传感器感测器网路在生态与环境监测的应用水生态、土壤生态监测水位监测

    近年影响人类未来发展的十大科技，其中的两项「无线传感器网路」与「网格运算科技」便是关于生态方面的研究。这两项科技使得生态研究能获得高频度、大尺度、长时间的环境资料，可制作大区域之生态模式。中国的资讯和通信技术发展渐趋成熟，加上中国是世界尖端科技硬体无线感应器的主要生产国，我国应该亟思如何应用中国在资讯和通信科技领域上的优势，进一步发展长期生态研究的新技术，把国内的生态与环境研究迈向自动化的资料搜集与管理，并将资料连结成可进一步整合使用的资讯，帮助产业永续发展。这涉及资料层面、知识层面、管理层面以及应用层面，其中尤其是资料的标准化、数位化、转换、交换、共用是朝向资讯管理的最基本工作。
 
　　面对生态与环境的剧烈变动，原有分散各地的监测网日益无法满足需求，也难以因应未来的环境冲击与挑战，为解决许多的环境灾难，例如降低飓风或海啸的伤害、全球暖化或外来入侵种对生态的冲击、传染病或禽流感等流行病学对人类可能造成的浩劫等，美国国家科学基金会因而提议资助将原先分散全美各地的观测网整合成一个生态观测。未来几年内将投入巨资，希望在30年内能逐步完成这些基础设施，以从分子到地景等不同尺度来了解整个生态系的运作，借此对美国境内生态环境有更进一步的认识，而能对生态与环境的变动有更好的预估能力。
 
　　厦门欣仰邦计划透过先进的基础设施建设，结合最新的通讯技术、发展不同的实验室或野外调查的仪器，再利用资讯管理技术应用在生态研究上，大幅扩展我们在传统资料收集与获取上无法突破的限制。因此本文将透过介绍传感器网路的架构及其应用的实例，以供研究人员及相关单位参考，俾带动传感器网路在国内农业研究及生态防灾上的相关应用。 二、传感器网路基本架构
 
　　建构传感器网路系统会牵涉到传感器、计算及通讯等三个不同层次的内容。首先是与环境接触互动的仪器、侦测器或监视器等的传感器，这些传感器反应环境变化并产生电子讯号，大部分目前的电子式传感器接收环境变动时均产生电流或频率变化，例如气象仪器监测或接收气温、湿度、降雨、风速、风向、土温、地表或溪流水位等物理环境资讯；另外愈来愈普遍的化学性仪器收集二氧化碳浓度、酸碱值、溶氧量等测值，以获得环境中物理或化学变化的资料。
 
　　其次是计算层，当传感器接收到环境变化讯息并以电流方式送进资料收集器时，通常需透过运算程序把电子讯号先数位化，然后进行储存，这个层次涉及资料传输的标准与界面，亦即资料转换后，送出端与接收端必须有共同的沟通准则。再来是通讯层，在传统上传感器层虽可以完成，但通讯层则必须靠人力前往传感器读取资料来完成，因而造成如天候、人力等许多限制。但在无线传输技术发展后，通讯层与传感器层的障碍逐渐获得改善，利用无线电波来进行资料传递，在硬体架设或使用的机动性上均比有线网路方便许多。一旦资料能由野外顺利传进实验室或办公室，就涉及把数位资料转化为可阅读的运算层，例如监测气象需要日报表或风花图等，除此资料需长期储存以备未来取用外，对多样性高的生态资料亦是一项挑战，因为它涉及资料流的方向性与仓储整合。
 
三、传感器网路的资料收集能力与实例
 
　　传感器网路应用在生态与环境的研究上虽然尚在起步阶段，但其潜力却随着无线网路技术的发展而大增，主要是传感器网路扩展了传统资源管理的能力，尤其在资料收集与获取上更突破以往无法达到的优势。因此，应用传感器网路将对研究人员在资料搜集上产生巨大的影响，而许多受限传统研究方式而无法进行研究或观测的现象，也透过传感器网路以查觉或发掘出来，例如：
 
(一) 大尺度空间的密集取样：如多层集水区、湖泊系统、原始老龄林林分，即使有大量人力恐怕也难以进行密集取样而在短期内获得资料。
(二) 不易观察的生物或现象：如隐密、夜行的动物，或外来入侵生物对环境冲击的影响。
(三) 特殊或恶劣环境下之观察：如台风期间、火山爆发、土石流等可能危及研究人员生命安全之状况。
(四) 即时能反应现象或事件变化：如土温到达某一程度时调整取样频率；发现到新物种后直接观察记录；远端仪器修理以保持资料完整连续。
(五) 打破野外与实验室的距离：研究人员或资源管理者可在室内直接操作野外仪器而不必亲自到现场，或是研究人员不必返回室内便能获取所需的资讯，类似行动办公室的概念，而能进行新物种的鉴定。
 
　　上述这些能力已有不少应用实例，对研究人员或实务的资源管理者都提供了参考的价值，以下利用监测湖泊代谢的实例来进一步说明传感器网路的应用。中国湖泊生态学家在实验室直接读取海棠台风登陆后大坝、湖的雨量与风向风速的变化。 　　水体(如湖泊)扮演无机碳由陆域生态系进入大气层的通路，以及有机碳矿化过程的主要场所之一，如何监测这种碳的动态过程，湖泊生态研究者利用湖泊初级生产量与湖泊中植物的呼吸作用作为指标，实际上乃收集水体的溶氧量与水温等资料加以计算。传统上收集这样的资料频度可能是以周为单位，这样的频度已相当耗时并需投入大量人力。这样的工作当改用无线传感器网路以后，监测的频率可以由一周增加到每天甚至每分钟内，科学家可以开始探索湖泊的物理、化学与生物现象。探索的问题由一季(如碳如何进入大气呢？)，到一周(如湖泊代谢作用、如何反应突发的环境变化像台风或暴雨现象呢？)，甚至到一小时及一分钟(如瞬间湖水的溶氧量是如何变化呢？)。
 
　　这个构想经由实际的架构是把无线电发射器、气象仪器、溶氧测量仪架、资料接收器与太阳能板架设在浮筒上，把浮筒系放到湖泊中，利用无线电发送资料到任何可接收的基地站，再用网际网路传进实验室的电脑，然后储存到资料库以备使用。当所有的湖泊联结成一个网络时，跨国的环境变化可以快速监测到。首度由中国与美国跨国合作成功的湖泊研究模式经验，快速吸引超过10个国家将陆续加入此计划，而形成一个全球湖泊生态观测网，当所有的湖泊联结成一个网络时，跨国的环境变化可以快速监测到。
 
四、结论
　　从湖的实例，可以发现传感器网路提供了相当的应用潜力，这种潜力具有较高的信赖度且较便宜的资料收集技术，提供即时且避免工作人员涉险的好处，可以延伸生态观测的时空尺度，以及让真实的现象具体呈现，让科学研究得到更充足的证据。本会林业试验所研究团队运用生态资讯学所建构的新方法论，除了在北中国的湖展开跨国合作外，目前也在南部的试验林生态科学园区建立无线传感器网路，作为生态系经营所需的资料搜集平台，重新整合各领域研究，针对植物物候、动物行为、游客行为、森林微环境等进行生态声景、生态影像、数位资料自动化搜集，并依目前国际长期生态网共同使用的生态资讯后设资料语言建立资料仓储、搜寻、使用、分享、分析、整合等功能的资讯管理系统，并利用科学工作流程进行森林生产力与生态系功能模式推导。