一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统的制作方法

本发明涉及环境监测，尤其是涉及一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统。

背景技术：

1、随着矿产资源的不断开发，矿区生态保护问题相应而生，矿区生态监测是土地复垦与生态重建的重要组成部分，由于矿区生态监测的信息源多、量大，监测时间长，覆盖范围广，评价指标多，计算模型复杂；并且传统的生态监测由于受到客观条件的限制，地面采样获取实测数据的密度一般较小，时间间隔长，采集的数据通常为点位数据，缺乏时空上的连续性和一致性，所监测的信息无法体现大范围生态环境的总体分布状况。

2、传统的生态监测系统已经不能满足现代生态保护与重建的要求，因此，亟需一种动态监测脆弱的矿区生态环境变化的系统，以解决上述问题，提高监测有效性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，可动检监测矿区生态环境，实现矿区生态实时、动态、快速监测与评价。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，包括数据采集模块、数据查询与处理模块、无线通信模块和生态状况监测与评价模块，所述数据采集模块用于采集矿区环境中的生态因子信息；所述数据查询与处理模块用于生态因子信息数据的交互查询、编辑和预处理操作；

3、所述无线通信模块用于数据的传输和通信，所述生态状况监测与评价模块用于生态因子信息提取、生态系统结构和功能监测、以及生态系统综合评价。

4、优选的，所述数据采集模块是基于远程数据采集平台的通信模块，包括遥感卫星、多传感器组和控制器，所述数据采集模块中采用单片机作为控制器和信息处理器，利用所述多传感器组和遥感卫星将采集到的生态因子信息数据传递给单片机；

5、所述单片机将得到的信息发送至所述数据查询与处理模块进行预处理，通过所述无线通信模块将预处理后的数据传输至所述生态状况监测与评价模块。

6、优选的，通过所述遥感卫星和多传感器组采集的生态因子信息包括光学生态因子、热红外生态因子、雷达生态因子、高度生态因子、多极化生态因子和时间序列生态因子；

7、所述光学生态因子包括植被指数、叶绿素含量和叶面积指数；

8、所述热红外生态因子包括地表温度和热惯性；

9、所述雷达生态因子包括散射系数、背散射系数；

10、所述高度生态因子包括坡度和坡向；

11、所述多极化生态因子包括不同的极化波段；

12、所述时间序列生态因子通过时序遥感影像，提取植被生长、地表化动态信息。

13、优选的，采用归一化差分植被指数，并利用遥感影像中不同波段的反射率差异来提取植被信息，其中，归一化差分植被指数ndvi表达式如下：

14、ndvi＝(nir-r)/(nir+r)

15、其中，nir为近红外波段的反射值，r为红光波段的反射值，此公式的值介于-1至+1之间，如果红光波段的反射值r较低，而近红外波段的反射值nir较高，则将产生较高的ndvi值，反之亦然；

16、选择地表温度反演法中的温度差异法获得地表温度：温度差异法获得地表温度包括：

17、辐射入射量计算公式：

18、r＝rs*(1-α)

19、其中，r代表辐射入射量，rs代表太阳辐射强度，α代表地面反射率，此公式用于表征辐射入射量与太阳辐射强度和地面反射率之间的关系；

20、太阳直射角公式：

21、

22、其中，θ代表太阳直射角，代表地理纬度，δ代表太阳赤纬，h代表当地时角，此公式用于表征太阳直射角与地理纬度、太阳赤纬和当地时角之间的关系；

23、温度衰减计算公式：

24、t＝t0-α*h

25、其中，t代表气温，t0代表地表温度，α代表温度衰减率，h代表海拔高度，此公式用于表征气温与地表温度、温度衰减率和海拔高度之间的关系；

26、气温变化计算公式：

27、t＝t0+r-α*h

28、其中，t代表气温，t0代表地表温度，r代表辐射入射量，α代表温度衰减率，h代表海拔高度，此公式用于表征气温与地表温度、辐射入射量、温度衰减率和海拔高度之间的关系；

29、散射系数是表示大气中空气分子对太阳光的散射影响的重要参数，其计算公式为：

30、β＝(4π/λ)×n×θ

31、其中，β为大气的容积散射系数，单位为m；λ为太阳光的波长，单位为nm；n为空气中分子数密度，单位为m，θ为空气分子的散射截面，单位为m。

32、优选的，通过数字高程模型dem提取坡度和坡向地形因子，以反映矿区地形特征、地貌演化和土地利用分布情况，具体包括以下步骤：

33、sa1、数据准备

34、获取高分辨率的地形dem数据，选择使用lidar数据获取dem数据；

35、进行数据预处理，包拟合dem数据，去除噪声和突出值；

36、sa2、坡度计算

37、在dem上采样，计算每个像元上的坡度；

38、坡度计算通过以下公式进行计算：

39、slope(i,j)＝arctan(sqrt((dz/dx)^2+(dz/dy)^2

40、其中，slope(i,j)代表坡度，dz/dx代表dem在x方向的梯度，dz/dy代表dem在y方向的梯度；

41、sa3、坡向计算

42、在dem上采样，计算每个像元上的坡向；

43、坡向计算通过以下公式进行计算：

44、aspect(i,j)＝arctan(dz/dx/dz/dy)

45、其中，aspect(i,j)代表坡向，dz/dx代表dem在x方向的梯度，dz/dy代表dem在y方向的梯度。

46、优选的，所述预处理操作包括几何校正、大气校正和去噪，所述几何校正操作用于消除遥感影像中由于传感器畸变、地球曲率和地形起伏造成的几何误差；

47、所述大气校正用于消除大气散射、吸收和反射对遥感影像的影响，恢复地表反射率或辐射亮度；

48、所述去噪操作用于消除遥感影像中存在的噪声包括云遮挡、条纹噪声和热噪声。

49、优选的，所述生态因子信息提取包括植被指数、植被覆盖度、土壤侵蚀和土地损毁，所述生态系统结构和功能监测包括土地覆盖、景观格局、npp和碳汇，所述生态系统综合评价包括生态资产测量、荒漠化监测和生态综合评价。

50、优选的，所述生态状况监测与评价模块包括生态状况监测数据集共享单元、生态状况监测大数据单元和生态状况监测信息统一发布单元，所述生态状况监测数据集共享单元用于建立生态因子动态监测、生态系统结构和功能监测和生态系统综合评价数据集共享机制；

51、所述生态环境监测大数据单元用于构建生态状况监测大数据平台，并进行生态资产测量、荒漠化监测和生态综合评价，为生态环境保护决策、管理和执法提供数据支持；

52、所述生态环境监测信息统一发布单元用于建立统一的生态状况监测信息发布机制，根据发布内容、流程、权限和渠道及时准确发布环境质量、重点污染源及生态状况监测信息。

53、优选的，还包括应急与指挥调度模块，所述应急与指挥调度模块用于生态环境预防性管理和应急救援指导，包括调度中心、视频会议系统和高清led显示器，用于现场信息交互、决策辅助和信息发布。

54、因此，本发明采用上述一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，有益效果如下：

55、本发明与现有技术相比，本发明可以提供大区域宏观、多生态因子动态的快速监测，且多时期监测结果的可比性强；利用数据采集、地表温度反演等方法得到矿区生态监测与评价所需的数据，可以实现生态环境数据的交互查询、编辑与显示，为矿区稳定运提供技术支撑。

56、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据查询与处理模块、无线通信模块和生态状况监测与评价模块，所述数据采集模块用于采集矿区环境中的生态因子信息；所述数据查询与处理模块用于生态因子信息数据的交互查询、编辑和预处理操作；

2.根据权利要求1所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：所述数据采集模块是基于远程数据采集平台的通信模块，包括遥感卫星、多传感器组和控制器，所述数据采集模块中采用单片机作为控制器和信息处理器，利用所述多传感器组和遥感卫星将采集到的生态因子信息数据传递给单片机；

3.根据权利要求2所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：通过所述遥感卫星和多传感器组采集的生态因子信息包括光学生态因子、热红外生态因子、雷达生态因子、高度生态因子、多极化生态因子和时间序列生态因子；

4.根据权利要求3所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：采用归一化差分植被指数，并利用遥感影像中不同波段的反射率差异来提取植被信息，其中，归一化差分植被指数ndvi表达式如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：通过数字高程模型dem提取坡度和坡向地形因子，以反映矿区地形特征、地貌演化和土地利用分布情况，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：所述预处理操作包括几何校正、大气校正和去噪，所述几何校正操作用于消除遥感影像中由于传感器畸变、地球曲率和地形起伏造成的几何误差；

7.根据权利要求6所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：所述生态因子信息提取包括植被指数、植被覆盖度、土壤侵蚀和土地损毁，所述生态系统结构和功能监测包括土地覆盖、景观格局、npp和碳汇，所述生态系统综合评价包括生态资产测量、荒漠化监测和生态综合评价。

8.根据权利要求7所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：所述生态状况监测与评价模块包括生态状况监测数据集共享单元、生态状况监测大数据单元和生态状况监测信息统一发布单元，所述生态状况监测数据集共享单元用于建立生态因子动态监测、生态系统结构和功能监测和生态系统综合评价数据集共享机制；

9.根据权利要求8所述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，其特征在于：还包括应急与指挥调度模块，所述应急与指挥调度模块用于生态环境预防性管理和应急救援指导，包括调度中心、视频会议系统和高清led显示器，用于现场信息交互、决策辅助和信息发布。

技术总结
本发明公开了一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，包括数据采集模块、数据查询与处理模块、无线通信模块和生态状况监测与评价模块，所述数据采集模块用于采集矿区环境中的生态因子信息；所述数据查询与处理模块用于生态因子信息数据的交互查询、编辑和预处理操作，所述无线通信模块用于数据的传输和通信，所述生态状况监测与评价模块用于生态因子信息提取、生态系统结构和功能监测、以及生态系统综合评价。本发明采用上述的一种基于多生态因子的矿区生态环境综合监测系统，可以提供大区域宏观，快速的动态监测结果，实现矿区生态实时、动态、快速监测与评价。

技术研发人员：刘薇,程洋,刘凯
受保护的技术使用者：国能神东煤炭集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5