黑河综合遥感联合试验数据发布

“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)是在我国第二大内陆河流域-黑河流域开展的大型航空、卫星遥感和地面同步观测试验。在试验加强观测期结束两年之际,试验数据集正式发布,实现了发展多尺度、多分辨率、高质量并最终完全共享的综合数据集的目标。本文是“黑河综合遥感联合试验”数据专栏的序言,概述了试验数据信息系统的意义、数据集的构成、数据质量控制的基本措施和流程,以及数据共享政策。我们热情邀请国内外同行在内陆河水文与生态研究、定量遥感研究等多方面使用该数据集,共同推进其广泛应用。     

黑河综合遥感联合试验研究进展:概述

“黑河综合遥感联合试验”是在我国典型的内陆河流域--黑河流域开展的大型航空、卫星遥感和地面同步观测试验。28个单位的280多名科研人员、研究生和工程技术人员参加了试验。介绍了2008年加强试验期以来的研究工作进展。“黑河综合遥感联合试验”最主要的成果是一套多尺度、高质量的综合观测数据集,该数据集已正式对外发布,十分有力地支持了一系列生态、水文、定量遥感模型的发展、改进和验证,试验所期望突破“数据瓶颈”的目标已经实现。此外,已在积雪参数提取、地表冻融微波遥感、森林结构参数的遥感反演、蒸散发观测与遥感估算、土壤水分反演、生物物理参数和生物化学参数反演、水文气象观测、尺度推绎、流域水文模拟和同化应用等方面取得了丰富的研究成果。试验亮点包括蒸散发观测及其遥感模型改进、机载激光雷达的应用、多角度热红外传感器研制和应用;航空遥感在获取高质量、高分辨率数据方面依然具有不可替代的作用。     

流域水文信息系统研究与实践综述

流域水文信息系统是地理信息系统、互联网和数据库等技术与水文学研究的结合,集成观测和环境信息的水文信息系统已经成为“数字地球”技术在流域科学方面的重要应用。研究回顾了流域科学的研究方法、发展现状和技术背景,提出当前流域科学研究迫切需要建立水文信息系统,而水文信息系统的重点任务是流域数据建模与数据共享服务。针对目前Arc Hydro水文地理数据模型和开源“协同促进水文科学发展大学联盟”--水文信息系统(CUAHSI\|HIS)的研究进展,提出了一个适合于黑河流域的在线流域水文信息系统设计即“数字黑河”在线门户,集成流域地理数据、观测数据和数据共享服务于一体的流域水文信息系统将有效推动流域科学各方面的研究。     

黑河综合遥感联合试验的数据管理与共享

“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)是在黑河流域开展的以水循环及与之密切联系的生态过程为主要研究对象的大型航空、卫星遥感与地面同步观测科学试验。为了对试验产出和处理后的数据进行统一的管理和共享,促进试验成果在更大范围内的应用,“黑河综合遥感联合试验”建立了数据管理系统,并在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和北京师范大学成立了两个数据服务点负责数据的管理和分发。“黑河综合遥感联合试验”的数据管理系统是一个以元数据为核心的数据管理和发布系统,在数据管理方面介绍了元数据、数据文档和数据实体的组织与管理,在系统功能方面介绍了数据导航和数据可视化。“黑河综合遥感联合试验”目前已发布的原始数据共3.2 TB,预处理的数据2.5 TB,以粗粒度的形式组织了265个数据集,265条元数据与数据报告一起对数据集进行说明。     

基于SDI-12总线的生态水文数据采集系统设计与实现

介绍了一种土壤温湿度、盐度、电导率等生态水文数据采集系统。该系统以单片机为核心控制单元,结合土壤参数传感器,设计了传感器接口电路、通信时序控制、SD卡存储电路及显示电路等;同时根据黑河生态水文传感器网络试验对实验的要求,实现了基于SDI-12总线的数据采集器和传感器之间的通信协议,以及生态水文数据的测量、存储及传输。在此基础上,结合网络通信和流域数据管理平台,可以实现完整的生态水文无线传感器网络。     

黑河流域自动观测数据下载系统的改进与应用

黑河流域生态水文WSN观测数据自动综汇系统于2012年7月正式发布。随着数据申请人数骤增,之前采用的权限管理模式、下载流程已经无法满足需求。针对黑河流域自动观测数据共享应用过程中的具体需求,将黑河计划数据管理中心下载系统与黑河流域生态水文WSN观测数据自动综汇下载系统进行对接,对下载系统的权限粒度、授权方式、数据生成及获取方式进行优化改进,极大地提高了数据共享效率,对于自动观测数据的在线共享具有重要意义。     

黑河综合遥感联合试验地面观测数据质量控制与评价

详细介绍了“黑河综合遥感联合试验”(Watershed Allied Telemetry Experimental Research,WATER)的地面观测数据(气象水文和涡动相关数据除外)的数据质量控制和处理过程。从观测规范的制定和执行、数据处理和规范化、数据文件命名规范化、数据质量评价等方面进行详细阐述。不仅为数据用户提供数据质量参考信息,也为以后类似试验的开展提供一些数据质量控制和处理的借鉴。通过数据评价可以看出WATER试验的地面观测数据总体上具有较高的数据质量,这些质量控制措施为最后获取高质量的试验数据提供了重要的保证。利用这一套多尺度、标准化的高质量综合数据集开展大量数据分析和应用研究是下一步工作的重点。     

黑河综合遥感联合试验自动气象站数据质量控制与产品生成

“黑河综合遥感联合试验”自动气象站(AWS)数据的质量控制(QC)分两个阶段进行：计算机自动控制阶段(QC1)和人机交互判断阶段(QC2)。QC1利用气候学界限值检查、台站极值检查、基本气象公式检查、内部一致性检查、时间一致性检查、综合决策算法,对自动气象站资料进行了自动质量控制;QC2中质量控制人员在QC1质量控制的基础上,对判断为可疑和错误的数据进行人工判断、分析错误原因、订正逻辑性错误,并给出数据的最终质量评价。上述质量控制后的自动气象站资料分两级发布,以供科研使用。最终结果表明:QC1中的质量检查可以有效地识别出观测资料中存在的明显错误;经过QC2数据逻辑错误订正后,“黑河综合遥感联合试验”AWS(Automatic Weather Station)数据总体质量较高,达到了预期的试验目标。     

基于时间序列相似性的自动观测数据时空异常探测方法研究

针对野外无线传感器获取的时空数据的特点,总结常见的时空异常探测方法,提出了一种根据时间序列相似性度量时空邻域的时空异常探测方法,用于准确检测时空数据的异常情况。采用2012年7月15日黑河流域生态水文无线传感器观测网中13个观测节点的数据进行验证,结果表明:该算法能够有效地探测到无线传感器网络时空数据中的异常,并能识别由于灌溉或降雨造成的伪异常,对其他数据处理探索研究有一定指导意义。     

异源WSN观测仪器归一化数据接口及自动入库系统的设计与实现

为了远程自动接收黑河流域野外布设的不同类型的WSN观测仪器,并简化后端自动入库程序的复杂度,根据各类仪器的不同特性,对远程接收数据的接口进行了归一化处理;在此基础上,设计实现了数据远程自动入库体系,实现了无人干预的观测数据全自动入库功能,为后续的黑河流域WSN观测数据自动综汇系统应用提供了基础。     

面向生态监测的IPv6无线传感器网络研制及应用

环境监测是无线传感器网络应用的重要领域,特别是在流域生态学的研究中,发挥着非常重要的作用。为了帮助生态学家在恶劣的环境中收集科学数据,针对黑河流域生态研究的需要,我们提出了一套 IPv6 无线传感器网络(IPv6WSN) 的系统设计方案。本文重点介绍了方案中的三个关键技术:硬件平台的设计,IPv6 网络协议的集成以及 IPv6 无线传感网络(WSN) 的元数据建模。该系统已经在黑河流域研究计划(HiWater) 进行了实际部署和使用,为参与该研究计划的各相关领域科学家提供了大量的第一手数据,同时也为自主开发的 IPv6 无线传感网络在生态环境监测中的有效使用奠定了坚实的基础。     

WSN in cyber physical systems: Enhanced energy management routing approach using software agents

Recently, the cyber physical system has emerged as a promising direction to enrich the interactions between physical and virtual worlds. Meanwhile, a lot of research is dedicated to wireless sensor networks as an integral part of cyber physical systems. A wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially distributed autonomous devices that use sensors to monitor physical or environmental conditions. These autonomous devices, or nodes, combine with routers and a gateway to create a typical WSN system. Shrinking size and increasing deployment density of wireless sensor nodes implies the smaller equipped battery size. This means emerging wireless sensor nodes must compete for efficient energy utilization to increase the WSN lifetime. The network lifetime is defined as the time duration until the first sensor node in a network fails due to battery depletion. One solution for enhancing the lifetime of WSN is to utilize mobile agents. In this paper, we propose an agent-based approach that performs data processing and data aggregation decisions locally i.e., at nodes rather than bringing data back to a central processor (sink). Our proposed approach increases the network lifetime by generating an optimal routing path for mobile agents to transverse the network. The proposed approach consists of two phases. In the first phase, Dijkstra’s algorithm is used to generate a complete graph to connect all source nodes in a WSN. In the second phase, a genetic algorithm is used to generate the best-approximated route for mobile agents in a radio harsh environment to route the sensory data to the base-station. To demonstrate the feasibility of our approach, a formal analysis and experimental results are presented.     

Editorial

Wireless sensor network(WSN)is characterized by the dense deployment of sensor nodes that continuously observe physical phenomenon.The main advantages of WSN include its low cost,rapid deployment,self-organization,and fault tolerance.WSN has received tremendous interests of various research communities,and significant progresses have been made in various aspects including sensor platform development,wireless communication and networking,signal and information processing,as well as network performance eva...     

Energy-efficient distributed wireless sensor network scheme for cluster detection

Detection of an environmental phenomenon, e.g. air pollution and oil spills, occurs when a group of sensors continuously produces similar readings (i.e. data streams) over a period of time. Thus, detection of environmental phenomena is basically a process of clustering the sensors' data streams, which commonly involves the processing of hundreds and maybe thousands of data streams in real time. Since the sensor network environment is wireless, energy conservation of the sensors would be the main concern. Thus in this paper, we propose an efficient and energy friendly distributed scheme to detect phenomena in a wireless sensor network (WSN). To achieve fast response, the proposed algorithms reduce the dimensionality of the streams. Then, each stream is represented by a point in a multi-dimensional grid. The algorithm uses a grid-based clustering technique to detect clusters of similar stream values. The processing of the algorithm is distributed among different elements of the WSN in a hierarchical topology for more energy efficiency. The paper shows the feasibility of the proposed fully distributed scheme by comparing it with three other WSN schemes in terms of clustering accuracy and energy consumption.     

Construction and basic performance tests of an underwater monitoring network

With the rapid development of the economy, environmental pollution has become one of the major problems in coastal areas and in cities along rivers. Real-time observations of the water quality along rivers have been considered to be an efficient way to control wastewater emission and manage environmental water quality. Traditional ways to observe the ocean environment, including satellite telemetry, radar, investigation ships, ocean observation stations, etc., are not applicable for water-quality observations along rivers because of their high cost, poor real-time information, low accuracy, and so on. Based on wireless sensor networks (WSN), the study reported here proposes a new observation system using underwater multisensory information. After processing the multisensory data from each sensor, the system transmits it to a hub node through WSN, and then transmits it to a land data center through a general packet radio service (GPRS) wireless network. In order to check the basic performance of this system, we completed a node positioning experiment based on a GPS module, and a communication experiment based on ZigBee. This article reports the design of the hardware and the experimental results.     

无线传感器网络安全存在的问题和对策

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,由于其通常自行的运作,不需要人员进行职守,因此无线传感器网络的安全存在较大的威胁,本文在无线传感器网络潜在威胁的基础上,从物理层、链路层和路由层三个方面,对无线传感器网络安全存在的问题和对策,进行了深入的研究,希望能给实际的无线传感器网络建设,提供一定的参考.     

An agent-assisted QoS-based routing algorithm for wireless sensor networks

Existing routing algorithms are not effective in supporting the dynamic characteristics of wireless sensor networks (WSNs) and cannot ensure sufficient quality of service in WSN applications. This paper proposes a novel agent-assisted QoS-based routing algorithm for wireless sensor networks. In the proposed algorithm, the synthetic QoS of WSNs is chosen as the adaptive value of a Particle Swarm Optimization algorithm to improve the overall performance of network. Intelligent software agents are used to monitor changes in network topology, network communication flow, and each node's routing state. These agents can then participate in network routing and network maintenance. Experiment results show that the proposed algorithm can ensure better quality of service in wireless sensor networks compared with traditional algorithms.     

一种低功耗无线传感器网络时间同步算法

间同步对无线传感器网络的应用至关重要,为提高同步精度,多数算法都以较多的消息交换或复杂的计算为代价来达到这一目的,因而能耗较大.为减少时间同步的消息交换开销,节约节点能量,提出了一种简单低功耗时间同步算法,该算法结合了单向广播同步机制和双向成对同步机制,有效利用网络中节点的广播信息,使网络中节点单跳广播域内只有一个下层节点与之进行双向成对同步,从而达到了减少消息开销和节约能量的目的.最后通过仿真验证了该算法的性能.