本發(fā)明涉及環(huán)境科學和土地管理，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：

1、土壤碳匯核算及優(yōu)化布局系統(tǒng)是環(huán)境科學和土地管理領域的關鍵工具，旨在量化和管理土地資源上的碳儲量，以及優(yōu)化土地使用以支持生態(tài)保護和社會經濟發(fā)展。這種系統(tǒng)通過分析土壤、植被和地形等因素，評估不同土地利用策略對碳儲量的影響，并提出土地利用優(yōu)化建議，以增強生態(tài)系統(tǒng)服務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)依靠遙感技術和地理信息系統(tǒng)進行數(shù)據收集和分析。這些系統(tǒng)通常集成了土壤類型、植被覆蓋和氣候數(shù)據來模擬碳循環(huán)過程，并利用統(tǒng)計或模型方法估算區(qū)域碳儲量。優(yōu)化布局則通過簡單的數(shù)學模型或決策支持工具，考慮生態(tài)、經濟和社會因素，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，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)依賴于遙感技術和地理信息系統(tǒng)的數(shù)據輸入，這些數(shù)據來源包括衛(wèi)星圖像、地面監(jiān)測站等。雖然這些技術在數(shù)據采集方面極為有用，但它們經常面臨云層遮擋、儀器故障或數(shù)據傳輸錯誤等原因造成的數(shù)據丟失。此外，傳統(tǒng)的土地利用優(yōu)化通常關注單一或少數(shù)幾個目標，如最大化經濟收益或最小化環(huán)境影響，而忽視了碳儲量、生物多樣性和水資源等其他重要目標的綜合管理。這種方法在處理復雜的生態(tài)系統(tǒng)和社會經濟系統(tǒng)交互時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和決策支持的效率。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，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)明通過高級數(shù)據校驗工具提高數(shù)據完整性與準確性，解決現(xiàn)有技術中的數(shù)據丟失與誤差問題。采用多目標優(yōu)化模型綜合考慮碳儲量、生物多樣性等因素，優(yōu)化土地使用決策?，F(xiàn)代化的用戶界面與數(shù)據可視化技術增強用戶體驗與交互性，提升決策效率。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(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)據采集模塊，用于通過激光雷達設備和高光譜相機獲取高分辨率遙感數(shù)據；

4、數(shù)據處理模塊，用于對所述遙感數(shù)據進行輻射校正、大氣校正、幾何校正和數(shù)據融合處理；

5、數(shù)據分析模塊，用于通過地理信息系統(tǒng)軟件和機器學習算法對處理后的數(shù)據進行碳儲量估算和分析；

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

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

8、數(shù)據校驗模塊，用于對采集的數(shù)據進行質量控制，確保數(shù)據的準確性和一致性。

9、優(yōu)選的，所述數(shù)據采集模塊包括：

10、激光雷達設備，用于獲取地形和植被結構的點云數(shù)據；

11、高光譜相機，用于獲取植被健康狀況和生化屬性的光譜數(shù)據；

12、無人機平臺，用于搭載激光雷達設備和高光譜相機進行數(shù)據采集。

13、優(yōu)選的，所述數(shù)據處理模塊包括：

14、用于去噪和分類激光雷達點云數(shù)據的工具，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、用于對高光譜數(shù)據進行輻射校正、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)據分析模塊包括：

18、基于機器學習算法的碳儲量估算模型，所述模型通過輸入地形、植被結構和健康狀況數(shù)據進行訓練和預測；

19、用于生成碳儲量報告的工具，所述報告包含碳儲量的圖表和地圖表示。

20、優(yōu)選的，所述機器學習算法為隨機森林模型，隨機森林模型的公式為：

21、

22、其中，為預測值，n為樹的數(shù)量，ti(x)為第i棵樹的預測值。

23、優(yōu)選的，所述優(yōu)化布局模塊包括：

24、基于多目標優(yōu)化模型的土地利用規(guī)劃工具，所述模型包括碳儲量、水資源、生物多樣性和社會經濟效益等多個目標函數(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)和社會經濟利益。

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

27、

28、其中，z為目標函數(shù)，wi為目標菂權重，oi為目標的值。

29、優(yōu)選的，所述多目標優(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)的網絡前端，使用react.js以及vue.js框架；

34、基于node.js和express框架開發(fā)的后端應用程序接口，使用postgresql數(shù)據庫存儲空間數(shù)據；

35、使用d3.js進行圖表可視化，使用leaflet和mapbox進行地圖可視化。

36、優(yōu)選的，所述數(shù)據校驗模塊包括：

37、數(shù)據完整性檢查工具，用于檢測數(shù)據采集過程中的丟失和錯誤；

38、數(shù)據一致性校驗工具，用于確保不同數(shù)據源的數(shù)據在空間和時間上的一致性；

39、數(shù)據準確性驗證工具，用于通過與地面實測數(shù)據對比驗證遙感數(shù)據的精度。

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)明通過整合高級數(shù)據校驗工具，如數(shù)據完整性檢查、一致性校驗和準確性驗證，本系統(tǒng)顯著提高了遙感和地面數(shù)據處理的精度，確保了數(shù)據在分析前的質量，從而提高了模型預測的準確性和決策的科學性，減少了數(shù)據誤差帶來的風險。

42、2、本發(fā)明通過多目標優(yōu)化模型，系統(tǒng)平衡了碳儲量、水資源保護、生物多樣性和社會經濟效益等多個目標，不僅提高了土地資源的使用效率，還促進了生態(tài)保護和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。

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

技術特征：

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.根據權利要求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)據采集模塊包括：

3.根據權利要求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)據處理模塊包括：

4.根據權利要求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)據分析模塊包括：

5.根據權利要求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，所述機器學習算法為隨機森林模型，隨機森林模型的公式為：

6.根據權利要求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.根據權利要求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，多目標優(yōu)化模型的目標函數(shù)公式為：

8.根據權利要求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，所述多目標優(yōu)化模型的約束條件為：

9.根據權利要求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.根據權利要求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)據校驗模塊包括：

技術總結
本發(fā)明涉及環(huán)境科學和土地管理技術領域，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)據采集模塊，用于通過激光雷達設備和高光譜相機獲取高分辨率遙感數(shù)據；數(shù)據處理模塊，用于對所述遙感數(shù)據進行輻射校正、大氣校正、幾何校正和數(shù)據融合處理；數(shù)據分析模塊，用于通過地理信息系統(tǒng)軟件和機器學習算法對處理后的數(shù)據進行碳儲量估算和分析；優(yōu)化布局模塊，用于基于碳儲量分析結果進行土地利用優(yōu)化布局；可視化展示模塊，用于通過交互式界面展示碳匯核算結果和優(yōu)化布局方案。本發(fā)明通過高級數(shù)據校驗提高數(shù)據準確性，多目標優(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)據可視化技術提升決策效率。

技術研發(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
受保護的技術使用者：山東省國土空間生態(tài)修復中心（山東省地質災害防治技術指導中心、山東省土地儲備中心）
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6