一种考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统及方法

本发明涉及一种考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统及方法。

背景技术：

1、在多年冻土区，公路和铁路等线性基础设施的建设与运营形成了显著的生态阻隔效应，长距离、连续分布的路基割裂了野生动物原有的迁徙通道，破坏了植被群落的连续性，进而导致种群隔离、基因交流中断、生境破碎化以及区域生物多样性下降等一系列生态负面后果。与此同时，由于冻土自身对热扰动具有高度敏感性，工程活动改变地表吸热与冷空气对流条件后，下伏冻土的热平衡状态被打破，引发局部融沉、热喀斯特发育甚至活动层增厚，这些热力失稳不仅损毁工程结构本身，还进一步形成新的热融湖塘或泥泞区域，加剧生境破碎化。因此，冻土区的生态保护与工程稳定性维护并非彼此独立的议题，而是存在深度互馈的耦合关系。

2、在既有的研究和工程实践中，针对冻土区路基工程的技术攻关长期集中于热稳定性控制领域，目前已形成以“导冷—阻热—调温”为核心的技术体系，包括热棒、通风管路基、片块石路基和xps隔热层等措施，并在许多工程中取得了显著成效。对于生态保护层面，主要的做法是依托环境影响评价辅以缓解措施，例如依据工程经验或通用规范在沿线路基上设置固定宽度的动物通道或涵洞；近年来，亦有部分工程开始重视前期生物多样性本底调查，尝试通过卫星遥感解译、红外相机布设和实地样线调查等手段摸排沿线野生动物的分布与迁徙路径，并在通道设计中引入“避让优先”的理念。但现有的冻土区路基沿线生态廊道设计仍存在以下局限性：

3、第一，当前的生态廊道本质上是静态的、一次性的，通道的位置、宽度和数量通常在规划阶段依据物种分布调查和工程可行性论证加以确定，建成后即固化运行。但冻土区的活动层每年经历周期性冻融循环，地表承载力、通行条件和景观格局在年内发生剧烈、非线性的季相变化，动物对廊道的利用模式随之呈现根本性的季节差异。换言之，动物的迁徙阻力面并非静态常量，而是随冻融进程动态演变的，现有设计方法无法基于实时温度监测数据调整廊道管理策略，亦不具备对温度扰动事件的实时感知与自适应响应能力，导致廊道在部分季节的实际效能与其设计预期严重偏离。

4、第二，现有生态廊道设计将冻土热稳定性分析与生态廊道设计分属两条独立的技术路径，前者服务于工程结构安全，后者服务于环境影响缓解，两者之间缺少定量化的耦合关系模型。廊道的位置选择、宽度确定和内部生境结构设计，未能将下伏冻土的温度场分布及热扰动耐受阈值作为前置约束条件加以量化评估；导致生态廊道被布置在热稳定性较差的区域或为了保障工程稳定性将廊道置于生态连通性价值较低的位置，导致路基运营后廊道结构因融沉等原因失效，削弱了其应有的生态功能。

5、第三，目前生态廊道建成后，对其生态连通性恢复效果的评估主要依赖人工样线调查或红外相机定期取卡抽查，获取的数据在时间序列上不连续，难以捕捉动物行为响应的动态特征，也难以形成对生态连通性状态的连续诊断。更为关键的是，现有监测体系与廊道管理调控决策之间缺乏闭环反馈机制，系统难以依据动物活动监测结果反向修正管理措施，也难以将温度监测数据与动物行为数据进行关联分析，以评估热状态变化对生态连通性的影响。

6、因此，如何在冻土区路基工程的全生命周期内，以冻土热稳定性作为工程硬约束，实现生态廊道选址与设计的定量化优化，并对廊道生态连通性状态进行连续监测与动态评估，进一步形成可根据监测结果更新的自适应调控决策，仍是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有冻土区路基沿线生态廊道规划中热稳定性分析与生态廊道设计相互割裂、廊道方案静态固化无法响应冻融季节动态、以及运营期监测评估与调控决策之间缺乏闭环反馈机制等问题，本发明提供一种考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统及方法。通过区分多深度地温、地表温度、冻土属性及沉降位移等不同数据的技术用途，构建多个生态季节对应的动态阻力面，并将冻土热稳定性指数作为廊道方案优化的工程硬约束；运营阶段利用同期活动层融化深度偏离度、积雪障碍、动物穿越和结构变形信息开展连续评价与自适应调控，从而实现生态连通性与工程热稳定性的协同优化。具体技术方案如下：

2、首先，本发明提出一种考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统，包括：

3、多源遥感与现场感知采集模块，配置为获取覆盖拟建路基沿线区域的多源感知数据，所述现场数据至少包括卫星遥感影像、无人机遥感影像、声学音频数据、红外图像数据、多深度地温测量数据、地表温度测量数据、沉降位移监测数据以及冻土属性数据；

4、ai识别与物种多样性时空数据库模块，与所述多源遥感与现场感知采集模块通信连接，用于对所述多源感知数据进行处理，获得物种分布信息、多样性指标、地表覆盖类型及环境空间数据，并将处理结果存入时空数据库；

5、季节动态参数配置模块，与所述多深度地温测量数据连通，用于根据多深度地温测量数据与预设温度阈值及温度变化趋势识别当前所处的生态季节，并输出对应的季节标签以及与所述季节标签对应的季节动态参数，所述季节动态参数至少包括当前生态季节对应的阻力值参数集；

6、动物迁徙路径建模与生态廊道规划优化模块，用于根据所述物种分布信息确定目标物种的核心生境斑块，根据地表覆盖类型、环境空间数据及阻力值参数集构建不同生态季节对应的动态阻力面，并根据多深度地温测量数据和冻土属性数据计算冻土热稳定性指数，将所述冻土热稳定性指数作为候选廊道方案的工程硬约束，通过路径搜索与多目标优化生成生态廊道设计方案；

7、实时动物活动监测与生态连通性评估模块，配置为在廊道投入运营后接收现场传感器实时数据，根据实时多深度地温测量数据获得当前活动层融化深度并计算相对于同期基准状态的活动层融化深度偏离度，结合动物穿越监测数据生成生态连通性动态评分；

8、动态调控与决策反馈模块，用于根据所述生态连通性动态评分、同期活动层融化深度偏离度、积雪障碍状态和/或沉降位移监测结果判断是否满足预设预警条件，生成管理措施建议，并通过执行反馈接口记录措施实施后的效果数据；

9、以及，模型在线学习与参数校准单元，用于根据所述效果数据和动物穿越监测数据中的成功穿越事件，对动态阻力面的阻力参数进行定期校准，以更新后续生态廊道评估与管理措施建议的生成依据。

10、前述系统中，所述测温传感器包括土壤温湿度探针、地表温度传感器以及冻融深度测量仪；所述冻融深度测量仪采用分布式测温光纤或一维温度链，垂向测温点间距不大于10cm；所述土壤温湿度探针和地表温度传感器的测温最大允许误差不超过±，响应时间小于5秒；各测温通道采用统一时间基准进行时间戳标记；埋入土体的感温元件采用低自热设计，数据采集终端、通信设备或供电单元可配置低温启动或温控加热措施；沉降位移监测数据由gnss监测装置、静力水准仪、位移计和/或遥感形变监测数据获得。

11、前述的考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统，所述季节动态参数配置模块按以下阈值判据识别生态季节：

12、完全冻结季：活动层内连续预定数量的测温点在预定持续时间内低于预设的第一温度阈值；

13、春季融冻季：浅层测温点由低于所述第一温度阈值向高于预设的第二温度阈值变化，且活动层内存在冻融过渡层；

14、完全融化季：活动层内连续预定数量的测温点在预定持续时间内高于所述第二温度阈值；

15、秋季冻结过渡期：浅层测温点由高于所述第二温度阈值向低于所述第一温度阈值变化；

16、其中，所述第一温度阈值和第二温度阈值为用于识别活动层冻结、融化及过渡状态的工程管理判别阈值，所述第一温度阈值低于所述第二温度阈值，并根据研究区土体类型、含水状态及长期地温观测数据进行标定。优选实施例中，可围绕研究区实测冻结/融化转折温度设置滞回阈值，例如第一温度阈值取-0.5℃、第二温度阈值取+0.5℃；实际阈值以现场标定结果为准，且所述管理阈值不等同于统一固定的土体实际相变温度。

17、所述季节动态参数配置模块内置温度状态机，以每日多深度地温测量序列为输入，结合测温点的空间层位、温度区间、温度变化趋势及预定持续时间判定生态季节，并输出对应的季节标签；

18、且所述温度状态机设有滞回比较器，以防止温度测量噪声引起季节标签在边界处频繁振荡。

19、前述的考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统，所述动物迁徙路径建模与生态廊道规划优化模块包括：

20、阻力面构建单元，根据地表覆盖类型、植被覆盖度、地形条件、距路基距离及其他动物移动环境因子为空间像元赋予基础阻力值，并分别加载所述季节动态参数配置模块提供的与不同生态季节对应的阻力值参数集，生成多个季节动态阻力面；

21、约束条件计算单元，根据所述多深度地温测量数据以及预先获取的体积含冰量空间数据计算冻土热稳定性指数；所述体积含冰量空间数据通过钻孔取样、冻土含冰量试验和/或地球物理反演获得，并经空间插值形成栅格数据；所述冻土热稳定性指数的计算公式为：

22、

23、式中：为冻土热稳定性指数，无量纲，数值越高表征热稳定性越低、热扰动及融沉风险越大；为活动层地温年较差；为多年冻土上限以下预定深度处的年平均地温；为归一化体积含冰量；为研究区域内活动层地温年较差的多年统计上限值；为研究区域内多年冻土年平均地温绝对值的统计上限值；、、为经历史地温及融沉观测数据率定的非负加权系数，且满足；各归一化项限定在范围内。

24、路径搜索与优化单元，在多个季节动态阻力面上分别运行最小成本路径算法计算候选廊道路径，对候选廊道进行跨季节联合评价，并以冻土热稳定性指数满足预设允许条件作为候选方案可行性的硬约束，以生态连通性和工程经济性为优化目标进行多目标迭代优化，输出生态廊道设计方案。

25、前述系统中，所述阻力面构建单元还设有温度扰动输入接口，用于接收地表温度测量数据，并通过地表温度传感器、无人机热红外数据和/或空间插值获得地表温度空间分布；针对空间像元x，按以下公式计算温度扰动修正系数：

26、

27、式中：为像元的温度扰动修正系数，为像元的当前地表温度测量值，为同一生态季节像元的历史同期平均地表温度，为同一生态季节历史地表温度的正常波动幅度，为根据目标物种历史穿越数据和/或物种温度响应数据标定的、可正可负的目标物种—生态季节温度敏感系数；当偏离1超过预设阈值时，仅对对应像元或受影响区域的当前季节基础阻力值进行局部修正，并将及修正后的阻力值限制在预设合理范围内。

28、前述的考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统，

29、所述冻土热稳定性指数作为硬约束的具体实现方式为：当候选廊道路径所经区域的冻土热稳定性指数平均值超过第一允许阈值，或者最大值超过第二允许阈值时，该候选方案在优化迭代中被标记为不可行并予以淘汰；

30、所述路径搜索与优化单元还根据电路理论模型获得候选廊道路径缓冲区的电流密度空间分布，并根据电流密度相对于廊道中心区域最大电流密度衰减至预设比例的位置确定廊道两侧功能边界，以获得廊道功能宽度。

31、前述系统中，所述实时动物活动监测与生态连通性评估模块以同期活动层融化深度偏离度表征冻土热状态偏离程度，并按以下公式计算：

32、

33、式中：为时刻对应的同期活动层融化深度偏离度；为根据当前多深度地温测量数据中冻结/融化界面位置获得的活动层融化深度；为基准期同一日期或同一生态季节对应的活动层融化深度基准值；为预设的正值最小参考深度，用于避免基准融化深度为0或过小时相对偏离度失真；当超过预设阈值时，所述生态连通性动态评分乘以预设的降权系数；

34、所述实时动物活动监测与生态连通性评估模块还包括积雪连通系数计算单元，用于基于冬季遥感影像、无人机影像和/或雪深传感器数据获得廊道关键穿越区域的归一化积雪覆盖率，其中，并按计算积雪连通系数；当积雪覆盖率及其持续时间满足预设条件时独立生成“雪封障碍”事件标签。

35、前述的考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理系统，所述动态调控与决策反馈模块内置多级预警规则，包括：

36、冻土热状态预警：根据所述同期活动层融化深度偏离度超限触发；融沉预警：根据所述沉降位移监测数据计算的累计融沉量超限触发；

37、雪封预警：根据积雪覆盖率及持续时间超限触发；

38、连通性预警：当生态连通性动态评分在连续预设数量的评估周期内低于对应预设分值时触发；

39、各预警等级分别对应不同的管理措施推送策略；所述动态调控与决策反馈模块还包括廊道管理策略知识库，结构化存储适应性管理措施，每项管理措施至少关联适用季节标签、触发条件及历史实施效果。

40、前述系统中，所述模型在线学习与参数校准单元采用基于自适应网格的局部阻力扰动法进行校准，具体为：提取经验证的成功穿越事件轨迹点集，根据目标物种活动尺度和定位误差确定自适应网格尺寸，统计各网格实际穿越强度与模型预测穿越强度的比值；当所述比值高于预设区间上限时，按照预设调整步长减小对应网格阻力值；当所述比值低于预设区间下限时，按照预设调整步长增大对应网格阻力值；调整后重新运行动物迁徙模拟并重复校准，直至连续预设数量的校准周期满足收敛判据；

41、前述系统还包括数据安全与隐私保护模块和系统鲁棒性与故障容错模块；所述数据安全与隐私保护模块对敏感物种的精确分布点位实施脱敏与访问权限分级；所述系统鲁棒性与故障容错模块用于在通信链路中断、传感器异常或核心服务故障时，通过边缘缓存与断点续传机制、传感器冗余与投票机制以及核心服务降级运行机制维持数据连续性及核心监测和预警功能。

42、其次，本发明提供一种考虑温度扰动的冻土区路基沿线生态廊道智能规划与生物多样性动态自适应管理方法，该方法采用前述的系统进行规划与管理，具体包括以下步骤：

43、s1：在拟建路基沿线区域布设多源感知设备，获取多源感知数据并存入时空数据库，所述多源感知数据至少包括物种活动数据、地表覆盖数据、多深度地温测量数据、地表温度测量数据、冻土属性数据以及沉降位移监测数据；

44、s2：对所述多源感知数据进行ai识别处理，提取物种分布信息、多样性指标、地表覆盖类型及环境空间数据，并根据物种分布信息确定目标物种的核心生境斑块；

45、s3：根据多深度地温测量数据与预设温度阈值及温度变化趋势识别当前所处的生态季节，生成季节标签以及与所述季节标签对应的阻力值参数集；

46、s4：在规划阶段，根据地表覆盖类型、环境空间数据及不同生态季节对应的阻力值参数集分别生成多个季节动态阻力面，根据多深度地温测量数据和体积含冰量空间数据计算冻土热稳定性指数，并以所述冻土热稳定性指数作为候选廊道方案的硬约束，通过路径搜索、电路理论分析与多目标优化生成生态廊道设计方案；

47、s5：在廊道投入运营后，根据实时多深度地温测量数据计算同期活动层融化深度偏离度，根据地表温度空间分布对当前季节阻力面进行温度扰动修正，并结合动物穿越监测数据生成生态连通性动态评分；

48、s6：根据所述生态连通性动态评分、同期活动层融化深度偏离度、积雪障碍状态和/或累计融沉量触发相应预警，输出管理措施建议，并记录措施实施后的效果数据；

49、s7：根据所述效果数据和经验证的成功穿越事件，对所述动态阻力面的局部阻力参数进行定期校准，并将校准结果用于后续规划评价和管理决策。

50、本发明具备的有益效果如下：

51、1）本发明通过季节动态参数配置模块，依据实时地温测量数据自动识别完全冻结季、春季融冻季、完全融化季和秋季冻结过渡期四个生态季节，并驱动阻力面构建单元切换对应的阻力值参数集，使得动物迁徙模拟不再依赖单一静态阻力图，而是能够反映沼泽和水体在冻结季硬化成为临时通道、在融冻期泥泞饱和通行阻力达到峰值这一冻土区特有的冬通夏阻交替格局。由此生成的廊道路径，是经过四个季节阻力面综合检验的结果，其选址在不同季节均具备通行可行性，避免了传统方法因忽视季节动态而导致廊道实际效能与设计预期严重偏离的问题。

52、2）本发明在阻力面中引入空间化温度扰动修正系数(x)，将不同位置当前地表温度偏离历史同期正常波动的程度量化为对应像元阻力值的局部调整量；在连通性评估中以同期活动层融化深度偏离度(t)表征冻土热状态变化，避免将不同季节的瞬时融化深度与固定年最大活动层厚度直接比较。两项机制分别承担动物即时移动环境修正和冻土热状态评价功能，使温度数据与规划、运营环节之间形成明确的计算关系。

53、3）本发明将冻土热稳定性指数（）作为廊道选址与结构设计的工程硬约束，直接嵌入多目标优化模型的可行解筛选条件，而不将其与地表覆盖、坡度等动物移动阻力因子重复加权；当候选方案的平均值或最大值超过对应允许阈值时直接判定为不可行，从而在规划阶段实现生态移动阻力与冻土工程安全约束的分层处理，并在满足热稳定性条件的可行域内进一步优化生态连通性与工程经济性。

54、4）本发明系统在传感器层面采用工业级宽温器件和低自热感温设计，埋地感温元件不通过持续主动加热维持工作，而将必要的低温启动或温控加热措施设置于数据采集终端、通信设备或供电单元，以减小设备自身产热对地温测量的干扰；各测温通道采用统一时间基准同步记录，并结合分布式测温光纤高密度采集，为冻土热状态计算提供连续的温度时间序列；系统同时设置边缘缓存与断点续传、传感器冗余与投票、核心服务降级运行以及数据脱敏和分级访问控制，提高寒区环境下的工程可部署性。

55、5）本发明在运营阶段持续接收现场传感器实时数据，生态连通性评分按预设周期滚动计算，并与同期活动层融化深度偏离度、积雪连通系数及沉降位移状态进行交叉验证。当连通性或物理通行条件异常时，预警规则根据对应指标触发分级警报；廊道管理策略知识库据此推送适用当前季节的具体措施；执行反馈接口记录措施实施后的效果；模型在线学习与参数校准单元定期提取经验证的成功穿越事件，对动态阻力面中的局部阻力参数进行自适应修正，从感知到评估、调控和模型更新构成闭合回路。

56、总体而言，本发明通过将多深度地温、地表温度、冻土属性和动物活动数据按照不同技术用途进行分层处理，利用季节动态参数生成多时相动物移动阻力面，以冻土热稳定性指数作为候选廊道方案的工程硬约束，并建立由同期冻土热状态、积雪障碍、结构变形及动物成功穿越事件共同驱动的运营期动态评估与自适应调控机制，形成感知—评估—调控—学习的完整闭环管理体系。