譚紹斌， 胡坤融， 趙友杰， 付小勇

（1.云南省楚雄彝族自治州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 楚雄675000；2．西南林業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院， 云南 昆明650224）

物聯(lián)網(wǎng)在云南極小種群野生植物保護中的應(yīng)用研究

譚紹斌1， 胡坤融2， 趙友杰2， 付小勇2

（1.云南省楚雄彝族自治州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 楚雄675000；2．西南林業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院， 云南 昆明650224）

極小種群物種大多為我國特有植物，具有不可替代的生態(tài)、經(jīng)濟、科學(xué)和文化價值，對于我國未來發(fā)展具有重大意義.中國極小物種保護工作形式嚴峻，因此，對于瀕危植物物種的監(jiān)測已迫在眉睫.大部分極小物種缺少有效的監(jiān)測體系，所以同時具備集成傳感器技術(shù)、遠程遙測監(jiān)控技術(shù)和數(shù)據(jù)判讀技術(shù)優(yōu)點的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為進行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和極小物種監(jiān)測的重要手段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對極小植物進行監(jiān)測及環(huán)境分析成為植物保護的首選.

極小物種；保護；監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器

1 引言

1.1 極小種群物種概念

極小種群野生植物的概念曾在多處文獻中被定義和描述，《中國極小種群野生植物瀕危程度評價指標(biāo)體系》[1]給出了極小種群野生植物的定義，并討論了國內(nèi)外極小種群物種概念的提出過程.極小種群野生植物的定義的特點是：（1）目前已知野外數(shù)量很少；（2）生存環(huán)境要求獨特；（3）對生物多樣性的貢獻目前未知.云南野生動植物資源豐富，尤其在滇西北的狹長地帶生長的很多野生植物都具有極小種群物種的特征.

1.2 研究價值

極小種群野生植物中，有許多具有經(jīng)濟利用價值.比如胡黃連具有較高藥用價值，紫檀具有較高材用價值，一些木蘭科植物具有較高觀賞價值等.正是由于經(jīng)濟利益的驅(qū)使，這些物種的種群數(shù)量正在迅速減少，有的已瀕臨滅絕.

另外一些在生物演化歷史上具有重要地位的極小種群野生植物，對其研究有助于探討生物演化的過程.比如國家Ⅰ級保護植物水杉，是著名的“活化石”植物，對研究我國植物區(qū)系的古地理變遷、古氣候變化及裸子植物發(fā)育體系有重要科學(xué)意義.

還有一些極小種群野生植物在目前還沒有開展有效的科學(xué)研究，它們的基因價值、種質(zhì)資源價值等尚未得到挖掘，但在將來可能會被研究和利用.其潛在價值可能比人類目前認知到的那些物種的價值更大.

1.3 現(xiàn)狀及問題

云南省早就已經(jīng)開展了極小種群野生植物的保護工作. 2011年云南省極小種群野生植物保護建設(shè)試點正式啟動，希望通過對極小種群野生植物的分布現(xiàn)狀、瀕危狀況、致瀕因子等開展詳細情況調(diào)查，為極小種群野生植物的保護進行必要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，添加管理和監(jiān)測設(shè)備，開展近地或回歸種植，擴大種群數(shù)量和科研監(jiān)測等工作.

目前云南至少有2000余種高等植物和半數(shù)以上脊椎動物的生存處于受威脅狀態(tài).由于人類活動的影響，加之氣候環(huán)境、自身生物學(xué)特征的限制等因素，極小種群物種的拯救保護形勢依然嚴峻.

在云南，有一部分極小種群野生植物因分布區(qū)域狹窄或呈間斷分布，對生境要求較為苛刻，長期受到外界因素脅迫干擾，個體數(shù)量持續(xù)減少，種群退化，已低于穩(wěn)定存活界限，并隨時面臨滅絕.

“十二五”期間，云南省遴選出20種植物優(yōu)先開展拯救保護工作.針對云南藍果樹、巧家五針?biāo)傻鹊姆N群狀況和生態(tài)習(xí)性已經(jīng)做了研究[2,3],西疇青岡、華蓋木、滇藏欖和彌勒苣苔的保護工作也取得了較快進展[8,9].

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及極小種群野生植物保護方案

物聯(lián)網(wǎng)指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(RFID)裝置、傳感器、全球定位系統(tǒng)等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò).目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在森林防火、生態(tài)監(jiān)測等方面已經(jīng)有了 一些初 步的應(yīng)用研 究和實施方 案[4～7]，其 中大部分的研究內(nèi)容集中于使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感自組網(wǎng)，而對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的其它部分由涉及較少.

2.1 極小種群物種野生植物保護方案

云南省對云南華蓋木、滇藏欖、藍果樹、彌勒苣苔、西疇青岡等5個物種提出了具體的保護思路.同時結(jié)合5個物種保護現(xiàn)狀、分布地、林地權(quán)屬等實際情況，在它們的集中分布地劃建面積和范圍達到其自然生存繁衍最低要求的保護小區(qū)或者保護點.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在對極小種群物種的生態(tài)監(jiān)測、保護管理、人工繁育技術(shù)研究等方面都可以提供技術(shù)支撐手段，協(xié)助實現(xiàn)對極小種群物種保護的目的，提高極小種群物種的保護和管理水平.

圖1 極小種群野生植物物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控圖

在保護極小種群物種的保護小區(qū)或保護點內(nèi)，可以借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行相關(guān)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，然后通過對采集的數(shù)據(jù)進行分析，從而為極小種群物種的保護提供更好的數(shù)據(jù)支撐.基本的監(jiān)測保護框架如圖1所示.

如圖1所示，在劃定的極小種群野生植物的保護小區(qū)內(nèi)，部署相關(guān)的傳感器，這些傳感器可以構(gòu)成一個無線自組網(wǎng)傳遞監(jiān)控信息.為了解決傳感器和其他監(jiān)控設(shè)備的供電問題，可以部署太陽能供電設(shè)備.傳感器的信息通過匯聚節(jié)點，使用GPRS或者3G、4G等技術(shù)把信息傳入到互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器中，監(jiān)控終端負責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，同時也可以對一個保護小區(qū)的監(jiān)控狀態(tài)進行管理.在概念上，這是一個標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控模型.下面討論在極小種群野生植物保護中需要解決的一些關(guān)鍵問題.

2.2 具體實施的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 傳感器的部署問題

出于經(jīng)濟和有效性的考慮，在一個極小種群野生植物保護小區(qū)內(nèi)，如何部署傳感器是一個必須要考慮的問題.問題主要來源于兩個方面，一個是如何有效識別人的入侵，另一個是傳感器采集的數(shù)據(jù)是否具有研究價值.為了識別入侵者可以在小區(qū)的邊界部署紅外傳感器或者地面震動傳感器.為了使傳感器采集的數(shù)據(jù)更有研究價值，需要考慮不同野生植物的生態(tài)特性.

2.2.2 傳感器的無線自組網(wǎng)問題

關(guān)于傳感器的無線自組網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)有了較多的研究，其中使用ZigBee技術(shù)構(gòu)建自組網(wǎng)的研究較多，其也是一種合理的組網(wǎng)方式[10～12].對于極小種群野生植物 生態(tài)特性的監(jiān)控，并不需要完全實時的監(jiān)控，只需要按照合理的時間間隔采集數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)的傳遞量也并不大.而人入侵保護小區(qū)的數(shù)據(jù)是一種觸發(fā)式的，數(shù)據(jù)量也很小.傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是最重要的考慮因素.由于傳感器位于野外的惡劣環(huán)境，可能面臨傳感器失效的問題，所以傳感器的部署要考慮一定的冗余，從而保證無線自組網(wǎng)的連通性.

2.2.3 傳感器的供電問題

極小種群野生植物的保護小區(qū)可能位于較偏僻的野外，最理想的情況是能夠自動獲取電能從而保持長時間的工作狀態(tài).在野外的保護小區(qū)，使用太陽能供電是一種合理的選擇.然而傳感器的分布地點比較分散，傳感器供電的布線可能成本較大，而且可能會對環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞.因而利用無線技術(shù)對傳感器進行充電是一個值得研究的方向. 2.2.4傳感器的壽命問題

傳感器工作的環(huán)境位于野外的露天環(huán)境，可能面臨潮濕、暴曬等因素，這些因素對傳感器的壽命可能帶來很大的影響.選擇高質(zhì)量、耐惡劣環(huán)境的傳感器是必要的.

2.2.5 采集數(shù)據(jù)的分析處理

林業(yè)分析數(shù)據(jù)的采集目前在時間跨度上都是不連續(xù)的，這給很多研究工作帶來不便.而傳感器則能夠采集到連續(xù)數(shù)據(jù)，對于極小種群野生植物的繁育、遷移地點的選擇等，可以提供更科學(xué)的數(shù)據(jù)支持.

2.2.6 極小種群野生植物管理系統(tǒng)

對多個極小種群野生植物的管理，可以開發(fā)出一套具體而有針對性的管理系統(tǒng)，對所涉及的相關(guān)業(yè)務(wù)工作進行有效的管理，真正做到科學(xué)監(jiān)測、有效監(jiān)測.

2.2.7 遙感數(shù)據(jù)的使用

利用遙感數(shù)據(jù)，可以定期監(jiān)測接近人類活動范圍的極小種群野生植物保護小區(qū)的生態(tài)變化狀況，可以為林地征占等經(jīng)濟活動提供支持.

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)具備的研究價值

通過對保護區(qū)土壤、氣候因子、人為活動等數(shù)據(jù)的監(jiān)測采集分析，能夠產(chǎn)生如下的研究價值.

（1）可以對極小種群野生植物監(jiān)測區(qū)域進行實施監(jiān)控，防止監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的物種受到意外的破壞.

（2）通過對極小種群野生植物監(jiān)測區(qū)域內(nèi)物種的生境數(shù)據(jù)進行實施采集，可以對其生活習(xí)性等進行持續(xù)的觀察和數(shù)據(jù)分析，為該物種的近地繁衍提供有效的研究.

（3）監(jiān)測系統(tǒng)的建立極大提高了研究人員獲取數(shù)據(jù)的頻率和質(zhì)量.

（4）可以結(jié)合3S技術(shù)，利用監(jiān)測系統(tǒng)尋找適合極小種群物種生存的類似地點，進行不同地域的繁衍和引種活動.

3 結(jié)論

極小種群野生植物的保護工作對于保持生物多樣性具有重要意義.目前對于極小種群野生植物保護的相關(guān)信息系統(tǒng)還沒有建立，有效使用信息技術(shù)手段支撐極小種群野生植物的保護工作也處于起步階段.本文提出使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對極小種群野生植物實施保護地實時監(jiān)測，并構(gòu)建相關(guān)的信息系統(tǒng)，以期為后續(xù)保護工作的開展提供理論依據(jù).

〔1〕國政,臧潤國.中國極小種群野生植物瀕危程度評價指標(biāo)體系[J].林業(yè)科學(xué),2013(6):10-17.

〔2〕陳偉,史富強,楊文忠,等.云南藍果樹的種群狀況及生態(tài)習(xí)性[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011(9):17-19+61.

〔3〕賀佳飛.云南省有效保護珍稀瀕危植物巧家五針?biāo)蒣J].云南林業(yè),2013(3):17.

〔4〕王希杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011(7):149-152.

〔5〕劉玉梅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的草原環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

〔6〕林勇,王坤.一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的瀕危植物監(jiān)測技術(shù)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012(3):85-88+91.

〔7〕邢劭謙,宋哲 存.ZigBee無線傳 感與 衛(wèi)星定 位技 術(shù)在森林火災(zāi)預(yù)警中的應(yīng)用[J].森林工程,2011(6):36-39.

〔8〕李勝嬌,劉先澤.文山州極小種群野生植物保護成效顯著[J].云南林業(yè),2012(4):31.

〔9〕林中.馬關(guān)縣開展極小種群野生植物自然回歸保護監(jiān)測工作[J].云南林業(yè),2012(4):35.

〔10〕袁輝勇,闕清賢,羊四清.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于能耗均衡的節(jié)點優(yōu)化部署[J].計算機仿真，2010(8):100-102.

〔11〕汪學(xué)清,等.無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)中基于 網(wǎng)格的覆 蓋 問題研究[J].計算機科學(xué),2006,33(11):38-39.

〔12〕屈斌,胡訪宇.高效節(jié)能的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)路 由 協(xié)議研究[J].計算機仿真,2008,25(5):113-116.

Q16；TP393

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1673-260X（2014）06-0035-02