我国与欧美发达国家及国际性组织非常重视资源、环境和生态的监测与观测, 建立了许多观(监)测站网用于开展观测与试验研究^[2]。国外已建立了一些成熟的观(监)测站网, 如: 建于1843年的以土壤肥力、肥料效益为主要观测对象的英国洛桑试验站^[6]; 以生态环境为观测对象的美国国家生态观测网络(National Ecological Observatory Network, NEON)与英国环境变化研究监测网络(Environmental Change Network, ECN)^[7]; 以气候、水文循环、冰川、陆地永冻等为观测对象的全球气候观测系统(Global Climate Observing System, GCOS)^[2]等。国内建站历史较久、站点数较多的观(监)测站网有气象监测站网、国家土壤环境监测网、中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)^[8]以及中国森林生态系统定位观测研究网络(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)^[9]等。

上述国外观测站网都构建了适合自己的运维保障体系。如: ECN的组织分工严密, 其研究经费由14个英国政府部门和机构组成的财团赞助, 科技咨询小组负责审议技术开发和数据分析问题, 中央协调组负责网络协调, 数据中心负责数据管理^[7]; 英国洛桑试验站的资金主要依靠政府、企业、个人、基金会和欧盟等各方集资, 独特优势是长久保存试验样品^[6]; NEON由专门机构负责运营维护^[10]。

对国内观(监)测站网的运维保障体系, CERN由领导层、业务层、科研层、咨询层组成的运行架构负责整个网络的运维保障, 分工明确, 有成熟的运维保障规章制度^{[8, 11]}; 气象监测站网有一支高素质、高效率的数据服务团队, 数据服务及共享走在国内前列^[12], 黑河流域地表过程综合观测网的所有观测站点均安装了无线传输装置, 实现了数据的自动、远程和实时传输, 运维按照日、旬、月、年的时间尺度开展, 制定了完整、可靠的数据处理流程^[5]。

组织结构合理、运维保障体系及时高效是保证自然资源要素综合观测体系能够正常运行并获取准确、可靠数据的基础和前提。在人员配置上, 综合观测站网应根据实际情况, 合理设置观测站网的管理、技术、对外协调等岗位, 配齐配强野外观测台站人才队伍, 确保综合观测工作正常开展; 为实现长期、稳定的运行, 需要培养专业的运维人才团队, 建立合理高效的保障体系, 在野外观测台站的装备运行、数据质量控制、人员培训等方面给予帮助和指导; 在持续发展上, 综合观测站网应按照“ 共建、共管、共享” 的发展理念, 发挥自身优势, 吸引国内外的观测站网、科研机构和高校, 通过建立长期的合作机制, 以客座研究、项目合作或设立开放基金等方式共建共管观测设备并共享观测资料与基础设施, 达到促进综合观测业务能力发展和人才培养的目的^{[13, 14, 15, 16, 17, 18]}。

自然资源要素综合观测体系的运维架构分为3个层级, 分别是领导层、业务执行层和咨询层。领导小组+科学指导委员会+科学委员会构成了综合观测体系的领导层, 下设指挥中心、各分中心、野外观测台站3级业务执行层, 以及与国家部委、国内外观测站网、科研机构等联络并收集相关情报、提供决策建议的咨询层(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 自然资源要素综合观测体系运维模式(据CERN运行架构图[11]修编)Fig.1 Operation and maintenance model diagram for comprehensive observation system of natural resource elements (modified according to CERN operation framework[11])

2.1.1 领导层职责

领导层全面负责自然资源要素综合观测体系的运行和管理以及重大科学研究计划的组织实施, 开展自然资源要素综合观测、数据集成和对外服务等工作。领导小组主要对综合观测网部门提出具体意见建议, 是咨询建议的需求方; 科学指导委员会是自然资源要素综合观测的学术指导机构, 对自然资源要素综合观测的科学方向、重大科学问题、发展战略及科学委员会的其他工作提出指导性建议; 科学委员会是自然资源要素综合观测的学术机构, 负责确定自然资源要素综合观测的研究方向和重大研究内容, 制定自然资源要素综合观测的发展战略和规划, 监督计划执行情况。

2.1.2 业务执行层职责

业务执行层分为指挥中心、各分中心、野外观测台站3个管理层级, 负责各自所属中心观测任务的组织实施及野外观测台站的日常管理和后勤保障。其中, 指挥中心负责制定相关专业领域的观测规范和标准, 承担自然资源要素综合观测数据的集成、管理和共享工作, 开展区域和全国尺度上的资源、生态、环境演变趋势预测和重大科学问题的综合研究工作, 出版自然资源要素综合观测系列研究成果等; 各分中心负责野外观测人员的培训, 指导所属野外观测站相关资源要素的观测和数据采集工作, 承担仪器校检、数据质量控制等任务; 野外观测台站是综合观测的具体实施者, 负责野外观测场的建设、数据采集、数据质量控制、仪器设备的运行维护等工作。

2.1.3 咨询层职责

咨询层负责与国家部委、国内外观测站网、科研机构、高校等进行联络与对外协调, 并收集自然资源要素综合观测的相关情报。咨询团队由分管自然资源要素综合观测工作的指挥中心领导、自然资源观测领域的专家学者、综合观测项目负责人、科技公司、情报搜集人员组成, 对自然资源要素综合观测工作进行指导并提供智力支持。

自然资源要素综合观测是一个涉及“ 山水林田湖草” 多资源要素、多时间尺度、多空间尺度的观测系统工程, 需要从经费、人员、装备、通信、数据质量控制等多方面进行保障。本文在借鉴国内外观测站网运维经验的基础上^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}, 结合青藏高原综合观测试点项目建设情况, 提出了由经费保障、通信网络保障、基建装备保障、数据质量控制保障、野外观测台站日常管理与制度及人才队伍保障构成的自然资源要素综合观测保障体系(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 自然资源要素综合观测保障体系Fig.2 Guarantee system for comprehensive observation system of natural resource elements

2.2.1 经费保障

自然资源要素综合观测网由自然资源部主导组建, 主要目的是服务于新形势下的国家自然资源统一管理和重大资源战略决策, 运行经费由自然资源部保障, 比较稳定, 但来源相对单一, 因此可以探索多形式的经费来源途径, 例如: 承担国家自然科学基金项目等科研项目; 开展与国际观测站网间的合作; 按照融合共建方式, 可以争取地方政府、企事业单位等资助经费。

2.2.2 通信网络保障

自然资源要素综合观测体系采用有线通信结合无线通信的方式进行数据传输。传输距离较短的数据通信可采用有线通信和短距离无线通信方式, 短距离无线通信标准有RS485、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带(Wi-Fi)和近场通信(NFC)等; 传输距离较远或偏远地区的数据通信主要采用远距离无线通信的方式, 如GPRS/CDMA、4G(电信TD-LTE、电信FDD-LTE)、5G、短波通信、北斗卫星导航系统、卫星通信等(图3)。通过采用2套通信线路、配备柴油发电和不间断电源等方式, 确保观测数据传输稳定、连续^{[19, 20]}。

图3

Fig.3

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	图3 数据通信方式示意图Fig.3 Schematic diagram of data communication model

2.2.3 基建装备保障

基建装备保障包括野外观测台站建设、仪器设备维护等方面。目前, 综合观测台站建设还没有相应的建站标准及规范, 可以参考国内气象、森林、生态等观测站网现有的建站标准规范(表1)。野外观测装备的管理与维护采用人机交互设计^[21], 将野外台站设备的运行状态信息通过网络系统发送到人机交互界面上, 使观测系统后台管理人员能实时了解观测台站的运行状态, 便于观测装备的集中统一管理并能够准确定位故障设备的位置。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 国内野外观测台站建设标准规范 Tab.1 Domestic field observation station construction standards and specifications 观测站 建设标准规范 气象观测站 《地面气象观测规范》[22]、《气象台(站)防雷技术规范》[23]、《自动气象站场室防雷技术规范》[24]、《环境监测信息传输技术规定》[25]等 森林观测站 《森林生态系统定位研究站建设技术要求》[26]、《森林生态系统长期定位观测指标体系》[27]等 生态观测站 《荒漠生态系统观测研究站建设规范》[28]、《湿地生态系统定位研究站建设技术要求》[29]等 水资源观测站 《水资源实时监控系统建设技术导则》[30]、《地下水监测站建设技术规范》[31]等 土壤观测站 《土壤环境监测技术规范》[32]

表1 国内野外观测台站建设标准规范 Tab.1 Domestic field observation station construction standards and specifications

2.2.4 数据质量控制保障

数据质量控制保障依据刘玖芬等^[3]提出的自然资源要素综合观测数据管理体系, 从数据采集、校对、审核等多方面进行保障。质量管理体系框架由目标层、组织层、制度层、控制层和评估层5部分组成; 质量控制体系采取纵横向分类、分级管理: 纵向上建立综合研究中心-一级站-二级站-三级站4级外部检查, 横向上建立观测-校对-审核3级内部检查制度; 质控技术方面, 建立样品实验测试质量控制模块、观测数据内部质量控制模块、观测数据外部质量控制模块以及数据质量的考核和评估模块。

2.2.5 野外观测台站日常管理与制度及人才队伍保障

自然资源要素综合观测各野外观测台站设立站长一名, 负责台站与人员的日常管理; 安全员一名, 负责台站的人员与设备安全; 科研人员若干, 负责台站的观测场试验及相关科研工作; 后勤及其他人员若干, 负责台站的日常生活保障。野外台站的管理制度包括观测制度、财务制度、安全制度及服务制度等。人才队伍保障方面, 通过合作共建、明确分工、定期培训等方式, 提升综合观测队伍的能力素质, 为自然资源要素综合观测的可持续发展奠定人才基础。