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地学研究具有多空间尺度和多时间尺度的特征，任何单一学科、研究机构和研究团队都无法满足现代地学的发展需要，必须开展跨学科、跨区域、甚至是全球性合作研究。因此，将多个野外观测实验台站按照统一规范开展的跨学科、跨区域的联网监测、试验和研究的方式，可以揭示出更具普遍性的规律，解决地学研究领域中更复杂的问题。自20世纪80年代以来，一些国家和国际组织逐渐建立起来了地区、国家甚至全球尺度的观测、监测和数据共享网络，并基于这些网络组织地学科学家进行联合研究，为发展大尺度的地球联合观测奠定了良好的基础。
寒旱区野外台站观测经过多年的发展，已建立起覆盖我国寒旱区主要生态、环境区的野外监测网络体系。该野外监测网络体系通过观测、试验、示范，为寒区旱区科学研究提供了重要的科学依据，已成为寒旱区科学研究中不可或缺、不可替代的研究力量和支撑平台。但寒旱区野外台站地处高寒、干旱区域的恶劣自然环境，导致信息获取能力滞后，严重制约了寒旱区域地学研究。
因此，本文拟实现寒旱区野外监测仪器组网，全面提升寒旱区野外观测数据的自动化水平与数据的实时性和数据质量;为寒区旱区野外观测台站构建一体化的科学数据采集、传输、集成、保存、管理和共享研究平台;基于数据共享平台，构建一个能够根据某一科学研究目标建立的寒旱区虚拟同步联合观测系统，从而获得具有针对性的、跨区域和跨学科的地学观测数据集;基于寒旱区虚拟联合观测系统实现跨学科、跨部门、跨区域的寒旱区冰川、冻土、沙漠、大气、水文、生态、环境等方面多学科联合观测研究。
本文中所研究的寒旱区地学e-Science虚拟联合观测系统主要内容包括以下几个方面:
1.构建寒旱区地学e-Science虚拟联合观测系统框架:经过对中科院寒旱所16个野外台站的监测现状调研，提出并设计了分为观测仪器组网层、网络传输层、数据汇聚层和系统应用层的虚拟联合观测系统。
2.基于XML语言观测数据元数据描述和集成:基于传感器建模语言(Sensor ML)描述野外观测点中的各类传感器及其相关属性;基于Observationsand Measurements Schema(O&M)标准模型描述传感器观测或者测量结果;利用XML自定义描述虚拟联合观测系统。建立了从传感器、观测数据到虚拟联合观测系统的基于XML的元数据库，从而简化了各种异构数据接口复杂度，实现对异构数据的统一访问。
3.基于混合网络技术组建观测数据传输网络:基于寒旱区已建立的冰川、冻土、沙漠、大气、生态、环境、水文等要素监测系统，论述了根据野外环境监测系统的特点、网络环境及传输成本等因素，设计适于各野外监测系统的数据传输网络，为用户提供数据传输网络设计完整的、实用的整体技术选择方案。
4.设计观测仪器组网节点:经过对观测仪器组网分析，将节点划分为仪器组网节点和网关节点，论述了节点软硬件设计。所设计的节点具有体积小、功耗低等特点，可实现寒旱区野外观测数据的收集、传输以及观测仪器组网任务。
5.设计适合观测仪器组网的路由协议:基于无线传感器网络的分簇路由协议LEACH协议设计了一种划分区域、分布式、自组织、簇头备份的观测仪器组网协议LEACH-ABC(Clustering Protocol of sub-Area and Backup Cluster-head)。
6.寒旱区地学e-Science虚拟联合观测系统原型构建及应用示范:基于C/S模式结合B/S模式的混合架构研发设计了虚拟联合观测系统原型，基于该原型构建了虚拟同步联合观测系统的应用实例，并讨论了青藏高原冻土变化过程观测数据可视化方法。