一、前言

　　2005年MIT《科技評論》選出近年影響人類未來發展的十大科技，其中的兩項「無線感測器網路」與「網格運算科技」便是關於生態方面的研究。這兩項科技使得生態研究能獲得高頻度、大尺度、長時間的環境資料，可製作大區域之生態模式。台灣的資訊和通信技術發展漸趨成熟，加上台灣是世界尖端科技硬體無線感應器的主要生產國，我國應該亟思如何應用台灣在資訊和通信科技領域上的優勢，進一步發展長期生態研究的新技術，把國內的生態與環境研究邁向自動化的資料蒐集與管理，並將資料連結成可進一步整合使用的資訊，幫助產業永續發展。這涉及資料層面、知識層面、管理層面以及應用層面，其中尤其是資料的標準化、數位化、轉換、交換、共用是朝向資訊管理的最基本工作。

　　面對生態與環境的劇烈變動，原有分散各地的監測網日益無法滿足需求，也難以因應未來的環境衝擊與挑戰，為解決許多的環境災難，例如降低颶風或海嘯的傷害、全球暖化或外來入侵種對生態的衝擊、SARS或禽流感等流行病學對人類可能造成的浩劫等，美國國家科學基金會因而提議資助將原先分散全美各地的觀測網整合成一個『國家生態觀測網』(NEON, National Ecological Observatory Network)。未來幾年內美國將投入巨資，希望在30年內能逐步完成這些基礎設施，以從分子到地景等不同尺度來了解整個生態系的運作，藉此對美國境內生態環境有更進一步的認識，而能對生態與環境的變動有更好的預估能力。

　　NEON計畫透過先進的基礎設施建設，結合最新的通訊技術、發展不同的實驗室或野外調查的儀器，再利用資訊管理技術應用在生態研究上，大幅擴展我們在傳統資料收集與獲取上無法突破的限制。因此本文將透過介紹感測器網路的架構及其應用的實例，以供研究人員及相關單位參考，俾帶動感測器網路在國內農業研究及生態防災上的相關應用。

二、感測器網路基本架構

　　建構感測器網路系統會牽涉到感測器、計算及通訊等三個不同層次的內容。首先是與環境接觸互動的儀器、偵測器或監視器等的感測器，這些感測器反應環境變化並產生電子訊號，大部分目前的電子式感測器接收環境變動時均產生電流或頻率變化，例如氣象儀器監測或接收氣溫、濕度、降雨、風速、風向、土溫、地表或溪流水位等物理環境資訊；另外愈來愈普遍的化學性儀器收集二氧化碳濃度、酸鹼值、溶氧量等測值，以獲得環境中物理或化學變化的資料。

　　其次是野外計算層(field computation)，當感測器接收到環境變化訊息並以電流方式送進資料收集器時，通常需透過運算程序把電子訊號先數位化，然後進行儲存，這個層次涉及資料傳輸的標準與界面，亦即資料轉換後，送出端與接收端必須有共同的溝通準則。再來是通訊層，在傳統上感測器層雖可以完成，但通訊層則必須靠人力前往感測器讀取資料來完成，因而造成如天候、人力等許多限制。但在無線傳輸技術發展後，通訊層與感測器層的障礙逐漸獲得改善，利用無線電波來進行資料傳遞，在硬體架設或使用的機動性上均比有線網路方便許多。

　　一旦資料能由野外順利傳進實驗室或辦公室，就涉及把數位資料轉化為可閱讀的運算層，例如監測氣象需要日報表或風花圖等，除此資料需長期儲存以備未來取用外，對多樣性高的生態資料亦是一項挑戰，因為它涉及資料流(dataflow)的方向性與倉儲整合。

三、感測器網路的資料收集能力與實例

　　感測器網路應用在生態與環境的研究上雖然尚在起步階段，但其潛力卻隨著無線網路技術的發展而大增，主要是感測器網路擴展了傳統資源管理的能力，尤其在資料收集與獲取上更突破以往無法達到的優勢。因此，應用感測器網路將對研究人員在資料蒐集上產生巨大的影響，而許多受限傳統研究方式而無法進行研究或觀測的現象，也透過感測器網路以查覺或發掘出來，例如：

(一) 大尺度空間的密集取樣：如多層集水區、湖泊系統、原始老齡林林分，即使有大量人力恐怕也難以進行密集取樣而在短期內獲得資料。

(二) 不易觀察的生物或現象：如隱密、夜行的動物，或外來入侵生物對環境衝擊的影響。

(三) 特殊或惡劣環境下之觀察：如颱風期間、火山爆發、土石流等可能危及研究人員生命安全之狀況。

(四) 即時能反應現象或事件變化：如土溫到達某一程度時調整取樣頻率；發現到新物種後直接觀察記錄；遠端儀器修理以保持資料完整連續。

(五) 打破野外與實驗室的距離：研究人員或資源管理者可在室內直接操作野外儀器而不必親自到現場，或是研究人員不必返回室內便能獲取所需的資訊，類似行動辦公室的概念，而能進行新物種的鑑定。

　　上述這些能力已有不少應用實例，對研究人員或實務的資源管理者都提供了參考的價值，以下利用監測湖泊代謝的實例來進一步說明感測器網路的應用。

　　台灣湖泊生態學家在實驗室直接讀取海棠颱風登陸後鴛鴦湖的雨量與風向風速的變化，同時比較美國維斯康辛州北溫湖的狀況，以瞭解在不同干擾下湖泊養份循環的模式。

　　水體(如湖泊)扮演無機碳(inorganic carbon)由陸域生態系進入大氣層的通路，以及有機碳礦化過程的主要場所之一，如何監測這種碳的動態過程，湖泊生態研究者利用湖泊初級生產量與湖泊中植物的呼吸作用作為指標，實際上乃收集水體的溶氧量與水溫等資料加以計算。傳統上收集這樣的資料頻度可能是以週為單位，這樣的頻度已相當耗時並需投入大量人力。這樣的工作當改用無線感測器網路以後，監測的頻率可以由一週增加到每天甚至每分鐘內，科學家可以開始探索湖泊的物理、化學與生物現象。探索的問題由一季(如碳如何進入大氣呢？)，到一週(如湖泊代謝作用、如何反應突發的環境變化像颱風或暴雨現象呢？，參見圖1　pdf)，甚至到一小時及一分鐘(如瞬間湖水的溶氧量是如何變化呢？)。

　　這個構想經由美國維斯康辛大學、加州大學聖地亞哥分校與本會林業試驗所、中央研究院、國家高速電腦中心等國內單位合作，在維斯康辛州北溫湖與宜蘭鴛鴦湖實施跨國的合作，具體成果已發表於2005年7月份的BioScience期刊，且該期封面為台灣的鴛鴦湖。實際的架構是把無線電發射器、氣象儀器、溶氧測量儀架、資料接收器與太陽能板架設在浮筒上，把浮筒繫放到湖泊中(圖2　pdf)，利用無線電發送資料到任何可接收的基地站，再用網際網路傳進實驗室的電腦，然後儲存到資料庫以備使用。當所有的湖泊聯結成一個網絡時，跨國的環境變化可以快速監測到。首度由台灣與美國跨國合作成功的湖泊研究模式經驗，快速吸引超過10個國家將陸續加入此計畫，而形成一個全球湖泊生態觀測網(Global Lake Ecological Observatory Network, GLEON)，當所有的湖泊聯結成一個網絡時，跨國的環境變化可以快速監測到。

四、結論

　　從鴛鴦湖的實例，可以發現感測器網路提供了相當的應用潛力，這種潛力具有較高的信賴度且較便宜的資料收集技術，提供即時且避免工作人員涉險的好處，可以延伸生態觀測的時空尺度，以及讓真實的現象具體呈現，讓科學研究得到更充足的證據。本會林業試驗所研究團隊運用生態資訊學所建構的新方法論，除了在北台灣的鴛鴦湖展開跨國合作外，目前也在南部的六龜試驗林之扇平生態科學園區建立無線感測器網路，作為生態系經營所需的資料蒐集平台，重新整合各領域研究，針對植物物候、動物行為、遊客行為、森林微環境等進行生態聲景、生態影像、數位資料自動化蒐集，並依目前國際長期生態網共同使用的生態資訊後設資料語言(Ecological Metadata Language, EML)建立資料倉儲、搜尋、使用、分享、分析、整合等功能的資訊管理系統，並利用科學工作流程(scientific workflow)進行森林生產力與生態系功能模式推導。