近日，国家科技部发布“十四五”国家重点研发计划“典型脆弱生态系统保护与修复”重点专项2023年度项目立项通知，地理科学学部刘绍民教授主持的“极端生态环境水循环关键参量监测设备与物联网监测系统研制和示范”获批立项（项目编号：2023YFF1303500），项目总经费2200.00万元，其中中央财政经费2000.00万元，执行年限为2023年12月—2027年11月。该项目由北京师范大学作为项目承担单位，兰州大学、电子科技大学、中国科学院青藏高原研究所、南京大学、中国科学院空天信息创新研究院、兰州理工大学、中国环境科学研究院、中国科学院计算机网络信息中心、安徽新谱光电科技有限公司等9家单位为项目参加单位。
一．项目背景：
极端生态环境（高寒、干旱）水循环关键参量及其变化监测对脆弱生态系统保护与修复极为重要。目前，极端生态环境水循环关键参量监测设备基本依赖进口，另有部分关键参量尚无原位监测设备或缺乏大范围监测设备，且信息化、智能化水平低，亟需自主研发相关监测设备与物联网监测技术，填补国内外相关设备的空白或实现国产替代。
二．项目思路
1.项目目标：重点围绕极端生态环境水循环关键参量高精度、自动、稳定监测等技术难点，研制适合高寒环境（年平均气温≤5℃）冻土含冰量、冰川厚度、雪水当量和适合干旱环境（年降水量≤400mm）径流量、地下水位、蒸散发等关键参量的野外原位/移动式/非接触式/机载监测设备；研建物联网监测系统，实现监测数据全域传输与智能化管理；在不少于2个典型高寒环境和2个典型干旱环境野外台站开展基于物联网监测系统的研制设备野外测试与示范应用，揭示水循环关键参量的变化规律。
2.技术路线：通过原始与集成创新，以突破监测设备核心关键技术为重点，物联网监测系统为集成方式，野外测试与示范应用为检验手段，开展极端生态环境水循环关键参量监测设备研制工作；研建极端生态环境物联网监测系统，实现监测数据的自动采集、全域传输与智能化管理，开展基于物联网监测系统的研制设备野外测试与示范应用。
三．任务设置
项目共设置4个课题，包括课题一：高寒环境水循环关键参量—冻土、冰川和积雪监测设备研制（兰州大学）；课题二：干旱环境水循环关键参量—径流和地下水监测设备研制（电子科技大学）；课题三：干旱环境水循环关键参量—蒸散发监测设备研制（北京师范大学）；课题四：极端生态环境物联网监测系统功能研建和示范（中国科学院青藏高原研究所），任务分解、课题设置与逻辑关系见图1所示。
图1 项目的课题逻辑关系
四．主要考核指标
1．研制极端生态环境（高寒、干旱）水循环关键参量监测设备6套（图2），每套设备样机2台。包括：原位冻土含冰量自动观测仪（绝对误差小于0.05m3/m3），无人车载冰川厚度探测仪（绝对误差小于0.5m）、车载雪水当量观测仪（绝对误差小于10mm）、无人机载径流量测量系统（绝对误差小于5m3/s）、车载多频地下水位探测仪（绝对误差小于20cm）和无人机载蒸散发观测系统（绝对误差小于4×10-6 mm/s），其中用于高寒和干旱环境地面监测设备的无故障运行时间>720小时，机载监测设备的无故障运行时间>120小时；
2. 研发极端生态环境物联网监测系统1套（图3），包括：全域通讯与智能终端设备12台，实现监测数据自动采集与存储、全域（包括无通讯信号区）实时稳定传输；物联网监测信息系统1套，实现监测数据的在线质控、实时浏览与处理、智能分析、可视化展示与设备远程调控；
3. 在不少于2个典型高寒环境野外台站和2个典型干旱环境野外台站开展基于物联网监测系统的研制设备野外测试和示范应用，揭示水循环关键参量的变化规律。
图2 项目研制的6套监测设备
图3 极端生态环境物联网监测系统
项目将满足国家“三区四带”生态安全屏障建设的重大科技需求，实现极端生态环境水循环关键参量监测设备的自主创新与升级换代，大幅度提升极端生态环境野外台站监测的信息化、智能化水平，服务于我国脆弱生态系统的保护与修复。