羅奇， 赫銀峰， 王鵬, 張潯潯， 段陽海，文浪

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川成都 610036； 2.自然資源要素耦合過程與效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100055； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心，新疆烏魯木齊 830000；4.中國地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心，青海西寧 810000)

0 引言

自然資源要素綜合觀測(cè)被自然資源部列為一項(xiàng)具有“戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、緊迫性”的系統(tǒng)工程[1]，是貫徹“山水林田湖草是生命共同體”發(fā)展理念，解決認(rèn)識(shí)自然生態(tài)變化規(guī)律、預(yù)判發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐能力不足等問題，達(dá)到自然資源可持續(xù)保護(hù)利用目的的重要基礎(chǔ)性工作。構(gòu)建指標(biāo)體系完整、站網(wǎng)布局合理、運(yùn)行基本穩(wěn)定的觀測(cè)框架是自然資源要素綜合觀測(cè)體系建設(shè)的階段性目標(biāo)。劉曉煌等[2]對(duì)自然資源要素綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了專門研究； 劉玖芬等[3]構(gòu)建了自然資源要素綜合觀測(cè)質(zhì)量管理體系； 高秉博等[4]對(duì)自然資源要素綜合觀測(cè)臺(tái)站布點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了上述相關(guān)理論與方法的研究，相關(guān)學(xué)者已在青藏高原、黃河流域、黑河流域等典型區(qū)域開展示范觀測(cè)，并取得了階段性成果[5]，這些成果為全面開展綜合觀測(cè)工作提供了樣板。自然資源要素綜合觀測(cè)體系是多資源要素、多尺度的長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)的定位觀測(cè)研究，良好的運(yùn)維模式和保障體系是關(guān)鍵一環(huán)。

本文在借鑒國內(nèi)外氣象、海洋、森林、生態(tài)等觀測(cè)站網(wǎng)組織管理、運(yùn)維保障模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合綜合觀測(cè)示范站點(diǎn)的運(yùn)維模式進(jìn)行梳理總結(jié)，構(gòu)建了一套自然資源要素綜合觀測(cè)體系運(yùn)維模式和保障體系框架，基本能夠滿足綜合觀測(cè)站網(wǎng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)的定位觀測(cè)需求。

1 國內(nèi)外觀測(cè)站網(wǎng)運(yùn)維保障現(xiàn)狀及需求分析

1.1 運(yùn)維保障現(xiàn)狀

我國與歐美發(fā)達(dá)國家及國際性組織非常重視資源、環(huán)境和生態(tài)的監(jiān)測(cè)與觀測(cè)，建立了許多觀(監(jiān))測(cè)站網(wǎng)用于開展觀測(cè)與試驗(yàn)研究[2]。國外已建立了一些成熟的觀(監(jiān))測(cè)站網(wǎng)，如: 建于1843年的以土壤肥力、肥料效益為主要觀測(cè)對(duì)象的英國洛桑試驗(yàn)站[6]； 以生態(tài)環(huán)境為觀測(cè)對(duì)象的美國國家生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(National Ecological Observatory Network,NEON)與英國環(huán)境變化研究監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Environmental Change Network,ECN)[7]； 以氣候、水文循環(huán)、冰川、陸地永凍等為觀測(cè)對(duì)象的全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)(Global Climate Observing System,GCOS)[2]等。國內(nèi)建站歷史較久、站點(diǎn)數(shù)較多的觀(監(jiān))測(cè)站網(wǎng)有氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)、國家土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)、中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)[8]以及中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network,CFERN)[9]等。

上述國外觀測(cè)站網(wǎng)都構(gòu)建了適合自己的運(yùn)維保障體系。如： ECN的組織分工嚴(yán)密，其研究經(jīng)費(fèi)由14個(gè)英國政府部門和機(jī)構(gòu)組成的財(cái)團(tuán)贊助，科技咨詢小組負(fù)責(zé)審議技術(shù)開發(fā)和數(shù)據(jù)分析問題，中央?yún)f(xié)調(diào)組負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理[7]； 英國洛桑試驗(yàn)站的資金主要依靠政府、企業(yè)、個(gè)人、基金會(huì)和歐盟等各方集資，獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)久保存試驗(yàn)樣品[6]； NEON由專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)維護(hù)[10]。

對(duì)國內(nèi)觀(監(jiān))測(cè)站網(wǎng)的運(yùn)維保障體系，CERN由領(lǐng)導(dǎo)層、業(yè)務(wù)層、科研層、咨詢層組成的運(yùn)行架構(gòu)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維保障，分工明確，有成熟的運(yùn)維保障規(guī)章制度[8,11]； 氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)有一支高素質(zhì)、高效率的數(shù)據(jù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)，數(shù)據(jù)服務(wù)及共享走在國內(nèi)前列[12]，黑河流域地表過程綜合觀測(cè)網(wǎng)的所有觀測(cè)站點(diǎn)均安裝了無線傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)、遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)傳輸，運(yùn)維按照日、旬、月、年的時(shí)間尺度開展，制定了完整、可靠的數(shù)據(jù)處理流程[5]。

1.2 運(yùn)維保障需求分析

組織結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)維保障體系及時(shí)高效是保證自然資源要素綜合觀測(cè)體系能夠正常運(yùn)行并獲取準(zhǔn)確、可靠數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和前提。在人員配置上，綜合觀測(cè)站網(wǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理設(shè)置觀測(cè)站網(wǎng)的管理、技術(shù)、對(duì)外協(xié)調(diào)等崗位，配齊配強(qiáng)野外觀測(cè)臺(tái)站人才隊(duì)伍，確保綜合觀測(cè)工作正常開展； 為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行，需要培養(yǎng)專業(yè)的運(yùn)維人才團(tuán)隊(duì)，建立合理高效的保障體系，在野外觀測(cè)臺(tái)站的裝備運(yùn)行、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、人員培訓(xùn)等方面給予幫助和指導(dǎo)； 在持續(xù)發(fā)展上，綜合觀測(cè)站網(wǎng)應(yīng)按照“共建、共管、共享”的發(fā)展理念，發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，吸引國內(nèi)外的觀測(cè)站網(wǎng)、科研機(jī)構(gòu)和高校，通過建立長(zhǎng)期的合作機(jī)制，以客座研究、項(xiàng)目合作或設(shè)立開放基金等方式共建共管觀測(cè)設(shè)備并共享觀測(cè)資料與基礎(chǔ)設(shè)施，達(dá)到促進(jìn)綜合觀測(cè)業(yè)務(wù)能力發(fā)展和人才培養(yǎng)的目的[13-18]。

2 自然資源要素綜合觀測(cè)體系運(yùn)維模式及保障體系框架

2.1 運(yùn)維模式

自然資源要素綜合觀測(cè)體系的運(yùn)維架構(gòu)分為3個(gè)層級(jí)，分別是領(lǐng)導(dǎo)層、業(yè)務(wù)執(zhí)行層和咨詢層。領(lǐng)導(dǎo)小組+科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)+科學(xué)委員會(huì)構(gòu)成了綜合觀測(cè)體系的領(lǐng)導(dǎo)層，下設(shè)指揮中心、各分中心、野外觀測(cè)臺(tái)站3級(jí)業(yè)務(wù)執(zhí)行層，以及與國家部委、國內(nèi)外觀測(cè)站網(wǎng)、科研機(jī)構(gòu)等聯(lián)絡(luò)并收集相關(guān)情報(bào)、提供決策建議的咨詢層(圖1)。

圖1 自然資源要素綜合觀測(cè)體系運(yùn)維模式(據(jù)CERN運(yùn)行架構(gòu)圖[11]修編)

2.1.1 領(lǐng)導(dǎo)層職責(zé)

領(lǐng)導(dǎo)層全面負(fù)責(zé)自然資源要素綜合觀測(cè)體系的運(yùn)行和管理以及重大科學(xué)研究計(jì)劃的組織實(shí)施，開展自然資源要素綜合觀測(cè)、數(shù)據(jù)集成和對(duì)外服務(wù)等工作。領(lǐng)導(dǎo)小組主要對(duì)綜合觀測(cè)網(wǎng)部門提出具體意見建議，是咨詢建議的需求方； 科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)是自然資源要素綜合觀測(cè)的學(xué)術(shù)指導(dǎo)機(jī)構(gòu)，對(duì)自然資源要素綜合觀測(cè)的科學(xué)方向、重大科學(xué)問題、發(fā)展戰(zhàn)略及科學(xué)委員會(huì)的其他工作提出指導(dǎo)性建議； 科學(xué)委員會(huì)是自然資源要素綜合觀測(cè)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)確定自然資源要素綜合觀測(cè)的研究方向和重大研究?jī)?nèi)容，制定自然資源要素綜合觀測(cè)的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，監(jiān)督計(jì)劃執(zhí)行情況。

2.1.2 業(yè)務(wù)執(zhí)行層職責(zé)

業(yè)務(wù)執(zhí)行層分為指揮中心、各分中心、野外觀測(cè)臺(tái)站3個(gè)管理層級(jí)，負(fù)責(zé)各自所屬中心觀測(cè)任務(wù)的組織實(shí)施及野外觀測(cè)臺(tái)站的日常管理和后勤保障。其中，指揮中心負(fù)責(zé)制定相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的觀測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)自然資源要素綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)的集成、管理和共享工作，開展區(qū)域和全國尺度上的資源、生態(tài)、環(huán)境演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)和重大科學(xué)問題的綜合研究工作，出版自然資源要素綜合觀測(cè)系列研究成果等； 各分中心負(fù)責(zé)野外觀測(cè)人員的培訓(xùn)，指導(dǎo)所屬野外觀測(cè)站相關(guān)資源要素的觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集工作，承擔(dān)儀器校檢、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等任務(wù)； 野外觀測(cè)臺(tái)站是綜合觀測(cè)的具體實(shí)施者，負(fù)責(zé)野外觀測(cè)場(chǎng)的建設(shè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、儀器設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)等工作。

2.1.3 咨詢層職責(zé)

咨詢層負(fù)責(zé)與國家部委、國內(nèi)外觀測(cè)站網(wǎng)、科研機(jī)構(gòu)、高校等進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與對(duì)外協(xié)調(diào)，并收集自然資源要素綜合觀測(cè)的相關(guān)情報(bào)。咨詢團(tuán)隊(duì)由分管自然資源要素綜合觀測(cè)工作的指揮中心領(lǐng)導(dǎo)、自然資源觀測(cè)領(lǐng)域的專家學(xué)者、綜合觀測(cè)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、科技公司、情報(bào)搜集人員組成，對(duì)自然資源要素綜合觀測(cè)工作進(jìn)行指導(dǎo)并提供智力支持。

2.2 保障體系框架

自然資源要素綜合觀測(cè)是一個(gè)涉及“山水林田湖草”多資源要素、多時(shí)間尺度、多空間尺度的觀測(cè)系統(tǒng)工程，需要從經(jīng)費(fèi)、人員、裝備、通信、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等多方面進(jìn)行保障。本文在借鑒國內(nèi)外觀測(cè)站網(wǎng)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[5-12]，結(jié)合青藏高原綜合觀測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)情況，提出了由經(jīng)費(fèi)保障、通信網(wǎng)絡(luò)保障、基建裝備保障、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制保障、野外觀測(cè)臺(tái)站日常管理與制度及人才隊(duì)伍保障構(gòu)成的自然資源要素綜合觀測(cè)保障體系(圖2)。

2.2.1 經(jīng)費(fèi)保障

自然資源要素綜合觀測(cè)網(wǎng)由自然資源部主導(dǎo)組建，主要目的是服務(wù)于新形勢(shì)下的國家自然資源統(tǒng)一管理和重大資源戰(zhàn)略決策，運(yùn)行經(jīng)費(fèi)由自然資源部保障，比較穩(wěn)定，但來源相對(duì)單一，因此可以探索多形式的經(jīng)費(fèi)來源途徑，例如： 承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等科研項(xiàng)目； 開展與國際觀測(cè)站網(wǎng)間的合作； 按照融合共建方式，可以爭(zhēng)取地方政府、企事業(yè)單位等資助經(jīng)費(fèi)。

圖2 自然資源要素綜合觀測(cè)保障體系

2.2.2 通信網(wǎng)絡(luò)保障

自然資源要素綜合觀測(cè)體系采用有線通信結(jié)合無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸距離較短的數(shù)據(jù)通信可采用有線通信和短距離無線通信方式，短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)有RS485、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線寬帶(Wi-Fi)和近場(chǎng)通信(NFC)等； 傳輸距離較遠(yuǎn)或偏遠(yuǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)通信主要采用遠(yuǎn)距離無線通信的方式，如GPRS/CDMA、4G(電信TD-LTE、電信FDD-LTE)、5G、短波通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等(圖3)。通過采用2套通信線路、配備柴油發(fā)電和不間斷電源等方式，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、連續(xù)[19-20]。

2.2.3 基建裝備保障

基建裝備保障包括野外觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)、儀器設(shè)備維護(hù)等方面。目前，綜合觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)還沒有相應(yīng)的建站標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，可以參考國內(nèi)氣象、森林、生態(tài)等觀測(cè)站網(wǎng)現(xiàn)有的建站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(表1)。野外觀測(cè)裝備的管理與維護(hù)采用人機(jī)交互設(shè)計(jì)[21]，將野外臺(tái)站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送到人機(jī)交互界面上，使觀測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)管理人員能實(shí)時(shí)了解觀測(cè)臺(tái)站的運(yùn)行狀態(tài)，便于觀測(cè)裝備的集中統(tǒng)一管理并能夠準(zhǔn)確定位故障設(shè)備的位置。

圖3 數(shù)據(jù)通信方式示意圖

表1 國內(nèi)野外觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2.2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制保障

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制保障依據(jù)劉玖芬等[3]提出的自然資源要素綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)管理體系，從數(shù)據(jù)采集、校對(duì)、審核等多方面進(jìn)行保障。質(zhì)量管理體系框架由目標(biāo)層、組織層、制度層、控制層和評(píng)估層5部分組成； 質(zhì)量控制體系采取縱橫向分類、分級(jí)管理： 縱向上建立綜合研究中心-一級(jí)站-二級(jí)站-三級(jí)站4級(jí)外部檢查，橫向上建立觀測(cè)-校對(duì)-審核3級(jí)內(nèi)部檢查制度； 質(zhì)控技術(shù)方面，建立樣品實(shí)驗(yàn)測(cè)試質(zhì)量控制模塊、觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)部質(zhì)量控制模塊、觀測(cè)數(shù)據(jù)外部質(zhì)量控制模塊以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的考核和評(píng)估模塊。

2.2.5 野外觀測(cè)臺(tái)站日常管理與制度及人才隊(duì)伍保障

自然資源要素綜合觀測(cè)各野外觀測(cè)臺(tái)站設(shè)立站長(zhǎng)一名，負(fù)責(zé)臺(tái)站與人員的日常管理； 安全員一名，負(fù)責(zé)臺(tái)站的人員與設(shè)備安全； 科研人員若干，負(fù)責(zé)臺(tái)站的觀測(cè)場(chǎng)試驗(yàn)及相關(guān)科研工作； 后勤及其他人員若干，負(fù)責(zé)臺(tái)站的日常生活保障。野外臺(tái)站的管理制度包括觀測(cè)制度、財(cái)務(wù)制度、安全制度及服務(wù)制度等。人才隊(duì)伍保障方面，通過合作共建、明確分工、定期培訓(xùn)等方式，提升綜合觀測(cè)隊(duì)伍的能力素質(zhì)，為自然資源要素綜合觀測(cè)的可持續(xù)發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與未來展望

(1)建設(shè)自然資源要素綜合觀測(cè)站網(wǎng)服務(wù)于“美麗中國”建設(shè)、貫徹“山水林田湖草是生命共同體”發(fā)展理念、符合自然資源可持續(xù)保護(hù)利用的時(shí)代需求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，自然資源要素綜合觀測(cè)站網(wǎng)的相關(guān)建設(shè)工作正在穩(wěn)步推進(jìn)中，青藏高原等綜合觀測(cè)示范區(qū)的首批觀測(cè)數(shù)據(jù)已在2020年底上線運(yùn)行服務(wù)。

(2)自然資源要素綜合觀測(cè)是一個(gè)多資源要素、多時(shí)間尺度、多空間尺度的長(zhǎng)期定位觀測(cè)系統(tǒng)工程，其運(yùn)維保障涉及經(jīng)費(fèi)、人員、裝備、通信、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等多個(gè)方面。綜合觀測(cè)項(xiàng)目于2019年啟動(dòng)實(shí)施，目前還處于試點(diǎn)探索階段，缺乏野外臺(tái)站運(yùn)維保障情況的一手資料，本文構(gòu)建的運(yùn)維模式和保障體系框架能否真正滿足自然資源要素綜合觀測(cè)的運(yùn)維保障需求，還需要長(zhǎng)期地實(shí)踐驗(yàn)證和不斷地修改完善。

(3)綜合觀測(cè)野外觀測(cè)臺(tái)站大部分位于偏遠(yuǎn)艱苦的地區(qū)，如何實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、無線傳輸、智能質(zhì)檢，減輕觀測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、減少人為誤差將是今后自然資源要素綜合觀測(cè)體系運(yùn)維模式和保障體系的重點(diǎn)研究方向。