而生的前提是本底状况、

海

作

生

保

生

展化

等一系列信息具有全面的掌握以此做出境保管理的决策依据。因此，在当今信息化技

下，探索一种完善的、基于代信息技将成一种有效工具和必然

众所周知，物网作网技的重大革，已深入到社会各个域，然而在海上利用互网技

有研究。人于海网是什么?有什么用?如何构建?等一系列

并不十分清楚。因此本文在前人网及其用研究的有关基上，以无居民小海一典型且极少有人

关注的研究域作研究象，明确述了海网的概念，构建了概念模型，并以典型海

了海网概念模型在具体海上的构建，及海网的

展的

而

行

海

生

系

的

合

。

得

互

海

生

系

期

生

物

生

物

例示范

践用提

生

物

加

海

生

系

生

物

供基参考。

1海

生

物

网概念与内涵

1．1物

互

网

网技

的

展

了物网的生，物网是互网向物理世界的延伸，被

展的方向[9】。当前国通用的物网定：运用射

，根据，以通物品与互信息和通信的交

、跟踪、定位等功能的一种网概念[10|。

是下一信息代的

主要部分，也会是

段网

上

、全球定位

手段，

系

、

外感器等信息

感

定

网

接

从而

智能

网是

物

多

域的巨大整合[I¨，包括感器网，嵌入式系，智能控制，数据理和融合，任

度

http：／／www．ecologica．cn

万方数据

3418

生学

39卷

和分配等。普遍

物

网的架构是由数据采集、数据

和

用服

3个

次

网

成[9]。

景中得到用，例如

目前。物网已广泛用于各种行和异构网中．

和辨技在各种物

，物流，食品安全，移支付等【l 21。在文化

的

防性保 [13]、医

[2¨等域均已得到广泛使用。物网的用也极大的推

期的境信息。

及

生保健[14-15】、智能城市[16]和

智能生活[17J8]以及工 [1 9|、制造 Ⅲ]、

了

境

1．2生

生

[22]研究的展，以

取

、

物

网

intemet of

物

网(ecological

things，E10T)是将网和感器嵌人生

用

象，

生

信息(水

体、土壤、大气、生物)、社会

是互网，是用展到了生研究、管理及工程相关的多方面，并行生信息交和通信，是生

网与代生管理相合的物[24】。

数据和保数据( 染状况、境效、管理策略)等【23|，其基和核心仍然

端

物

生

)

境

]是物网的一个重要

用

域。物网在生

／

境相关研究主要分两大，一是

(生

境因子

和生物程，如森林生因子[26】、水境‘27|、田[28|、城市境‘291、植被‘301、土壤[3¨、

湖泊碳通量[25]等的

有从生学角度开展

体系的支撑。

；另一是生物

要素的系

物

网，如害虫

[32]、物【25]等。然而到目前止，国内外

完整的生需要一些理

性

研究．要建立一个

物

网

和

1．3海

海

生

物

网概念

的地理位置决定其易受台、地震、海等海洋灾害的不利影响，存在灾害多，抗灾害能力差等弱

境的自然破坏生[3】。因此

的构成与其他生相比具有自身的特点，

。海与周海域界限明确，以界限，

及近海两个子系共同构成了海系的

点。例如，位于我国南沿海的海，受台影响大，由此造成的海

有

加

海

岸

海

生

系

控是海

四面海水因此相独立，形成了特有的海

以上的域是海的主要成部分。并与潮

的复性。

林[34|、气象[35|、上鼠 [36】等行物网的用研究，

保

的重要前提。海

生

系

生

景

岸

生

系

生

3个子系 [331。些决定了海

在海智能方面，已有文献

体上研究不多。当前国家

化等信息。然而，利用物网技开展海

生

系

生

海

但

海

源

境保的重和管理迫切需要系掌握海

生

状及

物

展

生

系

的系性研究少，且没有完整的海

生

网的概

念。因此，本文在前人相关研究的基上，首次明确述了海

生

物

网的概念。

用于海

网(island ecologicalintemet things，IEIOT)是将物网技

海

生

物

生

系

的

。

它是指通

物

网技，将海

的

生

系

中的生物和非生物要素(包括生安全要素) 行系的采集、集中

信息的共享用。以便得海期的化，掌

存

并

一

海

生

系

、

握海

生

系

在

期自然和人

学等科学研究提供重要支撑的基信息网

由于海与大隔离。要正确知海

网的涵 (如 1)。一是从海内部信息的取、

干

下的

化

律、机制和生安全状况。政策制定提供科学依据、

海

。

生

物

网的特征就需要从广和狭的角度深刻理解海

生

物

、存

及

用，可理解

狭

海

生

物

网，

内第一次的用，

外；二是信息的

信息的来源，两种来源的信息集

部分信息的取以完全智能化的感器手段，在内形成信息自

网构架是一致的，但

取除了依靠智能化外，其他一些需要人工助的信息也是海

成至海控制中心而形成大数据些数据通

面向更广的客端。

1．4构建海网的目的和意

的目的最

网，掌握海

取、

及

与

物

用

相

，

内工作人，数据并不

至

生

系

，

．

及

用，即构成了广的海

生

物

网，其

用

生

物

海

生

是

海

保

与管理提供科学依据，保障海

生

系

的健康、可持

展。

通

构建海

生

物

生

系

状、构、功能律，一方面

化

海

生

学研究提供重要

http：／／www．ecologica．cn

万方数据

3419

10期

常立侠等：海

生

物

网建：概念和模型

的平台，同

也

加

海

的有效保，促

海

生

系

健康展提供科学依据。

中国有上万个海．但些海

因

离大

、

交通塞等原因而成名副其的“信息孤 ”，制

了海的管理以及相关研究的开展。在中国生

系

研究网中，海

片空白，而海

生

系

站到目前止依然是一

生

物

网的建立，将

，填中国生

大国，来重

海

建

生

系

期的生

系

网

的空

白。此外，中国作

海

海的保，在

国家构建海洋生文明、海洋略安全等代背景下，

小海的保是南海略和保障海安全非常重要的

一一◆表示狭概念c令+一一◆表示广概念

。海

制度、海

信息取途径。因此

，无于海自身

管理部决策的制定均有重要意

生

物

网恰恰能

生

礁建、海

1海

生

物网狭和广概念示意

、海

生

本底

等提供

schema廿c

of broad and narmw se璐e of耋sland

Fig．1

diagmm

海

生

系

开展期的生

ecologicalintemet

tllings

是

源

境的保

是

政府

。

2海

生

物

网概念模型的构建

2．1海

海

生

物

网成

生

所

物

网以海

生

系

象，以

．

作

海

生

系

网

信息共享用的关

。

合海

的生

服

地理位置、境状况、海

成，即生

的

略地位等特征，在参考

物

构的基上，提出了适合海

网

、数据采集、网

、海控制、能源保障、数据保密

和

用

7部分(如 2)。

其中生要素是海

括海生物要素、非生物和特殊要素的

器等，又包含需要借助人工完成的信息

感器的关生物参量如木径向生

生

物

网最基本、最关

的

成部分，回答海

生

物

网

什么?主要包

；数据采集，既包含智能

如气象感器、

控感

如植物多性、生物入侵等的

以及其他国内目前未研

等[37|；与地相比，无

出相

自

、

生脊椎

等保障具有大的度，因此，能源保障和数据的

及共享非常关合海特点，可考太阳能

物

居民海

供

、网

通

及共享

海

生

物

网的可

，有条件的地区

，即

，海控制中心既

的接口端(数据采集端)；由于一些海的特殊性，例如一

当注意增加数据的安全保密；海用服主要是面向各政府、海洋主管部

督部、科研机构、海商、社会大众等，些机构取海信息后分制定相的管理决策、

科学研究目以及知情海的基本状信息，增

持

运行和数据的

可以通海底

内网，更要解决海控制中心与大控制中心之的网

端(存、分析等)，又是

，因此

外

。

、海上

保障用，而数据的

不

要解决内各感器与海控制中心之的网

，即数据

一

是

些

内

的

益

海

的

、

法

开

海

保

与宣

意

。

2．2海

海

生

物

网概念模型构建流程

网构建一般注意三方面的内容。首先需

分析海及周海域状况并据此确定生

指

和相

海

的

沙

；其次行数据信息的自／人工收集并由海控制中心集后

至

地服器；

网构建除了上

的差异性、特殊性，如于有海植被恢复的当重点增加植被恢复的

的，增加沙于海有采石滑坡当增加地

最后根据

生

系

的

之

价

果制定海管理的决策依据(如 3)。海

生

物

述一般流程之外，

于海

考

海

指

；

有破坏

的

指

；

的

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万方数据

3420

生学

39卷

价；

2海

生

物

网的概念模型

intemet 0f

modd of id柚d

ng．2 ‰pmaI

e砌ogi∞I

n-iIl擎(皿10T)

安全要素的

。

2．3海

海

生

物

网的特点、特征

网是自然因素和人因素共同干下海

在自然因子影响下的化同包括海及周海域海域人

期暴露于海洋烈的影响中，空气湿度大、多，器

生

物

生

系

响

的

合

．因此它不

的影响。由

防潮、抗、防腐、使用寿命

海

生

系

活

海生系

于海

境

于

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万方数据

lO期

常立侠等：海

生

物

网建：概念和模型

342l

3海

生

物

网构建流程分析

intemet

Fig．3 Constmcti proo麟a腑lysis

e∞109icm

of咖n擎(皿IoT)

等的性能要求高，此外交通不便利致了

由于海的使用需要按照程序申

及多个管理部得海使用是构建海

网的保密性要求高。海

等涉及国家海上安全略，因此海

网构成与网相比，重从生

，此外于能源保障、网

网具有广和狭之分。在一个成熟的海

成本高。

用

、用海，因而海

生

物理网建的前期工作复、流程，且涉

。

生物网的关

海

生

物

是

国家海洋益的象征，不少海基点所在海、国防安全

用

生

物

网的构建

考

系

数据保密性。

海

生

物

出

，

系

性的

指

。因此增加了

要素以明确

如前所述海

指

通

、数据保密等有特殊要求。

生

物

生

物

网中同存在狭、广两

种情形，而后者是真正意上的物网。

2．4海

海

生

物

网的用特色

网更加信息的保密性。于前文提及的特殊

海

的信息

行保密理。确保信息

的

网

海

用，因此数据的使用管理更加格。

生

物

网的

海

包括了各种气象灾害、地灾害等特殊要素，

的影响，并能通警及做好防范措施，最大程度降低失。

，更加自然植被的演替、植被恢复效果、人侵物种、物群落

于开展海学的期跟踪估研究十分关

物理网取大量、期的海境的合信息，因此

些信息的

将有助于及掌

握和了解极端天气

生系

海

生

、

物

网重生因子的

等的

期跟踪

的人工

，

些

生

。

与

相比，海

生

科

、

源

于海管理部而言将是十分有利的管理手段：

取的信息在社会公共平台共享后，可以更多人了解海

的保、增也是非常重要的。

海

生

物

网

、

知海、保

海

，

于

在全社会范内加

海

宣

海

保意

3三角生物网概念模型用分析

三角 (22008’30”N、113042’34”E)是隶属于广省珠海市的众多无居民小中的一个．海

(不足1 km2)，但上有沙、地下水、植被等源，是无居民海源相丰富的海。因受采石活

响，海原生植被及地貌遭到重破坏，是珠江口采石造成破坏的典型海，亟需开展海

年三角得了广省第一个不，且属于“公益+旅游” 合用新模式，且目前旅游用

目已开展前期通、通基站的建立提供了重要基支撑。是三角

面

小

影

中

生

修复。2017

已

属

基

施建

，

海

物

网

构

建生物物网的巨大

。

http：／／www．ecologica．cn

万方数据

生学

39卷

用海

生

物

网概念模型，合三角

源、

境

状、生存在的

及未来旅游开

活

可能存

在的生

、淡水、岸、海垃圾等在内的21

据生确定了3大感器

Gsentry 点保障数据

境影响等因素合考，构建了三角

生

物

网

指体系，形成了海植被、土壤、气象、沙

先

内容、95个生

、控

指

(表1)，作

生

要素。根

；采用Mini—

指

，即生

、海洋水文感器

内

。由各感器所取的数据以及人工人数据将聚至海西北部区域

建

的控制中心，并通海底光、北斗、GPRs等

念模型，如 3。

至

外。上述几部分合便构成了三角

生物网的概

表1三角

生

要素及数据采集方式

Table

metllod

elements and data couection of SaIIJiao island

EcologicaI moIlitoring

三角

集中分布在珠江口，如小蜘洲、三

网，通关注植被的恢复，

践研究均具有探索意．也是很好的

生

物

网的构建在一定程度上具有重要的示范意

。

属于遭受人破坏重的海

，

海

、牛

、二洲等，其他海域情况似的海

有鞭洲等，因此构

建海

生

物

生

学理在海

生

恢复、植物群落构建中的用，于海

植被恢复理

和

例

。同于未来海开建中不可避免

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万方数据

10期

常立侠等：海

生

物

网建：概念和模型

造成植被破坏的修复也是重要的探索

于推

以便制定更加科学合理的海

其次，三角是自2010年海

和公共服 )的无居民海

有重要的示范作用，将是全国第一个开展“公益+旅游” 新海

，将

海

植被的保与修复提供重要的理

有助于揭示

、生恢复提供可复制、可推广的

法公布施以来全国首个“一 ”(即旅游用

于探索旅游开与公共服合的新型海

模式的有益探索。此外，三角

海域安全警提供重要的信息平台，

和

践支撑，从而

海

生

学的研究具有重要的启示。期、

展策略，

、

的

生

系的演律，

海

生

建

。

保

双

不

属

用

属

。

用

相

开

模式具

开

作粤

港澳大湾区展中的重要点，通构建三角

生

物

网，

可

周

也将是开启南海生与安全警的重要开端。

4三角

生

物

网

模型

in蛔met 0f

thin肇(E10T)of SaⅡJiao瑚and

modd of

Fig．4 Monitoring

e∞logical

与展望

运用物网技，自

决策依据和科学基

(信息

分构成。从广的尺度上理解海

、存

、

物

、

价海

生

系

的相关信息，

海

管理部和研究机构提供

，

便是海

生

网。海

生

物

网概念模型由海

生要素、数据采集

入

)、能源保障、数据保密、信息存

、

(

内

和

外

)、

用 7个具体部

生

物

网与其他域物网的用是一致的．但在海内部的信息

取

上

包括智能取和人工入相合的模式，因此自海控制中心向

外

数据开始才可以算作真正意

http：／／www．ecologica．cn

万方数据

3424

生学

39卷

的物

用

网

用的范畴，内部分信息的取、

具有区田、山地等域生

、建成及运成本高、数据保密性等特点，决定了海

及存可以看做是狭的物网范畴。

正因

手

海

于

系

的特殊性，海

生

物

网具有

合

、需履行前期

性、

生

网的用具有一定的

性、重性、科研性、管理性等方面的特色。

尽管物网技

已

成熟，但关于海

生

物

网的

体系及用和管理等相关研究仍于摸索

价体系，

、便捷、高效的形式

模型的行修改与

人中国生

网技

段，在多方面仍需开展一步的研究：如何构建适合海特殊地理体的生

指

的

生

能

海

更好的管理和科研服；如何有效融合、展示多型数据信息模，以一种

展

生

的信息；如何一步完善海

体系平台、将全国沿海

水平、逐步解决人工入的，将是未来在海

例，通构建海网。探索海

网模型构建，推广海网开展有益探索。

生

物

网

指

体系的建

，

用

提升；如何构建全国海

生

网

生

网

系

网

中：

。

如何提高智能化

生

物

研方面最大的挑

笔者下一步将以三角

生

物

生

物理网模型在践中的用并据此

一步完善海

生

物

生

物

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