本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)和土地管理，具體為基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)是環(huán)境科學(xué)和土地管理領(lǐng)域的關(guān)鍵工具，旨在量化和管理土地資源上的碳儲(chǔ)量，以及優(yōu)化土地使用以支持生態(tài)保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這種系統(tǒng)通過(guò)分析土壤、植被和地形等因素，評(píng)估不同土地利用策略對(duì)碳儲(chǔ)量的影響，并提出土地利用優(yōu)化建議，以增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和提高土地的綜合利用效率。

2、目前，多數(shù)土壤碳匯核算系統(tǒng)依靠遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。這些系統(tǒng)通常集成了土壤類型、植被覆蓋和氣候數(shù)據(jù)來(lái)模擬碳循環(huán)過(guò)程，并利用統(tǒng)計(jì)或模型方法估算區(qū)域碳儲(chǔ)量。優(yōu)化布局則通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型或決策支持工具，考慮生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素，提出土地使用的最佳方案。這些系統(tǒng)在一定程度上支持了環(huán)境管理和政策制定。

3、盡管現(xiàn)有系統(tǒng)在功能上具備一定的基礎(chǔ)，但還存在一些不足，首先，現(xiàn)有土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)依賴于遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入，這些數(shù)據(jù)來(lái)源包括衛(wèi)星圖像、地面監(jiān)測(cè)站等。雖然這些技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面極為有用，但它們經(jīng)常面臨云層遮擋、儀器故障或數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等原因造成的數(shù)據(jù)丟失。此外，傳統(tǒng)的土地利用優(yōu)化通常關(guān)注單一或少數(shù)幾個(gè)目標(biāo)，如最大化經(jīng)濟(jì)收益或最小化環(huán)境影響，而忽視了碳儲(chǔ)量、生物多樣性和水資源等其他重要目標(biāo)的綜合管理。這種方法在處理復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)交互時(shí)顯示出明顯的局限性，最后，現(xiàn)有系統(tǒng)的用戶界面和數(shù)據(jù)可視化功能通常不足，未能提供足夠的交互性和直觀性，這降低了用戶的體驗(yàn)和決策支持的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，本發(fā)明通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具提高數(shù)據(jù)完整性與準(zhǔn)確性，解決現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)據(jù)丟失與誤差問(wèn)題。采用多目標(biāo)優(yōu)化模型綜合考慮碳儲(chǔ)量、生物多樣性等因素，優(yōu)化土地使用決策。現(xiàn)代化的用戶界面與數(shù)據(jù)可視化技術(shù)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)與交互性，提升決策效率。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，包括：

3、數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過(guò)激光雷達(dá)設(shè)備和高光譜相機(jī)獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)；

4、數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正、幾何校正和數(shù)據(jù)融合處理；

5、數(shù)據(jù)分析模塊，用于通過(guò)地理信息系統(tǒng)軟件和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算和分析；

6、優(yōu)化布局模塊，用于基于碳儲(chǔ)量分析結(jié)果進(jìn)行土地利用優(yōu)化布局；

7、可視化展示模塊，用于通過(guò)交互式界面展示碳匯核算結(jié)果和優(yōu)化布局方案；

8、數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K，用于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

9、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括：

10、激光雷達(dá)設(shè)備，用于獲取地形和植被結(jié)構(gòu)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

11、高光譜相機(jī)，用于獲取植被健康狀況和生化屬性的光譜數(shù)據(jù)；

12、無(wú)人機(jī)平臺(tái)，用于搭載激光雷達(dá)設(shè)備和高光譜相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

13、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括：

14、用于去噪和分類激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的工具，所述工具為lastools；

15、用于生成數(shù)字高程模型和數(shù)字表面模型的處理工具，所述工具為arcgis；

16、用于對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正和幾何校正的軟件，所述軟件為環(huán)境可視化圖像分析軟件。

17、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)分析模塊包括：

18、基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的碳儲(chǔ)量估算模型，所述模型通過(guò)輸入地形、植被結(jié)構(gòu)和健康狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè)；

19、用于生成碳儲(chǔ)量報(bào)告的工具，所述報(bào)告包含碳儲(chǔ)量的圖表和地圖表示。

20、優(yōu)選的，所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法為隨機(jī)森林模型，隨機(jī)森林模型的公式為：

21、

22、其中，為預(yù)測(cè)值，n為樹的數(shù)量，ti(x)為第i棵樹的預(yù)測(cè)值。

23、優(yōu)選的，所述優(yōu)化布局模塊包括：

24、基于多目標(biāo)優(yōu)化模型的土地利用規(guī)劃工具，所述模型包括碳儲(chǔ)量、水資源、生物多樣性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)目標(biāo)函數(shù)；

25、用于生成優(yōu)化布局方案的工具，所述方案平衡各種土地使用需求，最大化生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益。

26、優(yōu)選的，多目標(biāo)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)公式為：

27、

28、其中，z為目標(biāo)函數(shù)，wi為目標(biāo)菂權(quán)重，oi為目標(biāo)的值。

29、優(yōu)選的，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件為：

30、

31、其中，aj為第j種土地利用類型的面積，atotal為總土地面積。

32、優(yōu)選的，所述可視化展示模塊包括：

33、基于html5、css3和javascript開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)前端，使用react.js以及vue.js框架；

34、基于node.js和express框架開發(fā)的后端應(yīng)用程序接口，使用postgresql數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)；

35、使用d3.js進(jìn)行圖表可視化，使用leaflet和mapbox進(jìn)行地圖可視化。

36、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K包括：

37、數(shù)據(jù)完整性檢查工具，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的丟失和錯(cuò)誤；

38、數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)工具，用于確保不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)在空間和時(shí)間上的一致性；

39、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證工具，用于通過(guò)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證遙感數(shù)據(jù)的精度。

40、本發(fā)明提供了基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)。具備以下有益效果：

41、1、本發(fā)明通過(guò)整合高級(jí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具，如數(shù)據(jù)完整性檢查、一致性校驗(yàn)和準(zhǔn)確性驗(yàn)證，本系統(tǒng)顯著提高了遙感和地面數(shù)據(jù)處理的精度，確保了數(shù)據(jù)在分析前的質(zhì)量，從而提高了模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和決策的科學(xué)性，減少了數(shù)據(jù)誤差帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

42、2、本發(fā)明通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化模型，系統(tǒng)平衡了碳儲(chǔ)量、水資源保護(hù)、生物多樣性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)目標(biāo)，不僅提高了土地資源的使用效率，還促進(jìn)了生態(tài)保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

43、3、本發(fā)明通過(guò)采用html5、css3、javascript以及d3.js，leaflet和mapbox，提供了直觀且交互式的用戶界面，從而使得復(fù)雜的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果更易于理解和接受，增強(qiáng)了用戶的參與度和決策過(guò)程的透明度。

技術(shù)特征：

1.基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)分析模塊包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)器學(xué)習(xí)算法為隨機(jī)森林模型，隨機(jī)森林模型的公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化布局模塊包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，多目標(biāo)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)公式為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束條件為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述可視化展示模塊包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于gis分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)和土地管理技術(shù)領(lǐng)域，公開了基于GIS分析的土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)采集模塊，用于通過(guò)激光雷達(dá)設(shè)備和高光譜相機(jī)獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)所述遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正、幾何校正和數(shù)據(jù)融合處理；數(shù)據(jù)分析模塊，用于通過(guò)地理信息系統(tǒng)軟件和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算和分析；優(yōu)化布局模塊，用于基于碳儲(chǔ)量分析結(jié)果進(jìn)行土地利用優(yōu)化布局；可視化展示模塊，用于通過(guò)交互式界面展示碳匯核算結(jié)果和優(yōu)化布局方案。本發(fā)明通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)校驗(yàn)提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，多目標(biāo)優(yōu)化模型綜合考量多因素以優(yōu)化土地使用，現(xiàn)代用戶界面和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)提升決策效率。

技術(shù)研發(fā)人員：王元波,劉磊,于壯,何偉,邵明,劉紅梅,岳雙彥,呂興軍,張繼凱,崔亮亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心（山東省地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)指導(dǎo)中心、山東省土地儲(chǔ)備中心）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6