长期生态定位观测研究是目前国际上通用的研究、揭示生态系统结构与功能变化规律的重要手段。中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)起步于20世纪50年代末60年代初，是原国家林业部直接领导和管辖的大型生态学研究网络。至今它包含15个分布于不同气候带的森林生态站，其中国家级生态站8个。CFERN的总目标是从个体、种群、群落和系统4个水平上同步对森林生态系统结构和功能进行长期、全面的观测，深入研究、揭示中国森林生态系统的组成、结构、功能以及与气候环境变化之间相互反馈的内在机理。

经过多年的长期定位观测，CFERN的各个生态站已经积累了几十亿个观测数据。多年来, 研究人员主要利用手工收集、记录、存储和分析了定位观测站的海量数据，并取得了丰硕的成果，但受数据采集、管理和分析手段的限制，大量数据资源中蕴含的有用信息尚未揭示出来，许多数据和信息都没能很好地实现共享(佘济云等，2003)。因此建设数字化森林生态站，对野外基础数据进行数字化采集和管理，使生态系统定位研究的数据规范化、数字化，最终实现基于WebGIS和Internet网络合理应用与共享，进而实现整个森林生态系统的信息网络化，这将促进我国森林生态网络建设与世界生态定位研究网络的接轨，对于加快我国的长期定位研究、林业可持续发展、国家的生态环境建设和科技创新都有着十分重要的意义。

1 林业数字化的国内外研究现状 1.1 “数字化”的现有基础

“数字地球" (digital earth)的概念是1998年1月由美国副总统戈尔提出的(Gore，1998)，希望将地球上所有的信息数字化，让地球上各种事物无缝地链接，各层面的用户各得其所。具体来说，“数字地球”有利于各级政府规划、决策、控制区域经济和资源可持续发展；有利于专业用户快速、准确地收集数据，降低成本，缩短周期；普通用户可以随时得到发生在世界各地的热点信息，并可身临其境地享受世界各地的风光民情等。

“数字地球"是信息化的地球，是地球的虚拟对照体，它提供了一种地球信息模型和信息再现机制。这种模型和机制把地球上每一个角落的各种信息加以收集、整理、归纳和管理，通过统一的全球地理坐标组织起来，任何用户通过Internet网络都可以快速、完整、形象地了解地球在各种尺度下的各种信息。正因如此，“数字地球”建设很快得到了各国的积极响应和重视，世界各国开展了如“数字城市”、“数字商务”、“数字农业”、“数字图书馆”等数字化建设，并取得了飞速发展(王宗明等，2004；李维生，1999)。

1999年，中国相继召开了由多名院士主持、参加的有关“数字地球”的讨论会，并在北京召开了首届“数字地球”国际研讨会，从中央到地方对“数字地球”逐步形成了共识。随后中国在总结各行业原有MIS，GIS和OA基础上也提出了“数字”的理念，如“数字农业”、“数字北京”、“数字中国”等等(徐冠华，1999；杨凯，1999；孙枢，1999；李永树等，2000)。

1.2 目前我国森林生态站的数字化进展情况

国家林业局提出了“数字林业”的构想，并已将“数字林业”建设提升到“推动林业管理革命”的高度(王静等，2002)。目前，我国林业部门陆续建立了涉及森林资源、林业遥感、森林生态与环境保护、野生动植物、荒漠化和林业生态工程等多方面的林业信息数据库(莫申国等，2003；李小平等，2003；刘新胜等，2002)。但存在缺乏统一规范、可视化手段单一、缺乏模拟与仿真、数据更新手段落后以及共享能力弱等缺陷。

目前，我国加入CFERN网络的15个生态站基本覆盖了中国的主要林区，选定的生态站北起大兴安岭，南至海南岛，东起小兴安岭，西至新疆天山及青藏高原，基本具备了由北向南以热量驱动和由东向西以水分驱动的生态梯度十字网状结构。几十年来，各个生态站采集了大量的数据，但由于采集、传输和数据管理手段落后，绝大部分数据没能充分合理地管理和利用起来，15个生态站之间不能实现资源与信息的共享。

湖南会同森林生态站研制的“会同生态定位研究站科研信息管理系统”是单个生态站信息化的很好尝试(郭学兵等，2003)；我国也正着手建立国家和省级“数字化林业信息共享系统”，中国科学院正在建立生态环境长期定位观测信息管理系统，力求最终实现中国生态系统研究网络(CERN)的数字化；张军等(2002)及陆守一等(2000)提出了网络化森林资源信息管理集成系统解决方案，但这方面的研究还不成熟。

2 CFERN“数字化森林生态站”的构建 2.1 “数字化森林生态站”概念提出的必要性与科学意义

随着我国经济的飞速发展，生态环境建设日趋重要，我们不能再走发达国家那种先破坏再治理的弯路。而林业建设是国家生态环境建设的重要组成部分，“数字林业”的提出需要有大量的、长期的基础数据做支撑，经过多年的长期定位观测，CFERN的各个生态站已经积累了几十亿个观测数据，但受数据采集、管理和分析手段的限制，大量数据资源中蕴含的有用信息尚未揭示出来，许多数据和信息都没能很好地实现共享(佘济云等，2003)，很难在大尺度上对全国的生态环境状况进行研究与评估，因此建设数字化的森林生态站，最终实现基于We bGIS和Internet网络合理应用与共享，实现整个森林生态系统的信息网络化，实现不分时空的数据共享分析，必将大大促进我国森林生态系统长期定位研究的飞速发展，也将促进我国的森林生态系统定位研究网络与世界生态定位研究网络的接轨，对于加快我国的林业可持续发展、国家的生态环境建设和科技创新都有着十分重要的意义。若不尽早地进行数字化森林生态站建设，将会制约我国森林生态系统长期定位研究的发展。

2.2 “数字化森林生态站”概念的提出

综上分析，我们有必要提出“数字化森林生态站”的概念，具体的说“数字化森林生态站”是指在“数字林业”框架指导下，将3S技术、计算机技术、数字化技术、网络技术、智能技术和可视化技术等融合在一起，对生态站长期定位观测数据进行数字化采集与传输，将信息资源进行标准化、规范化等综合分析处理，构建数字化信息平台，并通过Internet网络快速、准确、完整、便捷、直观地传递给人们，实现生态站各种科学数据与信息充分共享，及更好地为森林生态系统长期定位研究服务。系统总体结构框架图如图 1所示。

2.3 总体设计原则

数字化生态站应该具有完备的数字化采集、传输、分析、管理、查询和输出等功能；具有符合国家林业、测绘等行业标准的数据类型、编码和图形符号；建立基于GIS的数字化信息平台和基于Internet的网络共享平台，并使系统成为一个有机的整体，开发的数据库具有可兼容性，利于数据的交换、共享、转平台处理等；具有较高的实用性，要能满足生态站以外用户的多种需求，提供多种服务。

2.4 数字化采集与传输系统(数据基础平台)构建 2.4.1 数字化采集

根据国家对大型实验基地以及生态环境科学观测网络建设的需要和目前我国森林生态系统研究网络的现状，进行生态站仪器设备的配置，目标为在现有森林生态系统研究网络实体的基础上，利用先进的数字化仪器和设备，更方便快捷地进行数字化采集、传输、存储等；完善各站观测设备同工作站或数据综合中心服务器实时对接，以有线和无线方式逐步提高站内数据采集的数字化程度。在15个森林生态站原有仪器设备的基础上安装数字化采集设备(存储模块、存储卡、GSM卡等)，以及配置先进的数字化观测仪器，使之达到数字化数据采集、传输和存储的要求，主要仪器设备有：Campbell自动气象站、Delta-T自动气象站、Diviner2000土壤水分测定仪；植物茎流水势仪、ICT-2000TE树干液流与环境同步测定系统、RG2-M自动记录雨量计；SW2- 1自计水位计、SCI透测雨量计以及坡面径流仪、涡动协方差系统(碳通量观测)、星源通掌上森林资源调查仪等，分别对生态站内气象(温度、湿度、地表温度、地下0~20 cm温度、降水、蒸发、日照、风速、风向等)、水文(坡面径流、地下径流、树干茎流、水质变化等)、土壤(土壤含水量、含水率、渗透压、重金属含量等)、地形、生物量等指标进行数字化记录、采集和存储。

2.4.2 数字化传输

通过多种途径对观测数据进行数字化采集并传输到工作站，主要途径有：通过MS485一点对多点网络设备、MD9多点通讯设备、RF系列无线电台等直接传输到工作站；通过观测仪器上配置的GSM卡，及中国移动通讯信号将数据传到工作站或直接上传到CFERN数据综合中心。对数据量很大的仪器，如开闭路涡动协方差系统(碳通量观测)的原始数据每天可达几十兆字节，可以在仪器、设备上安装存储模块或存储卡，拷贝PCMICA卡与定时下载相结合，但此类数据不适合远程收集。

2.4.3 需要人工采集的数据

植被、生物量、生物多样性、病虫害等不能通过数字化仪器直接采集的数据指标仍需人工作业，经过人工整理、统计、分析等处理后，按照一定规范录入计算机，上传到工作站。

2.4.4 空间数据信息

利用星源通掌上森林资源调查仪、GPS定位系统等先进仪器采集或购买生态站的地形图、遥感图、航片等，进行数字化处理，生成相应的拓扑关系，建立空间信息数据库和属性数据库，并按照一定规范录入计算机，达到了通用信息管理系统如DBF和GIS的数据规范要求(夏朝宗等，2003)。

采集和传输系统的建设是整个数字化系统的基础数据平台，在各工作站对采集的海量数据进行分类、整理、对比、分析和研究，寻求各类数据之间的关系，建立不同数据模型，以便制作成各种基础数据库和专题图库等。将工作站数据通过Internet网络上传到CFERN数据综合中心，有些数据也可以通过各站野外仪器上的数字化采集设备(如GSM卡)直接传送到CFERN数据综合中心。

2.5 CFERN数据综合中心建设 2.5.1 数据综合中心的功能

实现数据综合中心对各生态站上传数据的数字化接收、存储、处理和共享服务；指导和协调全国各森林生态系统定位研究站工作的顺利开展，同时研制大尺度空间数据库系统和分析平台，在区域尺度上对台站的观测数据进行综合分析，制作数据信息管理系统和实现共享服务，并定期发布森林生态预警。

2.5.2 数据综合中心的软硬件配置

硬件设备：网络服务器、网络交换机(3COM)、计算机(CPU-Ⅲ450以上、主频不低于128 MHz、硬盘不小于20 GB、显示内存4 MB以上、SiS显示卡等)、Epson Color 800打印机、方正扫描仪、数字化仪等。

软件设备：服务器软件、网络管理系统Studio.net 7.0、Windows 2000(或XP)中文版、数据分析和处理软件Systat、Excel、Access、地理信息系统软件ArcGIS9.0、Photoshop 6.0、Visual C++6.0编译语言。

2.6 基础数据信息管理系统构建

数据综合中心接收各生态站传送过来的数据(通过安装在仪器设备上的GSM卡、Internet网络等途径)，利用Systat软件进行深入精确地分类、分析、统计处理和综合数据管理，使数据更加规范化、标准化，并导入网络中心信息数据库系统，达到满足通用信息管理系统如DBF和GIS的数据规范。主要数据库有：

生态站森林资源清查数据检索系统：包括森林资源概况、林业用地各类土地利用情况、各类森林资源面积、蓄积、森林资源权属统计、人工林资源等数据和图表。

生态站数据信息库：形象地展示了生态站各个观测点的长期观测数据，如地面温度表(曲线)、地下温度表(曲线)、水区昼夜梯度变化表、大气温(湿)度日变化曲线及天气变化表(曲线)等常规气象指标；降雨实测数据、降雨强度表、日常降雨蒸发表、降雨平衡表、降雪量、蒸发量年变化曲线(表)等水文指标；土壤组成、微量元素含量、pH值等土壤指标；动植物组成、动态分布等。

碳循环数据库：包括碳通量观测数据、凋落物数据、固定标准地调查表、地被物调查表以及标准木根、茎、枝、叶和果的生物量等。

生态站动态信息分析库：包括年(月)均温变化曲线图、湿度变化曲线图(或直方图)、年(月)光照强度变化曲线图、多年降雨变化图、多年径流变化曲线图等。

最后制作元数据和数据库数据字典查询系统。

2.7 空间数据信息管理系统构建 2.7.1 生态站地形图的数字化处理

将各个生态站1:1万的基本地形图利用地理信息系统制图软件ArcGIS9进行数字化处理，并矢量化生成拓扑关系，按一定标准(林班或小班等)进行区划做为本底图，以便在此基础上制作相应的专题图(钟秋平等，2001)。

2.7.2 空间数据信息系统平台建设

以Visual C++语言、地理信息系统软件ArcGIS9和数据库管理软件Systat等作为研发工具，开发基于GIS的生态站空间信息系统平台。在图形输入的基础上，对生态站海量数据进行分类、整理、对比、分析和研究，录入与地理信息系统相应的属性信息，根据地理信息系统的要求，对数据进行取舍、代码转换后生成属性数据库，然后将该属性数据库与地理信息系统数据链接，实现数据图形的输入、编辑、查询及输出功能(李土生等，2002；袁鹏飞，2001)，结合基础数据信息库制作和建立空间数据库、属性数据库和专题数据库，以数字地图方式表达生态站区域生态系统主要观测指标的地理信息和时空动态变化过程(冯仲科等，2001)。

2.7.3 空间分析功能

应用系统提供的模型构建功能，将各种基础数据库与属性数据库通过标识码建立联接，把空间数据和属性数据统一起来，利用地理信息处理软件ArcGIS9可以方便地建立不同数据动态模型(DEM模型)，如集水区水文模型、土壤侵蚀模型、站区热量空间分布模型等。并在此基础上进行立体叠加生成各种专题图：生态站土地利用区划、土壤类型分布、森林资源分布、林相图、植被组成等专题图，利用专题图实现数据显示、空间分析和查询等功能(蒋有绪，1993；王兵等，2002)。以三维地理空间和时间序列来形象直观地反映生态系统的数字化动态变化过程，如森林对小气候影响的变化情况等，有利于深入了解森林生态系统的内在机理。

2.8 “数字化森林生态站”系统的网络化共享

将“数字化森林生态站”系统进行网络化(Internet/Intranet)处理，进行共享系统界面的设计和美化，整个界面要简洁、直观、易于操作(苏文等，2002)。其基本功能包括：多用户简便、直观、快捷地浏览、查询、显示输出和打印输出(文件、表格、图形)等，对空间数据信息系统还应实现基于WebGIS的网络信息共享服务功能，如放大、缩小、漫游、查询以及制作专题图等(俞信等，2000；肖必武，2003；陆守一等，2000)。

系统的网络化可以使各森林生态站通过网络进行远程数据的上传和下载，实现各站海量数据信息的多用户充分共享服务功能，同时也可为国家的生态预警和环境决策提供重要的技术支持。

2.9 系统的二次开发

系统应在数据组织、功能结构设计方面考虑到今后的扩充，其应用功能、数据库内容以及数据分类管理应可以方便的维护、更新和扩充，当生态站数据信息变动时，只需在属性数据管理系统中更新数据信息即可(王宗明等，2004)。同时可以在数据库和模型库的基础上进行原始数据的二次开发集成(李维生，1999；温雪岩等，20 03)，利用多媒体虚拟现实技术，完善基于GIS平台的森林生态站信息时空动态过程的查询、显示和输出界面等的建设，使之具有智能化、可视化的决策支持服务功能。

3 讨论与思考

“数字化森林生态站构建”是区域数字化时空表达的很好尝试，对未来中国森林生态系统时空尺度平滑转换、深入了解森林生态系统内在机理、国家生态预警和环境决策等都提供了重要技术支撑；野外观测数据的数字化采集与传输系统、数据综合中心建设、基础信息数据库、空间数据库、网络共享平台等构成的信息体系是数字化森林生态站建设的基础和核心部分；生态站数据的处理应达到规范化、系统化、可视化、网络化，并实现智能化管理和共享服务，从而更好地为我国森林生态系统长期定位研究服务。

数字化森林生态站的构建是一项长期和重要的基础工作，实施过程中会有许多技术性、操作性的难点需要解决，同时需要国家相应的政策法规、各项管理机制的制定和健全，以及各个部门之间的密切合作，这些都是制约数字化森林生态站发展的因素。但随着国家信息化整体进程的发展，诸多问题将会逐渐得到解决，这是时代和林业发展的需要。完善的数字化森林生态站系统的建设是一个漫长的过程，但它必将促进我国森林生态系统长期定位研究事业的蓬勃发展，也必将推动“数字林业”的发展进程。