探訪清原森林國(guó)家野外站“天-空-塔-地”一體化觀測(cè)研究體系
中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶(hù)網(wǎng)訊(記者王振紅)溪水潺潺、鳥(niǎo)聲啾啾,在遼東山區(qū)龍崗山腳下,一眼望去,萬(wàn)木蔥蘢、茂林浩瀚,森林碳庫(kù)守護(hù)者——遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“清原森林野外站”)就深藏于此。
森林碳庫(kù)守護(hù)者——遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站深藏密林。(清原森林野外站供圖)
清原森林野外站位于遼寧東部山區(qū),地處長(zhǎng)白山余脈龍崗山北麓,主要森林類(lèi)型為次生林。站區(qū)內(nèi)的長(zhǎng)沙河流域是沈陽(yáng)、撫順兩市的母親河——渾河的西源頭,大伙房水庫(kù)上游水源安全保障的源頭區(qū);同時(shí)也是遼東地區(qū)重要珍稀瀕危物種棲息地,遼寧東部重要生態(tài)屏障區(qū)。
融合物聯(lián)網(wǎng)、近地面遙感、人工智能和大數(shù)據(jù)等新一代信息化技術(shù),組建多功能數(shù)據(jù)中心,推動(dòng)科研范式變革
記者在走訪時(shí)了解到,清原森林野外站依托中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所建設(shè),以典型溫帶(東北)森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,主要開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控,碳匯功能形成機(jī)制與提升技術(shù)等方向的基礎(chǔ)研究。
遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。(清原森林野外站供圖)
“清原森林野外站建有科研樣地群、塔群觀測(cè)平臺(tái)、森林野外增溫平臺(tái)、水文觀測(cè)站網(wǎng)、多功能數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等科研平臺(tái)。”中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所所長(zhǎng)、清原森林野外站站長(zhǎng)朱教君研究員介紹說(shuō),搭建鏈接海量傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)4G/5G覆蓋、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、萬(wàn)兆光纖有線(xiàn)傳輸;通過(guò)2臺(tái)機(jī)架式高性能服務(wù)器建立起多功能數(shù)據(jù)中心,提高森林結(jié)構(gòu)-功能信息獲取和分析的效率,提升野外站觀測(cè)和研究信息化水平。
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所所長(zhǎng)、清原森林野外站站長(zhǎng)朱教君(左二)接受記者采訪。中國(guó)網(wǎng)王振紅攝
“作為首個(gè)承擔(dān)中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)信專(zhuān)項(xiàng)科研范式變革示范項(xiàng)目的野外站,近年來(lái),應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù),圍繞‘森林碳匯信息化’‘森林三維結(jié)構(gòu)信息化’‘森林生物資源全要素監(jiān)測(cè)’‘臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)信息安全與數(shù)據(jù)開(kāi)放共享’等開(kāi)展了大量工作。以打造多要素、多尺度、多過(guò)程一體化的‘智慧森林管理平臺(tái)’為己任,致力于形成全覆蓋、大融合的林業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),以信息技術(shù)手段推動(dòng)傳統(tǒng)學(xué)科野外調(diào)查工作的科研范式變革,起到引領(lǐng)示范作用。”朱教君表示。
通量塔是監(jiān)測(cè)森林碳收支的主流方法之一,但在山區(qū)森林應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)
森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,對(duì)維系全球生態(tài)平衡和人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展起著無(wú)可替代的作用。然而,由于長(zhǎng)期的人為和自然干擾,原始林幾乎消失殆盡,次生林已成為全球森林資源的主體,占比達(dá)?60%。為保護(hù)和恢復(fù)森林資源,“減少毀林及退化造成的碳排放”計(jì)劃、《聯(lián)合國(guó)森林戰(zhàn)略規(guī)劃(2017—2030?年)》及各國(guó)針對(duì)性的森林保護(hù)舉措相繼出臺(tái)。東亞溫帶森林是全球三大溫帶森林之一,主要分布在我國(guó)東北地區(qū)。與歐美溫帶森林相比,東亞溫帶森林結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、多樣性更豐富,并且多分布在山區(qū),結(jié)構(gòu)與功能的監(jiān)測(cè)與研究面臨諸多挑戰(zhàn)。
當(dāng)前森林碳匯核算存在估算不確定性大、碳匯驅(qū)動(dòng)機(jī)制不清、增匯技術(shù)不明等問(wèn)題。準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)森林碳通量是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵,但森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量海量數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算困難;森林結(jié)構(gòu)復(fù)雜,信息化監(jiān)測(cè)能力不足,傳統(tǒng)科研范式無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求,導(dǎo)致該領(lǐng)域知識(shí)創(chuàng)新效率低,難以滿(mǎn)足重大國(guó)家需求。
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所、清原森林野外站高添研究員接受記者采訪。中國(guó)網(wǎng)王振紅攝
“在森林碳匯監(jiān)測(cè)方面,基于通量塔的渦度協(xié)方差法是主流方法之一。” 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所、清原森林野外站高添研究員介紹說(shuō),“但該方法在山區(qū)森林的應(yīng)用仍存在很大的不確定性”。
朱教君表示,“以‘科爾塔群’為紐帶,在大山中建立起信息化平臺(tái),融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的信息化技術(shù),打造數(shù)據(jù)獲取、自動(dòng)傳輸、智能分析、管理決策和可視化的全鏈條信息化平臺(tái),實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)多尺度、多要素、多過(guò)程長(zhǎng)期碳通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)獲取與存儲(chǔ)、計(jì)算與分析、質(zhì)控與共享、展示與應(yīng)用,全面提升森林碳匯研究的信息化能力,提高山區(qū)森林碳通量計(jì)量精度,探索碳中和目標(biāo)下森林生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)的科研范式變革與實(shí)現(xiàn)途徑。”
“科爾塔群”為紐帶,創(chuàng)建“天-空-塔-地一體化”觀測(cè)體系
科爾塔群觀測(cè)塔。中國(guó)網(wǎng)王振紅攝
“溫帶次生林生態(tài)系統(tǒng)塔群監(jiān)測(cè)研究平臺(tái)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“科爾塔群”)集多類(lèi)科研設(shè)施于一體,可高質(zhì)量地獲取森林生態(tài)系統(tǒng)的全息三維結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)、通量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和生態(tài)水文數(shù)據(jù),探索復(fù)雜地形下森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水及其他痕量氣體通量的觀測(cè)新理論與方法,研究全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水循環(huán)、水文過(guò)程及調(diào)控機(jī)制等森林生態(tài)學(xué)的前沿科學(xué)問(wèn)題。
科爾塔群由通量塔群、激光雷達(dá)掃描儀、通量及微氣象傳感器、水文監(jiān)測(cè)設(shè)施、長(zhǎng)期固定樣地群和數(shù)據(jù)中心?6?部分組成。高添解釋說(shuō),“通量塔群建設(shè)于獨(dú)立小流域內(nèi),由?3?座通量塔組成,每座觀測(cè)塔位于一個(gè)獨(dú)立子流域內(nèi),分別對(duì)應(yīng)各自主要森林類(lèi)型:典型次生林(雜木林)、蒙古櫟林和落葉松林(人工林)。觀測(cè)塔為鋼結(jié)構(gòu)直立塔,塔高為?50 m,兩側(cè)對(duì)稱(chēng)配備垂直升降梯及固定平臺(tái),共計(jì)監(jiān)測(cè)面積140 ha。塔群平臺(tái)還設(shè)有土壤溫度傳感器、林內(nèi)光量子矩陣傳感器和物候相機(jī),監(jiān)測(cè)環(huán)境和植被要素。”平均年度獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)約410 GB,為在清原森林站開(kāi)展工作的科研單位提供數(shù)據(jù)服務(wù),同時(shí)為國(guó)家重大科技任務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
科爾塔群觀測(cè)塔。中國(guó)網(wǎng)王振紅攝
塔群精準(zhǔn)獲取多尺度森林結(jié)構(gòu)以確保結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性,改變復(fù)雜地形下森林碳匯計(jì)量方法,提高森林碳匯計(jì)量精度。高添向記者解釋說(shuō),“在碳通量測(cè)定方面,采用塔群平臺(tái)(EC法)——激光雷達(dá)(遙感法)——樣地群(測(cè)樹(shù)學(xué)法和箱法)的跨尺度測(cè)定方法,結(jié)果相互驗(yàn)證,以保證碳觀測(cè)的可靠性。采用激光雷達(dá)(LiDAR)掃描獲取森林垂直冠層結(jié)構(gòu)。在通量塔和地面觀測(cè)點(diǎn)視野范圍內(nèi),設(shè)置球形靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)地基-塔基?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拼接。在小流域內(nèi),設(shè)置方形地面靶標(biāo)和無(wú)人機(jī)起降場(chǎng),實(shí)現(xiàn)多期無(wú)人機(jī)?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和幾何配準(zhǔn)。這些方案從多個(gè)角度保證了?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和完整性,為后續(xù)處理和森林結(jié)構(gòu)反演提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。”
“融合衛(wèi)星遙感-無(wú)人機(jī)-通量塔-地面監(jiān)測(cè),形成以塔(群)為紐帶的“天-空-塔-地”一體化觀測(cè)研究體系,將流域尺度的計(jì)量結(jié)果拓展至東北區(qū)域,評(píng)估東北森林碳匯量及其對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)。”朱教君表示。
實(shí)現(xiàn)森林多維結(jié)構(gòu)全息獲取,區(qū)域森林碳匯精準(zhǔn)計(jì)量與碳中和核算
紅松人工林林窗。中國(guó)網(wǎng)王振紅攝
清原森林野外站變革了傳統(tǒng)林學(xué)(測(cè)樹(shù)學(xué))研究數(shù)據(jù)的獲取方式,實(shí)現(xiàn)森林多維結(jié)構(gòu)全息獲取。以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)核心,基于流域科爾塔群-激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)平臺(tái)及其衛(wèi)星樣地,以新一代LiDAR和光學(xué)遙感信息技術(shù)為推動(dòng)力,在空間數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下,開(kāi)發(fā)“全息感知+人工智能+決策服務(wù)”的森林三維結(jié)構(gòu)信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)。定量描述與森林碳匯功能相關(guān)的林木結(jié)構(gòu)、林木競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與理化特征,以全息視角探索森林三維結(jié)構(gòu)與碳匯功能的關(guān)系,提出決定/表征森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的新結(jié)構(gòu)/功能性狀參數(shù)(參數(shù)集),構(gòu)建精準(zhǔn)量化方法體系。此外,以“大數(shù)據(jù)+人工智能”為手段,變革碳中和目標(biāo)下森林生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的科研范式,模擬森林碳匯對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的響應(yīng),實(shí)現(xiàn)區(qū)域森林碳匯精準(zhǔn)計(jì)量與碳中和核算。
未來(lái),清原森林野外站將建成世界一流的“超級(jí)站”,為保障國(guó)家生態(tài)安全,實(shí)現(xiàn)兩山論、碳中和等生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)提供科技支撐。