基于GIS分析的土壤碳汇核算及优化布局系统的制作方法

本发明涉及环境科学和土地管理，具体为基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统。

背景技术：

1、土壤碳汇核算及优化布局系统是环境科学和土地管理领域的关键工具，旨在量化和管理土地资源上的碳储量，以及优化土地使用以支持生态保护和社会经济发展。这种系统通过分析土壤、植被和地形等因素，评估不同土地利用策略对碳储量的影响，并提出土地利用优化建议，以增强生态系统服务和提高土地的综合利用效率。

2、目前，多数土壤碳汇核算系统依靠遥感技术和地理信息系统进行数据收集和分析。这些系统通常集成了土壤类型、植被覆盖和气候数据来模拟碳循环过程，并利用统计或模型方法估算区域碳储量。优化布局则通过简单的数学模型或决策支持工具，考虑生态、经济和社会因素，提出土地使用的最佳方案。这些系统在一定程度上支持了环境管理和政策制定。

3、尽管现有系统在功能上具备一定的基础，但还存在一些不足，首先，现有土壤碳汇核算及优化布局系统依赖于遥感技术和地理信息系统的数据输入，这些数据来源包括卫星图像、地面监测站等。虽然这些技术在数据采集方面极为有用，但它们经常面临云层遮挡、仪器故障或数据传输错误等原因造成的数据丢失。此外，传统的土地利用优化通常关注单一或少数几个目标，如最大化经济收益或最小化环境影响，而忽视了碳储量、生物多样性和水资源等其他重要目标的综合管理。这种方法在处理复杂的生态系统和社会经济系统交互时显示出明显的局限性，最后，现有系统的用户界面和数据可视化功能通常不足，未能提供足够的交互性和直观性，这降低了用户的体验和决策支持的效率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，本发明通过高级数据校验工具提高数据完整性与准确性，解决现有技术中的数据丢失与误差问题。采用多目标优化模型综合考虑碳储量、生物多样性等因素，优化土地使用决策。现代化的用户界面与数据可视化技术增强用户体验与交互性，提升决策效率。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，包括：

3、数据采集模块，用于通过激光雷达设备和高光谱相机获取高分辨率遥感数据；

4、数据处理模块，用于对所述遥感数据进行辐射校正、大气校正、几何校正和数据融合处理；

5、数据分析模块，用于通过地理信息系统软件和机器学习算法对处理后的数据进行碳储量估算和分析；

6、优化布局模块，用于基于碳储量分析结果进行土地利用优化布局；

7、可视化展示模块，用于通过交互式界面展示碳汇核算结果和优化布局方案；

8、数据校验模块，用于对采集的数据进行质量控制，确保数据的准确性和一致性。

9、优选的，所述数据采集模块包括：

10、激光雷达设备，用于获取地形和植被结构的点云数据；

11、高光谱相机，用于获取植被健康状况和生化属性的光谱数据；

12、无人机平台，用于搭载激光雷达设备和高光谱相机进行数据采集。

13、优选的，所述数据处理模块包括：

14、用于去噪和分类激光雷达点云数据的工具，所述工具为lastools；

15、用于生成数字高程模型和数字表面模型的处理工具，所述工具为arcgis；

16、用于对高光谱数据进行辐射校正、大气校正和几何校正的软件，所述软件为环境可视化图像分析软件。

17、优选的，所述数据分析模块包括：

18、基于机器学习算法的碳储量估算模型，所述模型通过输入地形、植被结构和健康状况数据进行训练和预测；

19、用于生成碳储量报告的工具，所述报告包含碳储量的图表和地图表示。

20、优选的，所述机器学习算法为随机森林模型，随机森林模型的公式为：

21、

22、其中，为预测值，n为树的数量，ti(x)为第i棵树的预测值。

23、优选的，所述优化布局模块包括：

24、基于多目标优化模型的土地利用规划工具，所述模型包括碳储量、水资源、生物多样性和社会经济效益等多个目标函数；

25、用于生成优化布局方案的工具，所述方案平衡各种土地使用需求，最大化生态和社会经济利益。

26、优选的，多目标优化模型的目标函数公式为：

27、

28、其中，z为目标函数，wi为目标菂权重，oi为目标的值。

29、优选的，所述多目标优化模型的约束条件为：

30、

31、其中，aj为第j种土地利用类型的面积，atotal为总土地面积。

32、优选的，所述可视化展示模块包括：

33、基于html5、css3和javascript开发的网络前端，使用react.js以及vue.js框架；

34、基于node.js和express框架开发的后端应用程序接口，使用postgresql数据库存储空间数据；

35、使用d3.js进行图表可视化，使用leaflet和mapbox进行地图可视化。

36、优选的，所述数据校验模块包括：

37、数据完整性检查工具，用于检测数据采集过程中的丢失和错误；

38、数据一致性校验工具，用于确保不同数据源的数据在空间和时间上的一致性；

39、数据准确性验证工具，用于通过与地面实测数据对比验证遥感数据的精度。

40、本发明提供了基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统。具备以下有益效果：

41、1、本发明通过整合高级数据校验工具，如数据完整性检查、一致性校验和准确性验证，本系统显著提高了遥感和地面数据处理的精度，确保了数据在分析前的质量，从而提高了模型预测的准确性和决策的科学性，减少了数据误差带来的风险。

42、2、本发明通过多目标优化模型，系统平衡了碳储量、水资源保护、生物多样性和社会经济效益等多个目标，不仅提高了土地资源的使用效率，还促进了生态保护和社会经济的可持续发展。

43、3、本发明通过采用html5、css3、javascript以及d3.js，leaflet和mapbox，提供了直观且交互式的用户界面，从而使得复杂的数据和分析结果更易于理解和接受，增强了用户的参与度和决策过程的透明度。

技术特征：

1.基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

3.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：

4.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述数据分析模块包括：

5.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述机器学习算法为随机森林模型，随机森林模型的公式为：

6.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述优化布局模块包括：

7.根据权利要求6所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，多目标优化模型的目标函数公式为：

8.根据权利要求7所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述多目标优化模型的约束条件为：

9.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述可视化展示模块包括：

10.根据权利要求1所述的基于gis分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，其特征在于，所述数据校验模块包括：

技术总结本发明涉及环境科学和土地管理技术领域，公开了基于GIS分析的土壤碳汇核算及优化布局系统，包括：数据采集模块，用于通过激光雷达设备和高光谱相机获取高分辨率遥感数据；数据处理模块，用于对所述遥感数据进行辐射校正、大气校正、几何校正和数据融合处理；数据分析模块，用于通过地理信息系统软件和机器学习算法对处理后的数据进行碳储量估算和分析；优化布局模块，用于基于碳储量分析结果进行土地利用优化布局；可视化展示模块，用于通过交互式界面展示碳汇核算结果和优化布局方案。本发明通过高级数据校验提高数据准确性，多目标优化模型综合考量多因素以优化土地使用，现代用户界面和数据可视化技术提升决策效率。技术研发人员：王元波,刘磊,于壮,何伟,邵明,刘红梅,岳双彦,吕兴军,张继凯,崔亮亮受保护的技术使用者：山东省国土空间生态修复中心（山东省地质灾害防治技术指导中心、山东省土地储备中心）技术研发日：技术公布日：2025/1/6