CN104123453A - 一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法，其特征在于，包括一定位探测装置与一分析计算装置；所述定位探测装置包括一中心定位装置与若干四周定位装置，所述中心定位装置能够接受所述分析计算装置的指令进行定位，所述四周定位装置能够与所述中心定位装置通信，进行定位，所述中心定位装置与所述四周定位装置配合，将待测区域大样方，分割成若干小样方。解决了过往确定最小调查面积必须人工测量、人工计算或者参照经验值的问题，节省了人力和物力；系统设置有多个处理模块，大大提高了计算的精度；设置有最小调查面积的修正步骤，可以减少由于特异区域所引起的测量值偏差，提高了精度。

Description

一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法

技术领域

本发明涉及环境探测领域，尤其是一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法。 

背景技术

野外植被调查是研究某一区域植物群落特征的基础工作。但在多数情况下，研究者很难对所研究区域的植物进行全面调查，所以需确定适当大小的调查面积，这样既能最大限度地保证调查的全面性，又能节约成本。最小面积是最小的能表现群落全部特点的面积，在确定植被调查面积时被广泛应用。河岸带作为陆地和水体之间的生态交错带，具有独特的植物物种组成和生物多样性特征，确定河岸带不同群落类型的最小调查面积同样对研究河岸带植被特征具有重要意义，有学者已归纳出陆地上不同群落类型最小面积经验值供后来研究者参考，但是由于目前环境破坏严重，陆地上不同群落类型最小面积随时间变化产生了较大的偏移，前人总结出来的经验值将在不久的未来不再适用。 

最小面积的确定常采用人工测量及计算，这种方法不仅费力，而且费时。 

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法，用以克服上述技术缺陷。 

为实现上述目的，本发明提供一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，包括一定位探测装置与一分析计算装置； 

所述定位探测装置包括一中心定位装置与若干四周定位装置，所述中心定位装置能够接受所述分析计算装置的定位指令并且移动到指定位置；所述四周定位装置能够与所述中心定位装置通信，进行定位；所述中心定位装置与所述四周定位装置配合，将待测区域大样方，分割成若干小样方。 

较佳的，所述中心定位装置包括一移动部、一通信部与一指示部，所述移动部能够使所述中心定位装置移动至指定位置，所述指示部能够在地面形成标记指示待测区域。 

较佳的，所述分析计算装置包括一面积协调单元、一物种协调单元、一曲线拟合单元、一计算单元以及一分析对比单元； 

所述面积协调单元确定大样方及小样方面积； 

所述物种协调单元能够接受人工统计的物种信息，并处理产生物种梯度信息； 

所述曲线拟合单元能够接受所述面积协调单元传送的面积信息与所述物种协调单元传送的物种梯度信息，拟合物种-面积曲线； 

所述计算单元能够获取面积信息与物种梯度信息，确定待测区域物种估计数； 

所述分析对比单元接受物种-面积曲线与待测区域物种估计数，分析生成最小调查面积范围与待选值，并对比确定最小调查面积。 

较佳的，所述分析计算装置还包括一验证单元，所述验证单对于系统确定的最小调查面积进行验证，并在结果过偏时进行修正。 

较佳的，所述计算单元中集成EstimateS软件。 

较佳的，所述分析对比单元中集成SPSS软件。 

一种用于确定河岸草本制备最小调查面积的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

步骤S1，开始测量，面积协调单元向定位探测装置发出指令，中心探测装置定位，四周探测装置与中心探测装置及其他四周探测装置进行通信并定位，所述中心探测装置与所述四周探测装置表示待测区域； 

步骤S2，人工统计标记出的待测区域中物种数，并传送至物种协调单元； 

步骤S3，面积协调单元与物种协调单元分别将待测区域面积信息及物种信息传送至曲线拟合单元，所述曲线拟合单元拟合曲线确定曲线参数a与b，如下式： 

N＝aLn(S)+b 

N＝aS^b

N＝aS/(1+bS) 

其中，其中，N为物种数，S为待测区域面积； 

步骤S4，面积协调单元与物种协调单元分别将待测区域面积信息及物种信息传送至计算单元，所述计算单元确定待测区域物种估计数； 

步骤S5，所述曲线拟合单元将曲线拟合结果与待测区域面积与物种信息、所述计算单元将待测区域物种估计数传送至分析对比单元，所述分析对比单元进行处理，并确定最小调查面积。 

较佳的，所述步骤S5具体为，所述分析对比单元根据待测区域面积与物种信息进行方差分析，确定最小调查面积范围；继而根据拟合曲线与待测区域物种估计数，确定不同的比例系数，从而确定最小调查面积可能数值，所述分析对比单元筛选最接近最小调查面积范围的最小调查面积可能数值作为最小调查面积。 

较佳的，还包括下述步骤： 

步骤S6，所述步骤S5结束后，所述分析对比单元将确定的最小调查面积传送至所述验证单元，所述验证单元判断该最小调查面积是否过偏，若判断结果为是，则转至下述步骤S7，所判断结果为否，则转至下述步骤S8； 

步骤S7，所述验证单元向所述面积协调单元与所述物种协调单元发送指令，控制所述面积协调单元向所述定位探测装置发送信号进行位置修正；控制所述物种协调单元重置准备接收新的物种数信息； 

所述位置修正量由下式确定： 

其中，Δθ为角度偏移量，Δx为x方向偏移量，Δy为y方向偏移量，N_t为所述计算单元给出的估计物种数，S为小样方面积，k为由人工确定的补偿常数，k∈[1,2,3]； 

其中， 

$\begin{array}{c}f=\{\frac{{\mathrm{\ΔP}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{N}\right)}^2},\frac{{\mathrm{\Δp}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{5S}\right)}^2},\\ \frac{\mathrm{\Δ}{p}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{7k}\right)}^2}\}\end{array}$

其中，Δp＝p-0.7，p为所述分析对比单元确定的最小面积所对应的比例系数；N为待测区域大样方内物种统计值； 

其中，对于角度偏移，以首个小样方向南转为正向；对于x方向，以与河流流向同向为正向；对于y方向，以中心定位装置远离河岸方向为正向。 

与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供了一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统及方法，解决了过往确定最小调查面积 必须人工测量、人工计算或者参照经验值的问题，节省了人力和物力；系统设置有多个处理模块，大大提高了计算的精度；设置有最小调查面积的修正步骤，可以减少由于特异区域所引起的测量值偏差，提高了精度。 

附图说明

图1为本发明所述系统实施例一的结构框图； 

图2为本发明所述系统实施例一中定位探测装置的示意图； 

图3为本发明所述方法实施例一的流程图； 

图4为本发明所述系统实施例三的结构框图； 

图5为本发明所述方法实施例三的流程图。 

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 

实施例一 

请参见图1所示，图1为本发明一种用于确定河岸草本制备最小调查面积的系统实施例一的结构框图。 

系统包括一定位探测装置与一分析计算装置，所述定位探测装置用于对河岸附近待测区域进行坐标定位与面积测量，所述分析计算装置对所述定位探测装置探测的数据、以及人工测量的数据进行分析计算，得出河岸草本植被最小面积。 

请参见图2所示，图2为本发明所定位探测装置1示意图。 

所述定位探测装置1包括一中心定位装置与若干四周定位装置。在测量过程中，需要先标记一个中心点，所述中心定位装置11位于所述中心点，以该中心点为顶点，延伸出四个小正方形，四个小正方形面积相同，为一相同的预设值，紧密贴合构成一个大正方形，在大正方形的四个角分别设置有四个四周定位装置12，划分好四个小正方形的大正方形被称为一个样方。 

所述中心定位装置11包括一接收部、一行动部与一指示部。所述接收部可以接收所述分析计算装置传送来的信号；所述行动部可以接收所述接收部得到的信号，并根据该信号带动所述中心定位装置进行位移；所述指示部可以发射激光，在待测草地上面形成明亮的十字形标记，如图2中虚线所示； 

所述四周定位装置12包括一接收部、一行动部、一指示部与一遥测部，所述接收部可以接收所述分析计算装置传送来的信号送至所述行动部，所述遥测部可以探测所述中心定位装置11与其它的四周定位装置12的位置，所述四周定位装置12可以根据所述接收部接收到的信号与所述遥测部探测到的结果，控制所述行动部进行移动，调整自身的位置。 

十字形标记将四个小正方形和一个大正方形的轮廓显示在待测区域上，顺时针标记四个小正方形分别为A1、A2、A3、A4，面积均为S，所述大正方形面积为4S。 

在所述定位探测装置1定位完成并且在待测区域上用激光标记好小正方形与大正方形之后，由人工进行物种统计，从A1开始，查得A1区域内物种数为T1，A2区域新增物种数为T2，A3区域新增物种数为T3，A4区域新增物种数为T4。 

所述分析计算装置2包括一面积协调单元、一物种协调单元22、一曲线拟合单元24，一计算单元25、一分析对比单元26与一比例协调单元27。 

所述面积协调单元21控制所述样方的面积与位置，即发出信号控制所述中心定位装置11与所述四周定位装置12进行移动与定位；进行物种统计的人员将统计到的物种信息传送至所述物种协调单元。 

所述面积协调单元21与所述物种协调单元22还对收集到的数据进行处理；所述曲线拟合单元24可以将梯度数据拟合成种-面积曲线；所述计算单元25内集成EstimateS Win软件，可以利用集成的软件对数据进行估计运算；所述分析对比单元26集成SPSS软件，可以对不同样方面积的物种数进行方差分析，所述比例协调单元27根据所述曲线拟合单元拟合出的种-面积曲线，生成比例系数，经过比较确定最小调查面积。 

实际运作过程如下： 

请参见图3所示，图3为本发明实施例一实际最小调查面积的确定流程。 

步骤S1a，定位探测装置定位，标示待测区域。 

人工将所述中心定位装置11定位，所述面积协调单元21发出一包含面积参数的指令，各所述四周定位装置12接收到指令，与所述中心定位装置11进行通信，确定四周定位装置12的位置，开启所述指示部，在待测区域上形成标记。 

步骤S2a，统计待测区域内物种数。 

人工对各区域的物种进行统计，得到物种数量及增量T1～T4,并将结果返回至所述物种协调单元22，所述面积协调单元21：区域C1，面积S1＝S，与小正方形A1面积相同； 

区域C2，面积S2＝2S； 

区域C3，面积S3＝3S； 

区域C4，面积S4＝4S。 

与所述物种协调单元22进行数据处理： 

区域C1中物种数为N1＝T1； 

区域C2物种数为N2＝T2+N1； 

区域C3物种数为N3＝T3+N2； 

区域C4物种数为N4＝T4+N3。 

步骤S3a，曲线拟合单元，拟合种-面积曲线。 

所述面积协调单元21与所述物种协调单元22将处理后的数据传送至所述曲线拟合单元24，所述曲线拟合单元24根据传送来的数据进行曲线拟合： 

N＝aLn(S)+b      (1) 

N＝aS^b     (2) 

N＝aS/(1+bS)    (3) 

其中，N为物种数，S为待测区域面积。其中，式(1)、式(2)为非饱和曲线，式(3)为饱和曲线。所示曲线拟合单元24确定上述各式中参数a、b的值，以确定拟合的曲线。 

步骤S4a，所述计算单元25接收所述面积协调单元21与所述物种协调单元22送来的信息，对待测区域物种数量进行处理，给出样方中总物种数的估计值N_t，生成多个p值(p1、p2、p3、p4比例系数)，根据拟合出来的曲线，计算出相对于不同比例系数的最小调查面积。在比例系数p1下，分别根据所述式(1)、(2)与(3)确定最小面积S_p11、S_p12与S_p13，并取其平均计算出比例系数p1下的面积平均值Sp1。以此类推确定Sp2、Sp3与Sp4。 

步骤S5a，所述计算单元25将各面积平均值Sp1至Sp4，所述曲线拟合单元24将待测区域的物种数量信息转送至所述分析对比单元26。所述分析对比单元根据物种数量信息，进行方差分析，确定最小面积的范围，并在所述的各面积平均值Sp1至Sp4中，选定最接近的数值，从而确定最小调查面积。 

对于同一河岸的其它样方，重复步骤S1a至S5a。 

实施例二 

实施例二与实施例一相似，为实地测量结果。 

以辽宁省太子河河岸带为研究区域，根据水系分布，布设55个样地，在每个样地设置一个3m×3m大样方，再将其划分为4个1.5m×1.5m的小 样方。样方面积的增加方式是：选取4个小样方中的一个作为起始面积(S1)，统计其物种数(N1)，然后按照顺时针或逆时针方向每次增加一个小样方面积，构成一个面积梯度(S1，S2，S3，S4)。面积梯度与对应的物种数结果如表1所示： 

表1  所有样方内对应相同面积的物种数 

根据表1中面积梯度和对应物种数，拟合种-面积曲线，拟合结果如表2： 

表2  曲线拟合结果 

所述计算单元获取样方面积与物种数量参数，对其采用非参数方法jackknife-1(刀切法，一种明显降低估计结果随机误差标准差的估计方法)估计样方内的总物种数，即N_t，根据拟合出的3个曲线方程，利用计算公式分别计算出不同p值(p1＝60％、p2＝70％、p3＝80％、p4＝90％)的最小面积，结果如表3所示： 

表3  p值不同时最小面积的计算结果 

所述分析对比单元对各小样方面积的物种数进行方差分析，得到：当面积达到6.75m²时，随着面积的增加物种数变化不显著，界定最小调查面积在6.75m²-9m²之间。表3中当p值为90％时的最小调查面积7.46m²与该结果一致，所以确定太子河河岸带草本植被的最小调查面积为7.46m²。 

实施例三 

请参见图4所示，其为本发明所述方法实施例三的结构框图。 

实施例三与实施例一相似，不同之处在于，分析计算装置还包括一验 证单元23，所述验证单元23向上与面积协调单元21、物种协调单元22，向下与分析对比单元26相连。 

所述验证单元23可以接收所述分析对比单元26最终确定的最小调查面积，并检测其是否过偏。若检测过偏，则产生一位置偏移信号，传送至所述面积协调单元21，继而实现对定位探测装置的位置进行调整，后进行二次测量。 

请参见图5所示，图5为实施例三具体实施步骤，步骤S1b至步骤S5b分别与实施例一中所述的步骤S1a至S5a相同，不同之处在于，所述步骤S5b之后还包括： 

步骤S6b，判断最小调查面积是否过偏。 

所述分析对比单元26将最小调查面积送至所述验证单元23进行验证是否过偏，检测过偏的标准为，最小调查面积所对应的比例系数是否小于70％。若检测结果为过偏，则转至下述步骤S7b，所检测结果非过偏，则转至下述步骤S8b。 

步骤S7b，所述分析对比单元26生成位置偏移信号发送至所述面积协调单元21，所述面积协调单元21控制所述中心定位装置11运动，进行重新定位；同时生成物种重置信号至所述物种协调单元22，控制其进行准备接收下一轮物种数信息。 

重新定位的位移偏移量由下式确定，Δθ，Δx，Δy分别为角度偏移量、x方向偏移量与y方向偏移量： 

其中，N_t为所述计算单元25给出的估计物种数，S为小样方面积，k为补偿常数，由人工现场根据待测区域物种丰富程度给出，通常情况， 

k∈[1,2,3]； 

另外， 

$\begin{array}{c}f=\{\frac{{\mathrm{\ΔP}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{N}\right)}^2},\frac{{\mathrm{\Δp}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{5S}\right)}^2},\\ \frac{\mathrm{\Δ}{p}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{7k}\right)}^2}\}\end{array}$

其中，Δp＝p-0.7，p为所述分析对比单元26确定的最小面积所对应的比例系数。 

其中，根据公式确定的Δθ，Δx，Δy取值可能为负，对于角度偏移， 以区域C1向南转为正向；对于x方向，以与河流流向同向为正向；对于y方向，以远离河岸方向为正向。 

因为物种对于向阳与背阴、河流上下游与距离河岸距离有着非常敏感的分布，直接定位容易使装置陷入比较特殊的物种分布区域，通过角度、xy方向的偏移修正，可以在保留区域特殊性的情况下尽量的使最小调查面积趋于准确。 

步骤S8b，确定最小调查面积。 

以上步骤仅对于一个大样方，若希望取多个大样方并且计算平均值，则重复上述步骤。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。 

Claims (9)

1.一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，包括一定位探测装置与一分析计算装置；

所述定位探测装置包括一中心定位装置与若干四周定位装置，所述中心定位装置能够接受所述分析计算装置的定位指令并且移动到指定位置；所述四周定位装置能够与所述中心定位装置通信，进行定位；所述中心定位装置与所述四周定位装置配合，将待测区域大样方分割成若干小样方。

2.如权利要求1所述的用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，所述中心定位装置包括一移动部、一通信部与一指示部，所述移动部能够使所述中心定位装置移动至指定位置，所述指示部能够在地面形成标记指示待测区域。

3.如权利要求1所述的用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，所述分析计算装置包括一面积协调单元、一物种协调单元、一曲线拟合单元、一计算单元以及一分析对比单元；

所述面积协调单元确定大样方及小样方面积；

所述物种协调单元能够接受人工统计的物种信息，并处理产生物种梯度信息；

所述曲线拟合单元能够接受所述面积协调单元传送的面积信息与所述物种协调单元传送的物种梯度信息，拟合物种-面积曲线；

所述计算单元能够获取面积信息与物种梯度信息，确定待测区域物种估计数；

所述分析对比单元接受物种-面积曲线与待测区域物种估计数，分析生成最小调查面积范围与待选值，并对比确定最小调查面积。

4.如权利要求3所述的用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，所述分析计算装置还包括一验证单元，所述验证单对于系统确定的最小调查面积进行验证，并在结果过偏时进行修正。

5.如权利要求3所述的用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，所述计算单元中集成EstimateS软件。

6.如权利要求3所述的用于确定河岸草本植被最小调查面积的系统，其特征在于，所述分析对比单元中集成SPSS软件。

7.一种用于确定河岸草本植被最小调查面积的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，开始测量，面积协调单元向定位探测装置发出指令，中心探测装置定位，四周探测装置与中心探测装置及其他四周探测装置进行通信并定位，所述中心探测装置与所述四周探测装置表示待测区域；

步骤S2，人工统计标记出的待测区域中物种数，并传送至物种协调单元；

步骤S3，面积协调单元与物种协调单元分别将待测区域面积信息及物种信息传送至曲线拟合单元，所述曲线拟合单元拟合曲线确定曲线参数a与b，如下式：

N＝aLn(S)+b

N＝aS^b

N＝aS/(1+bS)

其中，其中，N为物种数，S为待测区域面积；

步骤S4，面积协调单元与物种协调单元分别将待测区域面积信息及物种信息传送至计算单元，所述计算单元确定待测区域物种估计数；

步骤S5，所述曲线拟合单元将曲线拟合结果与待测区域面积与物种信息、所述计算单元将待测区域物种估计数传送至分析对比单元，所述分析对比单元进行处理，并确定最小调查面积。

8.如权利要求7所述的用于确定河岸草本植被调查面积的方法，其特征在于，所述步骤S5具体为，所述分析对比单元根据待测区域面积与物种信息进行方差分析，确定最小调查面积范围；继而根据拟合曲线与待测区域物种估计数，确定不同的比例系数，从而确定最小调查面积可能数值，所述分析对比单元筛选最接近最小调查面积范围的最小调查面积可能数值作为最小调查面积。

9.如权利要求7所述的用于确定河岸草本植被调查面积的方法，其特征在于，还包括下述步骤：

步骤S6，所述步骤S5结束后，所述分析对比单元将确定的最小调查面积传送至所述验证单元，所述验证单元判断该最小调查面积是否过偏，若判断结果为是，则转至下述步骤S7，所判断结果为否，则转至下述步骤S8；

步骤S7，所述验证单元向所述面积协调单元与所述物种协调单元发送指令，控制所述面积协调单元向所述定位探测装置发送信号进行位置修正；控制所述物种协调单元重置准备接收新的物种数信息；

所述位置修正量由下式确定：

其中，Δθ为角度偏移量，Δx为x方向偏移量，Δy为y方向偏移量，N_t为所述计算单元给出的估计物种数，S为小样方面积，k为由人工确定的补偿常数，k∈[1,2,3]；

其中，

$\begin{array}{c}f=\{\frac{{\mathrm{\ΔP}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{N}\right)}^2},\frac{{\mathrm{\Δp}}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{5S}\right)}^2},\\ \frac{\mathrm{\Δ}{p}^2+3\mathrm{\Δp}+7}{3(S^2+3S+21)}-\sqrt{{\left(\frac{p}{\mathrm{\Δp}}\right)}^2{\left(\frac{N_t}{7k}\right)}^2}\}\end{array}$

其中，Δp＝p-0.7，p为所述分析对比单元确定的最小面积所对应的比例系数；N为待测区域大样方内物种统计值；

其中，对于角度偏移，以首个小样方向南转为正向；对于x方向，以与河流流向同向为正向；对于y方向，以中心定位装置远离河岸方向为正向。