CN115879835B - 一种国家储备林建设成效监测方法、系统及云平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种国家储备林建设成效监测方法、系统及云平台，监测方法包括如下步骤：（1）制定监测方案；（2）监测单元划定；（3）样方调查和物联网监测样方布设；（4）生长指标项监测；（5）林分蓄积量及生长量监测；（6）判断监测是否结束；（7）周期性获取物联网监测样方数据；（8）判断是否获取新遥感影像，是则执行步骤（9），否则执行步骤（4）；（9）进行国家储备林建设项目遥感变化监测，然后执行步骤（2）。云平台部署有国家储备林建设成效监测系统用于进行国家储备林建设成效监测。本发明可降低国家储备林建设项目监测数据获取成本和获取难度，缩短数据更新周期，有效促进项目措施改进和质量提升。
Description
技术领域
本发明涉及物联网及地理空间数据采集、计算、处理领域，具体涉及一种国家储备林建设成效监测方法、系统及云平台。
背景技术
国家储备林建设是为保障木材安全，改善生态环境，通过人工林栽培、现有林改培、中幼林抚育措施，营造和培育工业原料林、大径级用材林等多功能森林。建立国家储备林建设成效监测系统，对国家储备林建设开展全过程质量跟踪监测，实现项目森林蓄积量及生态效益实时监测，是国家储备林工程“规划好，建设好，管理好，运营好”的必要条件。
目前国家林业和草原局组织建设“国家储备林项目库在线管理平台”，用于规范国家储备林项目申报、论证、审核、统计等工作。但目前在国家储备林质量管理和成效监测中，对于造林面积、造林密度、栽植质量、造林成活率及保存率，以及直观反应国家储备林项目建设质量的林木生长量检查均采用人工抽样调查方法，监测周期在3-5年，存在监测周期长，监测成本高，监测质量控制难等问题，难以实现对国家储备林建设质量全过程跟踪和成效实时监测。
综上所述，亟需提供一种可大幅降低国家储备林成效监测数据获取成本和获取难度，缩短数据更新周期，实现国家储备林建设质量全过程跟踪，建设成效连续动态评估，有效促进项目措施改进和质量提升的国家储备林建设成效监测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可大幅降低国家储备林成效监测数据获取成本和获取难度，缩短数据更新周期，实现国家储备林建设质量全过程跟踪，建设成效连续动态评估，有效促进项目措施改进和质量提升的国家储备林建设成效监测方法、国家储备林建设成效监测系统及云平台。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种国家储备林建设成效监测方法，包括如下步骤：
（1）制定国家储备林成效监测方案：根据监测范围确定国家储备林项目调查和监测方案；
（2）国家储备林建设项目监测单元划定：以国家储备林建设项目范围为边界，划定项目监测单元，并计算各项目监测单元的面积；
（3）国家储备林建设项目样方调查和物联网监测样方布设：根据步骤（1）中的监测方案，选择有代表性的林分计算监测样方数量，并在选定项目监测单元内随机设置监测样方，布设物联网监测样方的同时对监测样方开展种苗质量检查、整地质量检查、环境保护措施检查、栽植质量检查、抚育质量检查、改培质量检查中无需长期监测的技术类指标项调查；
（4）国家储备林建设项目生长指标项监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，完成造林密度检查、造林成活率检查、林木生长量检查、抚育质量检查和改培作业检查中林分生长指标项监测；
（5）国家储备林建设项目林分蓄积量及生长量监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，计算监测样方的单位面积林分蓄积，汇总计算项目监测单元平均单位面积林分蓄积，并利用步骤（2）计算的项目监测单元面积计算总林分蓄积量及生长量；
（6）判断监测是否结束，否，则执行步骤（7），是，则结束；
（7）周期性获取项目物联网监测样方数据；
（8）判断是否获取新遥感影像，是，则执行步骤（9），否，则执行步骤（4）；
（9）进行国家储备林建设项目遥感变化监测，然后执行步骤（2）。
进一步的技术方案是，所述步骤（5）中的具体步骤如下：
（5.1）根据采集的样木树种和胸径，使用区域当前树种的树高曲线，将直径作为自变量，树高作为因变量，计算所有样木树高，计算公式如下：
式中，
d i,j,l,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方、树种为
l的第
k株样木胸径；
h i,j,l,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方、树种为
l的第
k株样木树高；
f 树高曲线,j 为树种
l的胸径-树高曲线方程；
l为树种序号；
i为项目监测单元序号；
j为监测样方序号；
k为样木序号；
t为项目监测次数序号；
（5.2）计算活立木样木材积：将直径和树高作为自变量，材积作为因变量进行计算，获得样方林分蓄积量，计算公式如下：
式中，
v i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的林分蓄积量；
n i,j,l,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方，树种为
l的样木数量；
f 二元材积方程,l 为树种
l的二元材积方程；
（5.3）计算项目总林分蓄积量：将项目监测单元所有监测样方单位面积林分蓄积量均值作为项目监测单元平均单位面积林分蓄积量，利用项目监测单元面积计算项目监测单元林分蓄积量，汇总获取项目总林分蓄积量，计算公式如下：
式中， v t 为第
t次监测的项目总林分蓄积量；
n i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元的监测样方数量；
s i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的面积；
s i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元的项目监测单元面积；
（5.4）计算项目林分生长量：对两个监测期的总林分蓄积量做差值，获取两个监测期间项目林分生长量，计算公式如下：
式中，
Δv t,t-1 为第
t次和第
t-1次的项目林分生长量；
v t-1 为第
t-1次监测的项目总林分蓄积量。
进一步的技术方案是，所述步骤（4）中林分生长指标项包括样方数量、造林密度、林木生长量和造林保存率，其中，样方数量小于预定要求设定则判定为不合格，大于或等于预定要求则判定为合格，计算公式如下：
式中，
Index 样方数量,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元样方数量合格情况；
N i,t 为第
t次监测，第
i个项目监测单元正常运行通信网关数量；
造林密度超过设计的造林密度的±5%，则判定为不合格，否则判定为合格，计算公式如下：
式中，
Index 造林密度,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元造林密度合格情况；
d i,j,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的第
k个样木胸径，即树径测量传感器的数值；
Index 设计造林密度,i 为第
i个项目监测单元设计造林密度；
Count为计数函数，当输入值为真，计数1，输入为假，计数0；
通过监测胸径生长量株数合格率监测林木生长量，监测胸径生长量株数合格率≥80%，则判定为合格，否则判定为不合格，胸径生长量株数合格率的计算公式如下：
式中，
Index 胸径生长量,i,t 第
t次监测、第
i个项目监测单元胸径生长量合格情况；
Index 标准胸径生长量,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元标准胸径生长量；
N i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方正常运行树径测量传感器数量；
造林后第二年以后造林保存率≥80%则判定为合格，否则判定为不合格，造林保存率计算公式如下：
式中，
Index 造林保存率,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元造林保存率情况；
N i,j,t=1为第1次监测，第
i个项目监测单元第
j个监测样方布设树径测量传感器数量。
进一步的技术方案是，所述步骤（2）中具体步骤如下：以国家储备林建设项目范围为边界，使用最新遥感影像和地形图为辅助，参照国家储备林现地调查小班基本情况和国家储备林建设设计卡片、施工措施及设计图，按照地理单元、行政区和经营措施划定项目监测单元，使用GIS软件对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，并形成项目监测单元底图数据库。
进一步的技术方案是，所述步骤（3）中的具体步骤如下：
（3.1）监测样方设置：选择有代表性的林分设置监测样方，监测样方数量计算公式如下：
监测样方面积为1公顷的圆形样方，监测样方圆心在选定项目监测单元小班内随机设置，使用GIS软件事先确定监测样方总数量以及各监测样方圆心坐标；
（3.2）监测样方调查和物联网监测样方布设：对监测样方调查时同步部署物联网监测样方，物联网监测样方包括树径测量传感器、通信网关和通信服务器，树径测量传感器以周期唤醒方式监测样木胸径及生长状况的装置，通信网关获取通信服务器授时并同步至树径测量传感器，并将树径测量传感器数据汇总后发送至通信服务器，通信服务器统一管理通信网关授时和状态。
进一步的技术方案是，所述步骤（9）中国家储备林建设项目遥感变化监测的具体步骤如下：
（9.1）项目遥感变化图斑判读：对获取的新遥感影像进行预处理，采用影像自动解译结合人工目视检查方式，获取本监测期内各项目监测单元土地类型发生变化图斑，确定变化图斑编号、边界和面积，初判变化原因，质检保证无重叠图斑和细碎图斑；
（9.2）项目遥感变化图斑验证核实：收集档案资料，对有档案资料支撑的变化图斑采用资料核实方式，室内确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子；对无档案资料支撑的变化图斑采用外业调查方式，现地调查确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子，并对包括地类、变化原因在内的重要调查因子不一致的图斑进行细化并填写调查因子；
（9.3）项目图斑更新和现状数据库形成：使用遥感变化图斑数据库对前期项目监测单元图斑数据库进行图形更新和属性更新，对更新结果进行属性逻辑和空间拓扑质检，保证逻辑正确，无重叠、空隙和多部件拓扑错误，并使用GIS软件对各项目监测单元图斑面积重新求算，形成项目监测单元现状数据库；
（9.4）项目图斑变化生成和变化数据库形成：使用项目监测单元底图数据库和项目监测单元现状数据库，在图形上进行空间联合，属性因子增加变化原因、变更依据和变更时间，按照变化数据库属性质检逻辑进行完善和填写，形成项目监测单元变化数据库。
为实现上述目的，本发明还提供一种国家储备林建设成效监测系统，用于进行上述的国家储备林建设成效监测，包括国家储备林建设检查验收调查系统和国家储备林建设成效监测应用系统，所述国家储备林建设检查验收调查系统用于国家储备林建设项目检查验收和物联网监测样方调查和布设，所述国家储备林建设成效监测应用系统用于组织和管理国家储备林建设成效监测流程，制定项目监测方案，划定项目监测单元，通过周期性获取项目林分生长指标及项目监测单元面积变化，计算项目林分蓄积量及生长量。
进一步的技术方案是，所述国家储备林建设检查验收调查系统包括：
造林小班面积检查模块：用于在核对小班边界的基础上，现场测绘校对，重新勾绘和计算小班面积，填写检查结果；
种苗质量检查模块：用于对造林小班的种源及Ⅰ级苗使用率进行检查，填写检查结果；
造林密度检查模块：用于检查造林树种初植密度的一致性，分布是否均匀，填写检查结果；
整地质量检查模块：用于检查影响幼树生长的杂灌、藤、草的清理状况，栽植穴长、宽、深是否符合要求，以及整地方式和排列情况，填写检查结果；
环保措施检查模块：用于检查环境保护措施合格率，填写检查结果；
栽植质量检查模块：用于检查栽植质量合格率，填写检查结果；
造林成活率检查模块：用于以样方内所有幼树为样本，逐株检查，记录成活或保存株数，确定造林成活率，填写检查结果；
抚育质量检查模块：用于以样方内所有幼树为样木，重点对林分选择、抚育面积、抚育质量、松土深度、除萌、除杂草、追肥、幼树伤损的情况进行检查，填写检查结果；
改培作业检查模块：用于调查间伐前后林分郁闭度，以及测量间伐前后包括林木平均胸径、平均树高、公顷株数、公顷蓄积、林下植被盖度和伐根高度在内的因子，填写检查结果；
物联网样方设置模块：用于调查人员测试、连接、部署通信网关及树径测量传感器，采集样方和样木信息，填写样方调查结果。
进一步的技术方案是，所述国家储备林建设成效监测应用系统包括：
调查监测方案制定模块：用于推荐项目调查监测方案，计算检查监测样方数量，布设样地空间坐标；
项目监测单元划定模块：用于划定项目监测单元，基于GIS系统对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，形成项目监测单元底图数据库；
造林密度监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林密度；
林木生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测林木生长量；
造林保存率监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林保存率；
林分蓄积量和生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测项目林分蓄积量及生长量；
遥感变化监测模块：用于开展遥感影像预处理，变化检测、变化图斑调查、数据更新和项目监测单元面积求算；
物联网监测样方周期化运行模块：用于服务器对通信网关及树径测量传感器的统一授时，周期化获取物联网监测样方数据，管理物联网监测样方设备运行状态；
成效监测统计分析模块：用于对监测周期内项目的包括林分生长指标、林分蓄积量及生长量在内的数据进行计算、统计分析，分区域、分类型输出成效监测指标数量、质量、结构和分布，对比监测周期前后各成效监测指标情况，并使用三维地图、可视化图表、时间序列轴对监测数据进行展示，直观体现项目建设成效的动态变化。
为实现上述目的，本发明还提供一种云平台，包括移动数据采集端、服务器端和基础云平台，所述移动数据采集端部署有上述的国家储备林建设检查验收调查系统，所述服务器端部署有上述的国家储备林建设成效监测应用系统，所述基础云平台包含并不限于构建计算资源池的计算服务器、构建存储资源池的存储服务器、构建网络资源池的网络服务器和网关、进行资源虚拟化管理的虚拟化平台软件，以及在虚拟化平台上部署操作系统、数据库平台、GIS平台、网络中间件的应用平台。
相比于现有技术，本发明通过对国储林建设项目布设物联网监测样方实时获取项目林分生长指标项，通过遥感变化监测获取项目监测单元面积，周期性计算项目林分蓄积量和生长量，具有以下优点：
降低成效监测数据获取成本和获取难度：相比于通过人工抽样调查方法对国家储备林造林面积、造林密度、栽植质量、造林成活率及保存率进行质量管理，本发明中林分生长指标和林分蓄积量及生长量数据来源于布设的物联网监测样方，一经布设就可不间断、几乎零成本的获取实时更新监测数据，数据客观精准。对于项目监测单元面积可以依据公开遥感影像进行室内对比更新，获取难度小，适合广泛推广使用。
缩短成效监测数据更新周期：本发明的监测周期由物联网监测样方决定，由于物联网监测样方采用低功耗设计，在“一天一次，按周回传”的监测频率下，可以有效工作10年以上，监测时效性大幅提升，并且可以准确掌握详细地掌握树木生长动态，让项目监管者“所见即所得”。
实现建设成效连续动态评估：本发明可以对国家储备林建设成效实现连续监测，由于范围不受数据限定，并数据更新周期快，项目建设成效可以客观评价和快速响应，管理者可以通过评估结果迅速做出方案调整，有效促进项目措施改进和质量提升。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所涉及的国家储备林建设成效监测方法的流程示意图；
图2为本发明一种实施方式所涉及的国家储备林建设检查验收调查系统的结构框图；
图3为本发明一种实施方式所涉及的国家储备林建设成效监测应用系统的结构框图。
实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，参照图1，一种国家储备林建设成效监测方法，包括如下步骤：
（1）制定国家储备林成效监测方案：根据监测范围确定国家储备林项目调查和监测方案；
国家储备林建设主要经营活动包括集约人工林栽培、现有林改培和中有林抚育，属于作业设计级别的森林资源调查，因此国家储备林项目调查和监测建议采用典型抽样方案，即按照监测区域面积大小分配样方数量，选取代表性强的经营活动区域，均匀布设样方在监测林分内，获取和计算林分单位面积生长量等监测指标。如果监测范围非常小，也可以采取全林或是标准木监测的方式开展。
（2）国家储备林建设项目监测单元划定：以国家储备林建设项目范围为边界，使用最新遥感影像和地形图为辅助，参照国家储备林现地调查小班基本情况和国家储备林建设设计卡片、施工措施及设计图，按照地理单元、行政区和经营措施划定项目监测单元。使用GIS软件对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，形成项目监测单元底图数据库；
（3）国家储备林建设项目样方调查和物联网监测样方布设：根据步骤（1）中的监测方案，选择有代表性的林分计算监测样方数量，并在选定项目监测单元小班内随机设置监测样方，布设物联网监测样方的同时对监测样方开展种苗质量检查、整地质量检查、环境保护措施检查、栽植质量检查、抚育质量检查、改培质量检查中无需长期监测的技术类指标项调查，具体步骤如下：
（3.1）监测样方设置：项目采用典型抽样方案，选择有代表性的林分设置监测样方，监测样方数量计算公式如下：
式中，为第
t次监测、第
i个项目监测单元的监测样方数量；为第
t次监测、第
i个项目监测单元的面积；
i为项目监测单元序号；
t为项目监测次数序号；
监测样方面积为1公顷的圆形样方，监测样方圆心在选定项目监测单元小班内随机设置，使用GIS软件事先确定监测样方总数量以及各监测样方圆心坐标；
（3.2）监测样方调查和物联网监测样方布设：对监测样方调查时同步部署物联网监测样方，物联网监测样方包括树径测量传感器、通信网关和通信服务器，树径测量传感器以周期唤醒方式监测样木胸径及生长状况的装置，通信网关获取通信服务器授时并同步至树径测量传感器，并将树径测量传感器数据汇总后发送至通信服务器，通信服务器统一管理通信网关授时和状态。物联网监测样方通过“一天一测，按周回传”的低功耗运行方式监测项目监测单元样方的林分生长指标。具体样方调查和布设流程如下：
（3.2.1）到达抽样方案确定的样方圆心坐标，以5.65米为半径确定样圆边界，样圆边界内均为样木。开展种苗质量检查、整地质量检查、环境保护措施检查、栽植质量检查、抚育质量检查、改培质量检查中无需长期监测的技术类指标项。完成施工作业设计检查和档案管理检查两项管理类指标项检查，具体方法按《全国木材战略初步生产基地建设检查验收办法（试行）》。
（3.2.2）在样方中央固定通信网关，同通信服务器连接并获取授时。采用回字形路线对每株样木的胸径位置固定树径测量传感器并录入样木树种、样木类型信息。
（3.2.3）树径测量传感器启动后通过无线网络自动寻找连接通信网关，通信网关对树径测量传感器授时并将采集的数据回传服务器，成功后断开同树径测量传感器连接进入休眠状态。树径测量传感器在无通信网关连接情况下自动进入休眠状态；
（3.2.4）通信网关和树径测量传感器在设定的唤醒时间、唤醒时长和唤醒频率下自动唤醒，完成步骤（3.2.3），等待下次监测周期。
（4）国家储备林建设项目生长指标项监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，完成林分生长指标项监测；
国家储备林建设项目林分生长指标项监测是通过物联网监测样方自动获取样方内样木树种、胸径及传感器数量，完成造林密度检查、造林成活率检查、林木生长量检查、抚育质量检查和改培作业检查中林分生长指标项，包括样方数量、造林密度、林木生长量和造林保存率；
其中，样方数量小于预定要求设定则判定为不合格，大于或等于预定要求则判定为合格，根据物联网监测样方中布设通信网关数量和状态，动态监测样方数量，如果通信网关没有回传信息，经调查人员核实非设备毁坏，则代表当前监测样方灭失，样方数量监测计算公式如下：
式中，
Index 样方数量,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元样方数量合格情况；
N i,t 为第
t次监测，第
i个项目监测单元正常运行通信网关数量；
造林密度超过设计的造林密度的±5%，则判定为不合格，否则判定为合格，根据物联网监测样方中布设通信网关和树径测量传感器数量和状态，动态监测造林密度，如果通信网关和树径测量传感器没有回传信息，经调查人员核实非设备毁坏，则代表当前监测样木灭失，造林密度监测计算公式如下：
式中，
Index 造林密度,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元造林密度合格情况；
d i,j,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的第
k个样木胸径，即树径测量传感器的数值；
Index 设计造林密度,i 为第
i个项目监测单元设计林密度；
Count为计数函数，当输入值为真，计数1，输入为假，计数0；
j为监测样方序号；
k为样木；根据物联网监测样方中布设通信网关和树径测量传感器数量和状态，主要通过监测胸径生长量株数合格率监测林木生长量，监测胸径生长量株数合格率≥80%，则判定为合格，否则判定为不合格，胸径生长量株数合格率的计
式中，
Index 胸径生长量,i,t 第
t次监测、第
i个项目监测单元胸径生长量合格情况；
Index 标准胸径生长量,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元标准胸径生长量；
N i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方正常运行树径测量传感器数量；
造林后第二年以后造林保存率≥80%则判定为合格，否则判定为不合格，根据物联网监测样方中布设通信网关和树径测量传感器数量和状态，依据胸径生长量株数监测造林保存率，造林保存率计算公式如下：
式中，
Index 造林保存率,i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元造林保存率情况；
N i,j,t=1为第1次监测，第
i个项目监测单元第
j个监测样方布设树径测量传感器数量。
抚育质量检查和改培作业检查的步骤主要监测抚育和改培作业的造林密度、林木生长量和造林保存率，计算方法同上。
（5）国家储备林建设项目林分蓄积量及生长量监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，计算监测样方的单位面积林分蓄积，汇总计算项目监测单元平均单位面积林分蓄积，并利用步骤（2）计算的项目监测单元面积计算总林分蓄积量及生长量；
具体步骤如下：
（5.1）根据采集的样木树种和胸径，使用本区域当前树种的树高曲线，将直径作为自变量，树高作为因变量，计算所有样木树高，计算公式如下：
式中，
d i,j,l,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方、树种为
l的第
k株样木胸径；
h i,j,l,k,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方、树种为
l的第
k株样木树高；
f 树高曲线,j 为树种
l的胸径-树高曲线方程；
l为树种序号；
i为项目监测单元序号；
j为监测样方序号；
k为样木序号；
t为项目监测次数序号；
（5.2）计算活立木样木材积：将直径和树高作为自变量，材积作为因变量进行计算，获得样方林分蓄积量，由于样方大小为1公顷，也为公顷蓄积量，计算公式如下：
式中，
v i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的林分蓄积量；
n i,j,l,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方，树种为
l的样木数量；
f 二元材积方程,l 为树种
l的二元材积方程；
（5.3）计算项目总林分蓄积量：将项目监测单元所有监测样方单位面积林分蓄积量均值作为项目监测单元平均单位面积林分蓄积量，利用项目监测单元面积计算项目监测单元林分蓄积量，汇总获取项目总林分蓄积量，计算公式如下：
式中， v t 为第
t次监测的项目总林分蓄积量；
n i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元的监测样方数量；
s i,j,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元第
j个监测样方的面积；
s i,t 为第
t次监测、第
i个项目监测单元的项目监测单元面积；
（5.4）计算项目林分生长量：对两个监测期的总林分蓄积量做差值，获取两个监测期间项目林分生长量，计算公式如下：
式中，
Δv t,t-1 为第
t次和第
t-1次的项目林分生长量；
v t-1 为第
t-1次监测的项目总林分蓄积量。
（6）判断监测是否结束，否，则执行步骤（7），是，则结束；
由于项目要求或是不可抗力，停止项目监测单元面积或是停止物联网监测样方监测，均认定监测结束。除此外项目将按物联网监测样方设定时间进行周期化运行和监测，周期监测结束前，服务器按照设定时间对物联网监测样方的通信网关进行统一授时，保证通信网关对各树径测量传感器的唤醒时间、唤醒时长、唤醒频率相同，确保所有物联网监测样方同时同频。
（7）周期性获取项目物联网监测样方数据；
在新的监测周期中，到达监测周期设定时间，物联网样方中的通信网关和数据测量传感器按照服务器设定唤醒时间、唤醒时长和唤醒频率唤醒。树径测量传感器通过无线网络自动寻找连接通信网关，通信网关对树径测量传感器授时并将采集的数据回传服务器，成功后断开同树径测量传感器连接进入休眠状态。树径测量传感器在无通信网关连接情况下自动进入休眠状态，完成一个周期物联网监测样方数据获取。
（8）判断是否获取新遥感影像，是，则执行步骤（9），否，则执行步骤（4）；
（9）进行国家储备林建设项目遥感变化监测，然后执行步骤（2），具体步骤如下：
（9.1）项目遥感变化图斑判读：对获取的新遥感影像进行预处理，采用影像自动解译结合人工目视检查方式，获取本监测期内各项目监测单元土地类型发生变化图斑，确定变化图斑编号、边界和面积，初判变化原因，质检保证无重叠图斑和细碎图斑；
（9.2）项目遥感变化图斑验证核实：收集档案资料，对有档案资料支撑的变化图斑采用资料核实方式，室内确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子；对无档案资料支撑的变化图斑采用外业调查方式，现地调查确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子，并对包括地类、变化原因在内的重要调查因子不一致的图斑进行细化并填写调查因子；结合室内和外业调查成果，形成调查因子填写完整，属性逻辑正确的遥感变化图斑数据库；
（9.3）项目图斑更新和现状数据库形成：使用遥感变化图斑数据库对前期项目监测单元图斑数据库进行图形更新和属性更新，对更新结果进行属性逻辑和空间拓扑质检，保证逻辑正确，无重叠、空隙和多部件拓扑错误，并使用GIS软件对各项目监测单元图斑面积重新求算，形成项目监测单元现状数据库；
（9.4）项目图斑变化生成和变化数据库形成：使用项目监测单元底图数据库和项目监测单元现状数据库，在图形上进行空间联合，属性因子增加变化原因、变更依据和变更时间，按照变化数据库属性质检逻辑进行完善和填写，形成项目监测单元变化数据库。
为实现上述目的，本发明还提供一种国家储备林建设成效监测系统，用于进行上述的国家储备林建设成效监测，包括国家储备林建设检查验收调查系统和国家储备林建设成效监测应用系统，所述国家储备林建设检查验收调查系统用于国家储备林建设项目检查验收和物联网监测样方调查和布设，所述国家储备林建设成效监测应用系统用于组织和管理国家储备林建设成效监测流程，制定项目监测方案，划定项目监测单元，通过周期性获取项目林分生长指标及项目监测单元面积变化，计算项目林分蓄积量及生长量。
如图2，所述国家储备林建设检查验收调查系统包括：
造林小班面积检查模块：用于在核对小班边界的基础上，现场测绘校对，重新勾绘和计算小班面积，填写检查结果；
种苗质量检查模块：用于对造林小班的种源及Ⅰ级苗使用率进行检查，填写检查结果；
造林密度检查模块：用于检查造林树种初植密度的一致性，分布是否均匀，填写检查结果；
整地质量检查模块：用于检查影响幼树生长的杂灌、藤、草的清理状况，栽植穴长、宽、深是否符合要求，以及整地方式和排列情况，填写检查结果；
环保措施检查模块：用于检查环境保护措施合格率，填写检查结果；
栽植质量检查模块：用于检查栽植质量合格率，填写检查结果；
造林成活率检查模块：用于以样方内所有幼树为样本，逐株检查，记录成活或保存株数，确定造林成活率，填写检查结果；
抚育质量检查模块：用于以样方内所有幼树为样木，重点对林分选择、抚育面积、抚育质量、松土深度、除萌、除杂草、追肥、幼树伤损的情况进行检查，填写检查结果；
改培作业检查模块：用于调查间伐前后林分郁闭度，以及测量间伐前后包括林木平均胸径、平均树高、公顷株数、公顷蓄积、林下植被盖度和伐根高度在内的因子，填写检查结果；
物联网样方设置模块：用于调查人员测试、连接、部署通信网关及树径测量传感器，采集样方和样木信息，填写样方调查结果。
如图3，所述国家储备林建设成效监测应用系统包括：
调查监测方案制定模块：用于推荐项目调查监测方案，计算检查监测样方数量，布设样地空间坐标；
项目监测单元划定模块：用于划定项目监测单元，基于GIS系统对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，形成项目监测单元底图数据库；
造林密度监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林密度；
林木生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测林木生长量；
造林保存率监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林保存率；
林分蓄积量和生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测项目林分蓄积量及生长量；
遥感变化监测模块：用于开展遥感影像预处理，变化检测、变化图斑调查、数据更新和项目监测单元面积求算；
物联网监测样方周期化运行模块：用于服务器对通信网关及树径测量传感器的统一授时，周期化获取物联网监测样方数据，管理物联网监测样方设备运行状态；
成效监测统计分析模块：用于对监测周期内项目的包括林分生长指标、林分蓄积量及生长量在内的数据进行计算、统计分析，分区域、分类型输出成效监测指标数量、质量、结构和分布，对比监测周期前后各成效监测指标情况，并使用三维地图、可视化图表、时间序列轴对监测数据进行展示，直观体现项目建设成效的动态变化。
为实现上述目的，本发明还提供一种云平台，包括移动数据采集端、服务器端和基础云平台，所述移动数据采集端部署有上述的国家储备林建设检查验收调查系统，所述服务器端部署有上述的国家储备林建设成效监测应用系统，所述基础云平台包含并不限于构建计算资源池的计算服务器、构建存储资源池的存储服务器、构建网络资源池的网络服务器和网关、进行资源虚拟化管理的虚拟化平台软件，以及在虚拟化平台上部署操作系统、数据库平台、GIS平台、网络中间件的应用平台。
移动数据采集端，包括搭载有国家储备林建设检查验收调查系统的各类平板电脑、掌上电脑、手机等具有移动互联网网络接入、无线自组网模块（WIFI、蓝牙）、导航定位、一定计算和存储能力处理能力的电子设备，为调查人员提供造林小班面积检查功能，种苗质量检查功能，造林密度检查功能，整地质量检查功能，环保措施检查功能，栽植质量检查功能，造林成活率检查功能，抚育质量检查功能，改培作业检查功能和物联网样方设置功能。
服务器端，包括为国家储备林建设成效监测应用系统运行提供计算、存储和网络能力的服务器、工作站或虚拟机等设备，为管理用户提供项目监测方案制定功能、项目监测单元划定功能、造林密度监测功能、造林保存率监测功能、林木生长量监测功能、林分蓄积量和生长量监测功能、遥感变化监测功能和物联网监测样方周期化运行功能。
基础云平台，包含并不限于构建计算资源池的X86计算服务器、构建存储资源池的存储服务器、构建网络资源池的网络服务器和网关等、进行资源虚拟化管理的虚拟化平台软件，以及在虚拟化平台上部署操作系统、数据库平台、GIS平台、网络中间件等应用平台。
对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种国家储备林建设成效监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制定国家储备林成效监测方案：根据监测范围确定国家储备林项目调查和监测方案；
（2）国家储备林建设项目监测单元划定：以国家储备林建设项目范围为边界，划定项目监测单元，并计算各项目监测单元的面积；
（3）国家储备林建设项目样方调查和物联网监测样方布设：根据步骤（1）中的监测方案，选择有代表性的林分计算监测样方数量，并在选定项目监测单元内随机设置监测样方，布设物联网监测样方的同时对监测样方开展种苗质量检查、整地质量检查、环境保护措施检查、栽植质量检查、抚育质量检查、改培质量检查中无需长期监测的技术类指标项调查；
（4）国家储备林建设项目生长指标项监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，完成造林密度检查、造林成活率检查、林木生长量检查、抚育质量检查和改培作业检查中林分生长指标项监测；
（5）国家储备林建设项目林分蓄积量及生长量监测：通过步骤（3）中的物联网监测样方，自动获取样方内样木信息，计算监测样方的单位面积林分蓄积量，汇总计算项目监测单元平均单位面积林分蓄积，并利用步骤（2）计算的项目监测单元面积计算总林分蓄积量及生长量；
（5.1）根据采集的样木树种和胸径，使用区域当前树种的树高曲线，将直径作为自变量，树高作为因变量，计算所有样木树高，计算公式如下：
式中，d i,j,l,k,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方、树种为l的第k株样木胸径；h i,j,l,k,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方、树种为l的第k株样木树高；f 树高曲线,j 为树种l的胸径-树高曲线方程；l为树种序号；i为项目监测单元序号；j为监测样方序号；k为样木序号；t为项目监测次数序号；
（5.2）计算活立木样木材积：将直径和树高作为自变量，材积作为因变量进行计算，获得样方林分蓄积量，计算公式如下：
式中，v i,j,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第个监测样方的林分蓄积量；n i,j,l,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方，树种为l的样木数量；f 二元材积方程,l 为树种l的二元材积方程；
（5.3）计算项目总林分蓄积量：将项目监测单元所有监测样方单位面积林分蓄积量均值作为项目监测单元平均单位面积林分蓄积量，利用项目监测单元面积计算项目监测单元林分蓄积量，汇总获取项目总林分蓄积量，计算公式如下：
式中， v t 为第t次监测的项目总林分蓄积量；n i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元的监测样方数量；s i,j,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方的面积；s i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元的项目监测单元面积；
（5.4）计算项目林分生长量：对两个监测期的总林分蓄积量做差值，获取两个监测期间项目林分生长量，计算公式如下：
式中，Δv t,t-1 为第t次和第t-1次的项目林分生长量；v t-1 为第t-1次监测的项目总林分蓄积量；
（6）判断监测是否结束，否，则执行步骤（7），是，则结束；
（7）周期性获取项目物联网监测样方数据；
（8）判断是否获取新遥感影像，是，则执行步骤（9），否，则执行步骤（4）；
（9）进行国家储备林建设项目遥感变化监测，然后执行步骤（2）。
2.根据权利要求1所述的国家储备林建设成效监测方法，其特征在于，所述步骤（4）中林分生长指标项包括样方数量、造林密度、林木生长量和造林保存率，其中，样方数量小于预定要求设定则判定为不合格，大于或等于预定要求则判定为合格，计算公式如下：
式中，Index 样方数量,i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元样方数量合格情况；N i,t 为第t次监测，第i个项目监测单元正常运行通信网关数量；
造林密度超过设计的造林密度的±5%，则判定为不合格，否则判定为合格，计算公式如下：
式中，Index 造林密度,i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元造林密度合格情况；d i,j,k,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方的第k个样木胸径，即树径测量传感器的数值；Index 设计造林密度,i 为第i个项目监测单元设计造林密度；Count为计数函数，当输入值为真，计数1，输入为假，计数0；
通过监测胸径生长量株数合格率监测林木生长量，监测胸径生长量株数合格率≥80%，则判定为合格，否则判定为不合格，胸径生长量株数合格率的计算公式如下：
式中，Index 胸径生长量,i,t 第t次监测、第i个项目监测单元胸径生长量合格情况；Index 标准胸径生长量,i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元标准胸径生长量；N i,j,t 为第t次监测、第i个项目监测单元第j个监测样方正常运行树径测量传感器数量；
造林后第二年以后造林保存率≥80%则判定为合格，否则判定为不合格，造林保存率计算公式如下：
式中，Index 造林保存率,i,t 为第t次监测、第i个项目监测单元造林保存率情况；N i,j,t=1为第1次监测，第i个项目监测单元第j个监测样方布设树径测量传感器数量。
3.根据权利要求2所述的国家储备林建设成效监测方法，其特征在于，所述步骤（2）中具体步骤如下：以国家储备林建设项目范围为边界，使用最新遥感影像和地形图为辅助，参照国家储备林现地调查小班基本情况和国家储备林建设设计卡片、施工措施及设计图，按照地理单元、行政区和经营措施划定项目监测单元，使用GIS软件对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，并形成项目监测单元底图数据库。
4.根据权利要求3所述的国家储备林建设成效监测方法，其特征在于，所述步骤（3）中的具体步骤如下：
（3.1）监测样方设置：选择有代表性的林分设置监测样方，监测样方数量计算公式如下：
监测样方面积为1公顷的圆形样方，监测样方圆心在选定项目监测单元小班内随机设置，使用GIS软件事先确定监测样方总数量以及各监测样方圆心坐标；
（3.2）监测样方调查和物联网监测样方布设：对监测样方调查时同步部署物联网监测样方，物联网监测样方包括树径测量传感器、通信网关和通信服务器，树径测量传感器以周期唤醒方式监测样木胸径及生长状况的装置，通信网关获取通信服务器授时并同步至树径测量传感器，并将树径测量传感器数据汇总后发送至通信服务器，通信服务器统一管理通信网关授时和状态。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的国家储备林建设成效监测方法，其特征在于，所述步骤（9）中国家储备林建设项目遥感变化监测的具体步骤如下：
（9.1）项目遥感变化图斑判读：对获取的新遥感影像进行预处理，采用影像自动解译结合人工目视检查方式，获取本监测期内各项目监测单元土地类型发生变化图斑，确定变化图斑编号、边界和面积，初判变化原因，质检保证无重叠图斑和细碎图斑；
（9.2）项目遥感变化图斑验证核实：收集档案资料，对有档案资料支撑的变化图斑采用资料核实方式，室内确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子；对无档案资料支撑的变化图斑采用外业调查方式，现地调查确认现状地类、变化原因及现状林分因子、管理因子、项目活动因子，并对包括地类、变化原因在内的重要调查因子不一致的图斑进行细化并填写调查因子；
（9.3）项目图斑更新和现状数据库形成：使用遥感变化图斑数据库对前期项目监测单元图斑数据库进行图形更新和属性更新，对更新结果进行属性逻辑和空间拓扑质检，保证逻辑正确，无重叠、空隙和多部件拓扑错误，并使用GIS软件对各项目监测单元图斑面积重新求算，形成项目监测单元现状数据库；
（9.4）项目图斑变化生成和变化数据库形成：使用项目监测单元底图数据库和项目监测单元现状数据库，在图形上进行空间联合，属性因子增加变化原因、变更依据和变更时间，按照变化数据库属性质检逻辑进行完善和填写，形成项目监测单元变化数据库。
6.一种国家储备林建设成效监测系统，其特征在于，用于进行权利要求1~5任意一项中的国家储备林建设成效监测，包括国家储备林建设检查验收调查系统和国家储备林建设成效监测应用系统，所述国家储备林建设检查验收调查系统用于国家储备林建设项目检查验收和物联网监测样方调查和布设，所述国家储备林建设成效监测应用系统用于组织和管理国家储备林建设成效监测流程，制定项目监测方案，划定项目监测单元，通过周期性获取项目林分生长指标及项目监测单元面积变化，计算项目林分蓄积量及生长量。
7.根据权利要求6所述的国家储备林建设成效监测系统，其特征在于，所述国家储备林建设检查验收调查系统包括：
造林小班面积检查模块：用于在核对小班边界的基础上，现场测绘校对，重新勾绘和计算小班面积，填写检查结果；
种苗质量检查模块：用于对造林小班的种源及Ⅰ级苗使用率进行检查，填写检查结果；
造林密度检查模块：用于检查造林树种初植密度的一致性，分布是否均匀，填写检查结果；
整地质量检查模块：用于检查影响幼树生长的杂灌、藤、草的清理状况，栽植穴长、宽、深是否符合要求，以及整地方式和排列情况，填写检查结果；
环保措施检查模块：用于检查环境保护措施合格率，填写检查结果；
栽植质量检查模块：用于检查栽植质量合格率，填写检查结果；
造林成活率检查模块：用于以样方内所有幼树为样本，逐株检查，记录成活或保存株数，确定造林成活率，填写检查结果；
抚育质量检查模块：用于以样方内所有幼树为样木，重点对林分选择、抚育面积、抚育质量、松土深度、除萌、除杂草、追肥、幼树伤损的情况进行检查，填写检查结果；
改培作业检查模块：用于调查间伐前后林分郁闭度，以及测量间伐前后包括林木平均胸径、平均树高、公顷株数、公顷蓄积、林下植被盖度和伐根高度在内的因子，填写检查结果；
物联网样方设置模块：用于调查人员测试、连接、部署通信网关及树径测量传感器，采集样方和样木信息，填写样方调查结果。
8.根据权利要求7所述的国家储备林建设成效监测系统，其特征在于，所述国家储备林建设成效监测应用系统包括：
调查监测方案制定模块：用于推荐项目调查监测方案，计算检查监测样方数量，布设样地空间坐标；
项目监测单元划定模块：用于划定项目监测单元，基于GIS系统对项目监测单元边界进行落界，求算各项目监测单元面积，形成项目监测单元底图数据库；
造林密度监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林密度；
林木生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测林木生长量；
造林保存率监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测造林保存率；
林分蓄积量和生长量监测模块：用于依据物联网监测样方周期获取数据，动态监测项目林分蓄积量及生长量；
遥感变化监测模块：用于开展遥感影像预处理，变化检测、变化图斑调查、数据更新和项目监测单元面积求算；
物联网监测样方周期化运行模块：用于服务器对通信网关及树径测量传感器的统一授时，周期化获取物联网监测样方数据，管理物联网监测样方设备运行状态；
成效监测统计分析模块：用于对监测周期内项目的包括林分生长指标、林分蓄积量及生长量在内的数据进行计算、统计分析，分区域、分类型输出成效监测指标数量、质量、结构和分布，对比监测周期前后各成效监测指标情况，并使用三维地图、可视化图表、时间序列轴对监测数据进行展示，直观体现项目建设成效的动态变化。
9.一种云平台，包括移动数据采集端、服务器端和基础云平台，其特征在于，所述移动数据采集端部署有权利要求6~8任意一项中的国家储备林建设检查验收调查系统，所述服务器端部署有权利要求6~8任意一项中的国家储备林建设成效监测应用系统，所述基础云平台包含并不限于构建计算资源池的计算服务器、构建存储资源池的存储服务器、构建网络资源池的网络服务器和网关、进行资源虚拟化管理的虚拟化平台软件，以及在虚拟化平台上部署操作系统、数据库平台、GIS平台、网络中间件的应用平台。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| CN202310203600.7A CN115879835B (zh) | 2023-03-06 | 2023-03-06 | 一种国家储备林建设成效监测方法、系统及云平台 |
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| CN115879835A CN115879835A (zh) | 2023-03-31 |
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Patent Citations (7)
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| 千年桐用材林培育技术;刘江华;黄国林;刘玉玲;黎敬云;胡明娇;陈娟;李萍;;农业工程(第06期);第115-117页 * |
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