雨林碳通量无线监测

在哥斯达黎加雨林深处，La Selva生物站的研究人员正在研究CO的交换₂在大气和密集的植物之间。这项碳通量研究希望加深对温室气体对环境影响的认识。它已经导致了一种新的无线传感器系统的开发，该系统收集各种环境测量数据，提供远程配置功能，允许未来扩展，并让世界各地的研究人员通过互联网访问测量数据。

被观察的地区位于3900英亩的热带雨林中，平均每年降雨量超过150英寸。雨林是碳汇，这意味着它们的功能与人类的肺相反:吸收CO₂并向环境中释放氧气。热带雨林的碳通量异常复杂，因为它是多层的、多样化的森林结构。由于难以从森林地面的多个点和冠层中的相应点进行测量，因此CO的平衡预算₂通量历来难以测量。

现场部署的无线测量技术是基于美国国家仪器公司LabView软件和CompactRio硬件的网络信息机械系统(NIMS)。NIMS应用由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的嵌入式网络传感中心(CENS)开发。CENS开发用于关键科学和社会应用的嵌入式网络传感系统。它是美国国家科学基金会(NSF)科学与技术中心，具有跨学科和多机构支持结构，涉及来自加州各地合作机构的数百名教师、工程师、研究生研究人员和本科生。

把传感器放到需要的地方

为了提高测量的准确性，并确定不均匀碳通量的影响，我们开发了一种移动、无线、空中悬浮的机器人传感器系统，能够测量碳和其他物质在大气和地球之间的转移。

有一个广泛的测量需要表征碳通量，包括温度，CO₂、湿度、精确的三维风运动、热通量、太阳辐射和光合有效辐射(PAR)。在过去，获得如此广泛的测量数据需要使用来自不同供应商的多个数据记录器。CENS选择了使用CompactRio的模块化方法，使用国家仪器公司和第三方供应商的C系列模块支持广泛的测量。

进行碳通量研究所需的所有环境数据都是通过模块化方法获得的。无线传感器系统被布置在森林地面和空中悬挂的机器人航天飞机上。这创造了第一个能够进行三维测量的环境监测系统。

三套SensorKit系统(www.sensorkit.net)进行第一阶段的实地试验。它们配备了各种仪器，包括进行基本气象测量的工具、声波风速计、红外传感器和辐射计。

在最初的测试部署中，无线移动传感平台沿着森林下层的三个独立横断面穿过电缆。在部署过程中，航天飞机每隔1m在每个样带上停留30秒，以使传感器平衡并进行所需的测量。每个样条需要30分钟，每个样条运行24小时。

通过使用美国国家仪器公司的模块化硬件和软件实现系统，我们开发了一个灵活的系统，具有LabView软件提供的额外通信和配置优势。CompactRio被选为中央测量采集单元，Compact FieldPoint网络接口与cFP-180x控制器被选为分布式无线测量。选择WAP-3701无线接入点在分布式传感器、塔和雨棚地板之间传输数据。

使用LabView，我们可以以不同的数据格式为当地研究人员提供测量数据，以便他们进行后期分析。我们可以配置测量类型，选择通道，甚至从连接到系统的笔记本电脑添加缩放。用于实时嵌入式处理的先进分析工具可以为远程研究人员进行本地质量通量分析和后处理。

LabView还配备了HMI，因此我们可以看到实时测量结果。在开发这种实时分析系统之前，研究人员通常花费很长时间在现场收集大量数据，将信息带回各自的实验室进行进一步分析。

与CENS的系统设计师一起，我们计划在未来几个月内通过增加距离森林地面约45米的高塔来扩展系统，并增加测量系统的总数。此外，我们计划通过网络向其他地点的研究人员和学生提供远程数据访问。使用网络浏览器和LabView的网络功能，世界各地的研究人员都可以访问和下载实时数据和存档数据以供自己分析。

使用三维测量系统进行额外的测量将提供所需的数据来验证我们的间隙理论假设，即碳转移在整个雨林中发生不均匀。森林冠层的缝隙是碳流失的来源，而冠层是碳吸收的来源。通过这项研究，科学家们将更好地了解雨林对碳吸收的影响。

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作者信息

William Kaiser博士就职于加州大学洛杉矶分校的电气工程系，Philip Rundel博士就职于生态和进化生物学系。

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