一种基于样地嵌套取样的植被监测系统及方法

本发明涉及生态评估，具体为一种基于样地嵌套取样的植被监测系统及方法。

背景技术：

1、植被监测工作在生态修复评估、森林群落调查、草地退化识别以及生物多样性长期观测中持续开展，相关监测任务通常并不是只关心某一时点的物种名录或盖度结果，而是需要在同一监测区域内连续掌握不同空间尺度上的变化轨迹。基于此，样地嵌套取样已经成为植被监测中的常见组织方式，即在母样地内依次布设不同尺度的子样方，对乔木层、灌木层和草本层进行分层记录，从而兼顾总体格局与局部细节。

2、现有技术中，已经能够通过固定样方和永久监测点实现长期复测，并通过物种种类、数量以及多样性指数比较不同时间段的植被动态变化；以及能够在20m×20m乔木样方内部继续设置5m×5m灌木样方和1m×1m草本样方，完成嵌套层级调查并分别考察乔木层、灌木层和草本层的结构差异。可是，当母样地总体指标出现异常波动时，例如总盖度突降、优势种排序突变或某一时段物种数异常增减，只能给出样方层面的时间比较结果，无法继续定位异常来自哪一个子样方、哪一个植物层或哪一种局部变化；虽然具备嵌套层级记录能力，但分析重点在不同层的结构差异和样地间关系，并未建立回溯链；

3、在实际监测过程中，母样地尺度上的异常结果往往由局部空间单元变化、单一植物层变化或者局部短时干扰事件引起，例如边缘带扰动、灌木层局部更新、草本层季节性替换、补植区与自然恢复区混杂等情况都可能先在局部子样方内发生，再向母样地统计结果传导。当现有监测流程缺少跨尺度异常回溯流程时，监测人员通常只能看到母样地结果异常，却难以及时确认异常来源位置、异常来源层级和异常来源类型，进而容易出现三类不良后果：第一，异常结果只能被笼统记录为整体波动，导致后续修复评估和趋势判断失准；第二，局部异常与整体趋势相混杂，容易把局部扰动误判为群落整体演替；第三，复核工作只能依赖再次大范围外业排查，造成复测成本增加且异常原因滞后识别。随着长期监测周期延长，这类问题会持续累积，最终削弱样地嵌套取样在长期植被监测中的解释能力与决策支撑能力

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于样地嵌套取样的植被监测系统及方法，解决了背景技术中提到的问题。

2、本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于样地嵌套取样的植被监测方法，包括以下步骤：

3、s1、采集母样地及母样地内部各级嵌套子样方在当前监测周期内的植被监测数据，并调取对应历史监测数据，依据母样地与各级嵌套子样方之间的层级关系和位置关系，形成当前监测记录cur、历史基准记录bas和层级关联表rel；s2、基于当前监测记录cur与历史基准记录bas，对母样地尺度的植被监测结果进行差异比较，在差异比较结果满足预设异常触发条件时，生成对应母样地的异常触发集合trg；s3、基于异常触发集合trg和层级关联表rel，对发生异常的母样地按照嵌套层级向下逐级定位对应的异常嵌套子样方，并结合当前监测记录cur与历史基准记录bas确定异常变化对应的目标植物层，形成定位结果loc和层级结果lay；s4、基于定位结果loc和层级结果lay，对异常变化执行跨尺度来源回溯，确定异常变化来源，输出来源结果src，并根据异常触发集合trg、定位结果loc、层级结果lay和来源结果src生成解释结果res。

4、优选的，所述s1包括s11；s11、读取母样地建样记录和对应的嵌套子样方建样记录；根据母样地建样记录中包括的母样地编号、四角固定标记位置、边界连接顺序、边长信息和方位基线，在现场依次查找四角固定标记，并按照边界连接顺序连接相邻固定标记，确定为母样地边界；再根据嵌套子样方建样记录中包括的上一级样地编号、本级嵌套子样方编号、嵌套层级、中心位置、边界范围和布设顺序，在已确定为母样地边界的母样地内部逐一确定一级嵌套子样方的位置和范围，在已确定位置和范围的一级嵌套子样方内部逐一确定二级嵌套子样方的位置和范围，在已确定位置和范围的二级嵌套子样方内部逐一确定末级嵌套子样方的位置和范围；然后，将母样地、一级嵌套子样方、二级嵌套子样方和末级嵌套子样方分别确定为调查对象单元，并对每一个调查对象单元分别记录母样地编号、嵌套子样方编号、嵌套层级、中心位置、边界范围和调查时间；在每一个调查对象单元内部按照乔木层、灌木层和草本层分别采集物种名称、物种数量、盖度和高度，在乔木层存在时继续采集胸径或者冠幅，在灌木层存在时继续采集株数或者丛数，在草本层存在时继续采集株数、丛数或者地表覆盖情况；完成全部调查对象单元的数据采集后，将各调查对象单元对应的数据按照母样地、一级嵌套子样方、二级嵌套子样方和末级嵌套子样方的层级顺序进行整理，形成当前监测记录cur。

5、优选的，所述s1还包括s12；s12、读取当前监测记录cur中每一个调查对象单元对应的母样地编号、嵌套子样方编号、嵌套层级、中心位置和边界范围，并按照相同的母样地编号、相同的嵌套子样方编号和相同的嵌套层级，从历史监测档案中检索对应历史监测数据；在检索到多期历史监测数据时，先读取上一监测周期对应的历史监测数据，并将上一监测周期对应的中心位置和边界范围与当前监测记录cur中的中心位置和边界范围进行比对，在中心位置相同且边界范围相同时，将上一监测周期对应的历史监测数据确定为目标历史监测数据；在上一监测周期对应的历史监测数据不存在、中心位置不相同、边界范围不相同或者记录不完整时，继续按时间倒序读取更早监测周期的历史监测数据，并按照相同的比对方式确定最近一期完整有效且中心位置相同、边界范围相同的历史监测数据为目标历史监测数据；在全部调查对象单元对应的目标历史监测数据均确定后，将全部目标历史监测数据整理形成历史基准记录bas；同时，读取母样地建样记录和嵌套子样方建样记录，按照母样地与一级嵌套子样方之间的包含关系、一级嵌套子样方与二级嵌套子样方之间的包含关系、二级嵌套子样方与末级嵌套子样方之间的包含关系，以及各级嵌套子样方在对应上一级样地内部的中心位置、边界范围和布设顺序，建立上一级样地到下一级嵌套子样方之间的层级对应关系和位置对应关系，并将层级对应关系和位置对应关系整理形成层级关联表rel。

6、优选的，所述s2包括s21；

7、s21、读取当前监测记录cur和历史基准记录bas中母样地编号相同的记录，并按母样地编号对对应记录进行归并整理，分别形成母样地尺度的母样地当前整理结果cut和母样地历史整理结果his；再基于母样地当前整理结果cut与母样地历史整理结果his，分别执行对比，包括：按总物种数量执行对比，形成物种数量差异结果spc；按总盖度执行对比，形成盖度差异结果cov；按优势种排序执行对比，形成优势种差异结果dom；按层分布情况执行对比，形成层分布差异结果lyr；最后，将物种数量差异结果spc、盖度差异结果cov、优势种差异结果dom和层分布差异结果lyr按母样地编号进行汇总，形成对应母样地的母样地比较结果cmp。

8、优选的，所述s2还包括s22；

9、s22、读取每一个母样地对应的母样地比较结果cmp，并提取其中的物种数量差异结果spc、盖度差异结果cov、优势种差异结果dom和层分布差异结果lyr；将物种数量差异结果spc、盖度差异结果cov、优势种差异结果dom和层分布差异结果lyr分别与对应的异常判定条件进行比对，并在任一差异结果满足对应异常判定条件时，生成该母样地对应的异常条目；

10、所述异常条目至少包括母样地编号和异常项目名称，所述异常项目名称为物种数量异常、盖度异常、优势种异常或者层分布异常；将全部异常条目按母样地编号进行汇总，形成异常触发集合trg。

11、优选的，所述s3包括s31；

12、s31、读取异常触发集合trg中的每一异常条目，并读取与对应母样地编号相匹配的层级关联表rel；依据层级关联表rel中母样地与一级嵌套子样方之间的层级对应关系、一级嵌套子样方与二级嵌套子样方之间的层级对应关系以及二级嵌套子样方与末级嵌套子样方之间的层级对应关系，逐级提取对应母样地下的一级嵌套子样方编号、二级嵌套子样方编号和末级嵌套子样方编号；再根据提取出的各级嵌套子样方编号，从当前监测记录cur和历史基准记录bas中分别读取对应的当前监测数据和历史监测数据，并按对应异常条目的异常项目名称执行对比；将对比后变化程度最大的嵌套子样方确定为对应的异常嵌套子样方；最后，将母样地编号、异常项目名称、对应的异常嵌套子样方和嵌套层级进行整理，形成定位结果loc。

13、优选的，所述s3还包括s32；

14、s32、读取定位结果loc中的每一条定位记录，并从当前监测记录cur和历史基准记录bas中分别提取对应的异常嵌套子样方的乔木层记录、灌木层记录和草本层记录；再根据对应定位记录中的异常项目名称，对乔木层记录、灌木层记录和草本层记录分别执行对比，并将对比结果按同一对应的异常嵌套子样方进行汇总，形成植物层比较结果pla；然后，将植物层比较结果pla与对应定位记录中的异常项目名称进行对应判断，将变化程度最大的植物层确定为目标植物层；最后，将母样地编号、异常项目名称、对应的异常嵌套子样方和目标植物层进行整理，形成层级结果lay。

15、优选的，所述s4包括s41；

16、s41、读取定位结果loc中的每一条定位记录，并读取层级结果lay中与对应定位记录相匹配的目标植物层；再根据层级关联表rel，提取对应的异常嵌套子样方的上一级嵌套子样方和下一级嵌套子样方，并从当前监测记录cur和历史基准记录bas中分别提取母样地、上一级嵌套子样方、对应的异常嵌套子样方和下一级嵌套子样方中与目标植物层相对应的记录；然后，根据对应定位记录中的异常项目名称，对上述各层级位置对应的记录执行回溯对比，并将对比后变化程度最大的层级位置确定为异常变化来源；最后，将母样地编号、异常项目名称、对应的异常嵌套子样方、目标植物层和异常变化来源进行整理，形成来源结果src。

17、优选的，所述s4还包括s42；

18、s42、读取异常触发集合trg、定位结果loc、层级结果lay和来源结果src中母样地编号相同且异常项目名称相同的记录；再以母样地编号、异常项目名称和对应的异常嵌套子样方为对应条件，将同一母样地下的异常条目、对应的异常嵌套子样方、目标植物层和异常变化来源进行对应汇总；然后，将汇总后的内容整理为对应母样地的解释记录，并按母样地编号进行汇总，形成解释结果res。

19、一种基于样地嵌套取样的植被监测系统，包括母子地层级数据采集模块、异常触发模块、定位和层级反馈模块和汇总决策模块；

20、所述母子地层级数据采集模块采集母样地及母样地内部各级嵌套子样方在当前监测周期内的植被监测数据，并调取对应历史监测数据，依据母样地与各级嵌套子样方之间的层级关系和位置关系，形成当前监测记录cur、历史基准记录bas和层级关联表rel；所述异常触发模块基于当前监测记录cur与历史基准记录bas，对母样地尺度的植被监测结果进行差异比较，在差异比较结果满足预设异常触发条件时，生成对应母样地的异常触发集合trg；

21、所述定位和层级反馈模块基于异常触发集合trg和层级关联表rel，对发生异常的母样地按照嵌套层级向下逐级定位对应的异常嵌套子样方，并结合当前监测记录cur与历史基准记录bas确定异常变化对应的目标植物层，形成定位结果loc和层级结果lay；所述汇总决策模块基于定位结果loc和层级结果lay，对异常变化执行跨尺度来源回溯，确定异常变化来源，输出来源结果src，并根据异常触发集合trg、定位结果loc、层级结果lay和来源结果src生成解释结果res。

22、本发明提供了一种基于样地嵌套取样的植被监测系统及方法，具备以下有益效果：

23、（1）通过利用当前监测记录cur、历史基准记录bas和层级关联表rel建立母样地与各级嵌套子样方之间的统一对应关系，再由异常触发集合trg先在母样地尺度识别异常，再由定位结果loc把异常范围从母样地收缩到对应的异常嵌套子样方，再由层级结果lay把异常变化继续收缩到乔木层、灌木层或者草本层中的目标植物层，最后由来源结果src把异常变化落实到具体层级位置，并生成解释结果res；因此，达到的好处不只是发现植被异常，而是能够把原本只能停留在母样地整体统计层面的异常，进一步解释为哪一个母样地发生异常、哪一个对应的异常嵌套子样方引起异常、哪一个目标植物层主导异常、异常变化来源落在哪一个层级位置，从而直接解决现有技术中只能看见母样地总物种数量、总盖度或者优势种排序出现波动，却无法继续判断异常到底来自局部子样方还是来自某一植物层的问题。

24、（2）通过依据异常触发集合trg和层级关联表rel把母样地层面已经识别出的异常条目继续向下定位到对应的异常嵌套子样方，再利用当前监测记录cur、历史基准记录bas和植物层比较结果pla，把对应的异常嵌套子样方内部的乔木层、灌木层和草本层进一步筛选到一个目标植物层，因此这一部分达到的好处，不是前面已经说明的建立同源数据基础，也不是在母样地尺度上筛出异常，而是能够把原本仍然停留在母样地层面的异常条目，继续收缩为哪一个对应的异常嵌套子样方发生了主导变化、哪一个目标植物层真正承担了该异常变化，从而避免后续对全部一级嵌套子样方、二级嵌套子样方、末级嵌套子样方以及全部植物层盲目排查。

25、（3）通过在已经得到定位结果loc和层级结果lay的基础上，继续把异常变化从对应的异常嵌套子样方中的目标植物层发生了变化进一步落实为异常变化究竟来自母样地、上一级嵌套子样方、对应的异常嵌套子样方还是下一级嵌套子样方中的哪一个层级位置，并最终把异常触发集合trg、定位结果loc、层级结果lay和来源结果src中的关联内容整合为解释结果res，因此这一部分达到的好处，不是前面已经说明的建立同源数据基础，也不是在母样地尺度筛出异常或者把异常收缩到目标植物层，而是能够把已经定位到目标植物层的异常进一步转化为一条可直接用于判断原因和采取处置措施的完整解释链。