区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统的制作方法

本技术涉及遥感数据处理与生态环境监测，具体涉及区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统。

背景技术：

1、在区域生态空间格局监控中，通常依赖多源遥感数据计算景观格局指标以评估生态状况。然而，由于不同时期或不同传感器获取的遥感影像空间分辨率存在差异，直接计算得到的景观格局指标会产生显著的尺度效应，即同一地物在不同分辨率下呈现出不同的格局特征。现有的重采样方法虽然能够统一分辨率，但容易丢失高分辨率影像中的地表生态边界信息或引入混合像元误差。此外，当实时监测数据的分辨率发生变化时，指标数值的波动往往是由分辨率差异引起的虚假变化而非真实的生态格局演变，这种分辨率伪影会导致监控系统产生误报或漏报，严重影响生态保护的决策准确性。因此，急需一种能够在保留高分辨率主导生态边界的前提下消除尺度效应并剔除分辨率伪影的生态格局监控系统。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的多源遥感数据因分辨率不一致导致景观格局指标产生尺度效应及分辨率伪影的问题，本技术通过区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统，实现跨尺度遥感数据的高精度生态格局监控与可靠告警。

2、为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、一种区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统，包括：数据对齐模块，用于获取目标区域的多源遥感数据，确定基准遥感影像的基准空间分辨率和实时遥感影像的实时空间分辨率；响应于实时空间分辨率高于基准空间分辨率，基于生态功能等效条件对实时遥感影像中的细碎生态斑块执行空间聚合，并重采样至基准空间分辨率，得到尺度对齐栅格数据；尺度归一化模块，用于基于尺度对齐栅格数据计算实时景观格局指标，获取表征实时空间分辨率与基准空间分辨率下指标响应关系的尺度响应系数，并基于尺度响应系数修正实时景观格局指标，得到尺度归一化景观格局指标；伪影剔除与告警模块，用于确定实时遥感影像在空间聚合前的原始景观格局指标，基于原始景观格局指标与历史基准格局指标的第一偏差方向、尺度归一化景观格局指标与历史基准格局指标的第二偏差方向识别分辨率伪影；响应于未识别出分辨率伪影，比对尺度归一化景观格局指标与历史基准格局指标，并在偏差超过预设告警阈值时生成告警。

4、上述方案通过数据对齐模块在实时分辨率较高时基于生态功能等效条件进行空间聚合，保留了主导生态斑块的边界完整性，避免了传统重采样造成的细节丢失；通过尺度归一化模块利用跨分辨率层级的尺度响应关系对指标进行修正，从根本上消除了尺度效应对指标数值的影响；通过伪影剔除与告警模块比对尺度转换前后的指标变化趋势，精准识别并过滤由分辨率变化引起的虚假波动，从而确保了生态格局监控结果的真实性与告警的可靠性。

5、进一步地，数据对齐模块基于生态功能等效条件对实时遥感影像中的细碎生态斑块执行空间聚合，包括：统计实时遥感影像中各连通斑块的实际面积，将实际面积小于功能等效面积阈值的连通斑块作为细碎生态斑块；确定各细碎生态斑块的邻接斑块中面积最大的斑块作为主导生态斑块；将细碎生态斑块的像元类别更新为主导生态斑块的生态类型，使细碎生态斑块归并至主导生态斑块。

6、此可选实施方式通过设定功能等效面积阈值筛选出对宏观格局贡献较小的细碎斑块，并将其拓扑归并至相邻的主导斑块，既消除了高分辨率下因过度破碎化导致的噪声干扰，又维持了区域生态功能的整体表征，为后续尺度对齐提供了语义一致的栅格基础。

7、进一步地，功能等效面积阈值的确定过程包括：计算基准空间分辨率下单个像元的面积作为基准像元面积；获取各生态类型对应的最小可辨识面积；将基准像元面积与相应生态类型的最小可辨识面积中的较大值，作为该生态类型对应的功能等效面积阈值；将细碎生态斑块的像元类别更新为主导生态斑块的生态类型，包括：判断细碎生态斑块与主导生态斑块的生态类型是否一致；若一致，则将细碎生态斑块的像元类别重新赋值为所述主导生态斑块的生态类型，使细碎生态斑块在连通性上并入主导生态斑块；若不一致，则将细碎生态斑块的像元类别重新赋值为所述主导生态斑块的生态类型，使细碎生态斑块归并至主导生态斑块。

8、此可选实施方式结合了基准分辨率的物理限制与生态类型的语义约束来确定聚合阈值，并通过类型一致性判断分支处理归并逻辑，确保了聚合操作既符合遥感成像机理，又尊重生态学意义上的斑块独立性，防止了不同类型生态斑块的错误融合。

9、进一步地，尺度归一化模块获取尺度响应系数，包括：以基准空间分辨率为起点，按预设尺度递增步长生成多个模拟分辨率层级；对实时遥感影像分别重采样至各模拟分辨率层级，并在各模拟分辨率层级下计算对应的模拟景观格局指标值；基于模拟分辨率层级和模拟景观格局指标值构建尺度响应曲线；从尺度响应曲线上分别读取实时空间分辨率处对应的第一模拟景观格局指标值，以及基准空间分辨率处对应的第二模拟景观格局指标值；将第一模拟景观格局指标值与第二模拟景观格局指标值的比值，作为尺度响应系数。

10、此可选实施方式通过构建多分辨率层级的尺度响应曲线，量化了景观格局指标随分辨率变化的非线性响应规律，使得尺度响应系数能够动态反映当前实时分辨率相对于基准分辨率的理论偏差，为指标的归一化修正提供了精确的数学依据。

11、进一步地，基于模拟分辨率层级和模拟景观格局指标值构建尺度响应曲线，包括：分别计算各模拟分辨率层级下的景观破碎度指标、斑块连通性指标和香农多样性指标；对景观破碎度指标、斑块连通性指标和香农多样性指标分别进行对数变换后，以模拟分辨率层级的对数值为自变量进行线性回归拟合，得到各指标对应的尺度响应回归方程；分别计算各尺度响应回归方程在实时空间分辨率处的第一预测值和在基准空间分辨率处的第二预测值，将各指标的第一预测值与第二预测值的比值作为各指标对应的单项尺度响应系数；将各单项尺度响应系数进行加权平均，得到综合尺度响应系数作为尺度响应系数；加权平均的权重基于各指标对生态格局变化的敏感度预设。

12、此可选实施方式通过对多种关键景观指标进行对数线性回归拟合，捕捉了不同维度格局特征的尺度依赖性，并结合敏感度加权平均生成综合系数，克服了单一指标尺度响应的片面性，提升了归一化修正结果对复杂生态格局变化的表征能力。

13、进一步地，伪影剔除与告警模块基于原始景观格局指标与历史基准格局指标的第一偏差方向、尺度归一化景观格局指标与历史基准格局指标的第二偏差方向识别分辨率伪影，包括：计算原始景观格局指标与历史基准格局指标的第一偏差方向，以及尺度归一化景观格局指标与历史基准格局指标的第二偏差方向；若第一偏差方向与第二偏差方向相反，则判定当前指标变化为分辨率伪影，将尺度归一化景观格局指标修正为历史基准格局指标后跳过告警；若第一偏差方向与第二偏差方向相同，则判定未识别出分辨率伪影，保留尺度归一化景观格局指标并执行偏差比对。

14、此可选实施方式利用原始指标与归一化指标相对于历史基准的变化趋势一致性作为伪影判别准则，当两者趋势相反时说明归一化过程引入了反向扰动或原始数据本身仅为分辨率噪声，从而有效拦截了虚假告警，增强了监控系统的鲁棒性。

15、进一步地，还包括动态监测窗口确定模块，用于：从尺度对齐栅格数据中按预设采样间隔提取样本像元，计算样本像元在不同滞后距离下的半变异函数值；对半变异函数值进行球状模型拟合，提取拟合曲线的变程值作为半变异函数变程；将半变异函数变程向上取整至基准空间分辨率的整数倍，得到初始窗口边长；获取当前边缘计算节点的可用内存容量，计算可用内存容量能够承载的最大栅格像元数量，并基于最大栅格像元数量和基准空间分辨率确定内存约束边长；将初始窗口边长和内存约束边长中的较小值作为动态监测窗口的窗口边长；伪影剔除与告警模块在偏差超过预设告警阈值时生成告警，包括：计算尺度归一化景观格局指标与历史基准格局指标的绝对偏差值；将绝对偏差值与第一级告警阈值和第二级告警阈值进行比对；第一级告警阈值小于第二级告警阈值；若绝对偏差值大于第一级告警阈值且小于或等于第二级告警阈值，则生成格局趋势预警；若绝对偏差值大于第二级告警阈值，则生成格局突变告警，并触发目标区域的加密观测指令。

16、此可选实施方式通过半变异函数变程确定符合地学统计规律的监测窗口，同时结合边缘计算节点的内存约束进行自适应调整，兼顾了格局分析的科学性与工程实现的可行性；分级告警机制则根据偏差程度区分趋势性变化与突发性破坏，并联动加密观测，实现了监控资源的优化配置。

17、进一步地，还包括基准更新模块，用于：按照预设时间周期持续获取多源遥感数据，并将各时间周期对应的尺度归一化景观格局指标存储至时序指标数据库；当连续多个时间周期的尺度归一化景观格局指标呈现单调变化趋势时，将历史基准格局指标更新为最近预设数量个时间周期的尺度归一化景观格局指标的滑动平均值；以更新后的历史基准格局指标作为后续时间周期的偏差比对基准。

18、此可选实施方式通过监测指标的单调变化趋势触发布局基准的动态更新，使历史基准值能够跟随生态格局的自然演进而自适应漂移，避免了因基准长期固定而将正常的生态演替误判为异常变化，提升了长期监控的适应性。

19、此外，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述方案所述的区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统。

20、上述计算机设备通过处理器执行存储在存储器中的程序，实现了前述系统的全部功能模块，为生态格局监控提供了实体硬件载体，便于在边缘计算节点或云端服务器中部署实施。

21、此外，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述方案所述的区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统。

22、上述计算机可读存储介质承载了实现监控系统功能的程序指令，支持软件的独立分发、版本管理及跨平台部署。

23、有益效果：

24、本技术提供的区域生态空间格局大数据实时监控与保护管理系统，通过数据对齐模块在实时分辨率高于基准分辨率时，基于生态功能等效条件将细碎斑块归并至主导斑块并重采样，在消除高分辨率噪声的同时保留了关键生态边界信息，解决了传统重采样导致的地表细节丢失问题。在此基础上，尺度归一化模块利用多分辨率层级构建的尺度响应曲线获取尺度响应系数，对实时景观格局指标进行归一化修正，从数学原理上解耦了指标数值对空间分辨率的依赖，有效克服了多源数据融合中的尺度效应。进一步地，伪影剔除与告警模块通过比对原始指标与归一化指标相对于历史基准的偏差方向，精准识别因分辨率切换引起的虚假波动，仅在确认非伪影后才触发告警，显著降低了误报率。三者协同作用，实现了跨尺度、高可靠性的区域生态空间格局实时监控，为生态保护决策提供了准确的数据支撑。