基于多源数据的贺兰山针叶林干旱适应性评估系统

本发明涉及林业信息处理与生态监测，更具体地说，本发明涉及基于多源数据的贺兰山针叶林干旱适应性评估系统。

背景技术：

1、目前，针叶林干旱适应性评价多以遥感影像、气象观测、土壤水分和林分调查数据为基础，通过时间配准、物候校正、指标融合或等级判定，分析林分在干旱过程中的受损程度与恢复表现；

2、贺兰山针叶林受海拔、坡向及局地水热条件影响，不同林分在同一日期可能分别处于生长启动、旺盛生长或生长衰退阶段，而卫星过境时间、气象采样时间和地面调查时间又相互独立，因此，各类数据只有在符合实际生长阶段及干旱演进先后关系时，才能共同表征林分的干旱响应；

3、现有方法通常在完成时间配准或物候校正后直接生成评价结果，未进一步检验该结果对时序关系的依赖程度，因而可能出现将相邻生长阶段数据、非干旱年份同期数据或其他干旱事件数据替换后，评价等级仍保持不变的情况；该现象表明评价结果主要受林龄、坡向、冠层密度或季节背景影响，未能真实反映干旱暴露、林分响应与后续恢复之间的对应关系；

4、本技术要解决的技术问题是：如何在多源数据知识融合过程中识别并排除因时序关系失真而形成的针叶林干旱适应性误判结果。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供基于多源数据的贺兰山针叶林干旱适应性评估系统，通过同拍采集与拍号校正形成林分时序，依据物候变化构建受旱关系链和恢复关系链，再逐源生成错位时序并利用回溯式最大公共子图核验关系链及排序邻位，识别并撤销因时序关系失真形成的干旱适应性评价结果，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于多源数据的贺兰山针叶林干旱适应性评估系统，包括：

3、多源采集模块，包括同拍控制器和观测端，按同拍号采集空气温湿后写入根区含水与冠层影像，由调查终端补入生长状态码，按林分编号定位后依拍号定序，再由来源编号分源，输出观测记录；

4、汇集模块，包括通信网关和存储装置，用于校正拍号，按位置写入林分编号，从冠层影像提取冠层覆盖值，再按林分编号归集后依拍号写入，形成林分时序；

5、知识融合模块，用于执行林业领域的信息处理和知识融合，根据冠层覆盖差值换向与生长状态码变化划分物候段，把同向差值并为变化片段，先连接气象干燥至根区失水，再连接根区失水至冠层下降，并连接根区回升至冠层回返，形成原始知识图，以连接两端拍号差生成承受拍数和恢复拍数，按承受拍数降序后依恢复拍数升序形成初始排序表；

6、错位构造模块，用于执行迭代幅值调整傅里叶法，逐源移位时序，以原傅里叶幅值替换移位幅值并保留相位，逆变换后按更新值秩位回填原值，同值依拍号定序，迭代至秩位序列首次重合，形成错位时序，按知识融合规则生成错位知识图及错位排序表；

7、评价模块，用于采用回溯式最大公共子图算法执行运筹研究或分析，在片段类型和来源编号均相同的节点间，按差值符号与连接方向一致配对，经回溯和剩余节点裁剪取得公共子图；公共子图保留失水至下降连接和回升至回返连接且林分相邻编号未变时，撤销初始排序并输出时序失真记录，否则输出干旱适应性评价记录。

8、在一个优选的实施方式中，所述多源采集模块包括：

9、由同拍控制器生成递增拍号，并向气象观测端发送采样沿，气象观测端读取空气温度值和空气湿度值后回写完成位，同拍控制器依据完成位以同一拍号触发根区观测端和冠层观测端，取得根区含水值和冠层影像；

10、其中同拍控制器是指统一控制各观测端采样时序的硬件控制器，内部设置拍号寄存器和触发信号输出端，每完成一次采样触发即将拍号递增一位，并在读取气象观测端返回的完成位后，以当前拍号向根区观测端和冠层观测端发送触发信号，使同一拍号对应的数据归入同一次林分观测；

11、采样沿是指同拍控制器输出的触发信号由低电平转换为高电平的时刻，该时刻作为一次采样的统一起始时刻，用于确定当前拍号下各观测端的数据取得顺序和调查记录读取时点；

12、根区观测端是指埋设于目标林分主要根系分布土层内的土壤含水监测装置，由土壤水分探头、采集电路和数据回传接口组成，在接收到当前拍号对应的触发信号后读取根区含水值，并将根区含水值与当前拍号绑定后回传；冠层观测端是指安装于能够覆盖目标林分冠层的位置并保持成像方向固定的图像采集装置，由相机、成像范围标定参数和数据回传接口组成，在接收到当前拍号对应的触发信号后取得冠层影像，并将冠层影像与当前拍号绑定后回传；

13、在根区含水值和冠层影像取得后，调查终端读取调查时刻不晚于当前采样沿的末条生长状态码，并将空气温度值、空气湿度值、根区含水值、冠层影像和生长状态码绑定为同拍数据组；

14、其中调查终端是指供林业调查人员录入林分生长调查结果的移动数据终端，内部保存调查时刻、林分编号和生长状态码，并按照调查时刻顺序存储调查记录，在形成当前同拍数据组时读取调查时刻不晚于当前采样沿且时间顺位在后的调查记录；

15、生长状态码是指用于表示目标林分在对应调查时刻所处生长阶段的定长编码，编码值与预先建立的林分生长阶段表逐项对应，同一林分在同一调查时刻仅写入一个生长状态码，后续状态变化通过写入新的调查记录表示。

16、在一个优选的实施方式中，所述多源采集模块还包括：

17、依据各观测端的安装坐标确定对应林班，冠层影像跨越林班边界时，按照成像范围与林班边界的交线切分冠层影像，并将切分后的冠层影像分别写入对应林分编号，使同拍数据组内各项数据指向同一林分；

18、其中林班是指依据森林资源调查成果划定的林业经营管理空间单元，每个林班对应唯一林分编号和一条闭合边界，闭合边界由统一坐标系下的边界点按顺位连接形成，用于判定观测端安装坐标及冠层影像成像范围所属的目标林分；

19、对于完成林分编号写入的同拍数据组，按照拍号和来源编号执行记录检查，同一拍号下同一来源出现多条记录时保留接收顺位首条记录，未在下一拍号生成前返回的数据写入缺采标记，迟到数据绑定原拍号并写入补采标记，再按林分编号、拍号和来源编号形成观测记录。

20、在一个优选的实施方式中，所述汇集模块包括：

21、接收到观测记录和同拍控制器写入的拍号表后，通信网关按来源编号读取相邻观测记录的本地顺位差，以前一校正拍号与本地顺位差之和确定当前校正拍号；当前校正拍号与观测记录携带拍号不一致时，写入拍号冲突位并保留当前校正拍号，形成校正记录；

22、依据校正记录中的采集位置读取林班边界，采集位置落入林班边界内部时写入对应林分编号，采集位置落在林班边界线上时按边界两侧林班编号升序写入首位林分编号，形成林分记录。

23、在一个优选的实施方式中，所述汇集模块还包括：

24、对于林分记录中的冠层影像，在对应林班投影区内读取相机标定时保存的冠层参考像素和地表参考像素，按相邻像素通道差建立像素邻接图并执行随机游走分割，将到达冠层参考像素概率高于到达地表参考像素概率的像素记为冠层像素，概率相同时按像素行号和列号升序记为地表像素，再以冠层像素数除以林班投影区像素数得到冠层覆盖值；

25、其中冠层参考像素是指相机标定时在冠层影像中经林分调查确认属于针叶林冠层的像素集合，地表参考像素是指相机标定时经林分调查确认属于裸地、林下植被或阴影背景的像素集合；两类参考像素分别保存像素行号、像素列号、来源编号和标定版本，并作为冠层影像随机游走分割的固定种子；

26、执行随机游走分割的过程为：将林班投影区内每个像素建立为一个节点，并在行号或列号相差一位的节点之间建立连接，以一除以一加连接两端像素各颜色通道差值绝对值之和得到连接权值；冠层参考像素的冠层到达概率固定为一、地表到达概率固定为零，地表参考像素的冠层到达概率固定为零、地表到达概率固定为一，对其余节点分别建立节点概率等于相邻节点概率按连接权值加权平均的方程，按照像素行号和列号升序排列未知节点后求解方程组，得到每个像素到达冠层参考像素和地表参考像素的概率；

27、完成冠层覆盖值计算后，存储装置以林分编号、校正拍号和来源编号组成记录键，将校正记录、林分编号和冠层覆盖值写入对应记录键，补采记录写回原记录键且不改变后续记录顺位，缺采记录保留空位，再按林分编号归集并依校正拍号升序形成林分时序；

28、其中补采记录是指某一来源在对应拍号下先形成缺采记录后，通信网关又接收到携带相同来源编号和原拍号的数据时，以接收数据填入原记录键并写入补采标记形成的记录，补采记录沿用原林分编号、校正拍号和来源编号，不新增记录顺位；缺采记录是指在下一拍号生成前，某一来源编号未返回当前拍号数据时，以当前林分编号、校正拍号和来源编号建立记录键，将数据字段留空并写入缺采标记形成的占位记录，用于保持各来源时序在同一拍号下的位置对应关系。

29、在一个优选的实施方式中，所述知识融合模块包括：

30、基于林分时序执行林业领域的信息处理和知识融合，读取冠层覆盖差值换向拍与生长状态码变化拍作为候选段界，以候选段界为节点、相邻候选段界之间的拍号区间为边，按区间内差值换向数与缺采拍数形成边代价，将生长状态码变化拍设为必经节点，通过区间动态规划按累计边代价递增和段界拍号升序读取首位路径，输出物候段；

31、在各物候段内计算空气温湿、根区含水和冠层覆盖的相邻拍差值，将符号相同且拍号相邻的差值合并为变化片段，以片段类型、差值符号、起止拍号和来源编号生成片段节点，并仅在气象干燥片段先于根区失水片段、根区失水片段先于冠层下降片段、根区回升片段先于冠层回返片段时建立候选边，输出候选知识图。

32、在一个优选的实施方式中，所述知识融合模块还包括：

33、对于候选知识图，以每个片段节点仅进入一条同类关系链、候选边方向沿拍号递增且关系链不跨物候段为约束，以候选边两端拍号差、片段幅值秩位差和缺采拍数之和作为边费用，采用网络单纯形算法按约化费用递增执行换基，直至全部非基边的约化费用不为负，再按节点拍号正向和反向计算完整关系链路径数，删除未处于完整关系链的候选边并重新换基，直至相邻两轮边集合一致，形成原始知识图；

34、根据原始知识图中根区失水片段起点至冠层下降片段起点的拍号差生成承受拍数，根据根区回升片段起点至冠层回返片段起点的拍号差生成恢复拍数，先按承受拍数降序排列林分，再对承受拍数相同的林分按恢复拍数升序排列，恢复拍数仍相同时按林分编号升序排列，输出初始排序表。

35、在一个优选的实施方式中，所述错位构造模块包括：

36、读取目标林分的物候段界、原始知识图和林分时序，依次固定一条来源时序并冻结其余来源时序，按照目标物候段起点与前后相邻物候段起点的拍号差形成前移量和后移量，以两个移位量分别循环移动固定来源时序，移位量为零时删除对应结果，输出逐源移位时序；

37、其中物候段界是指知识融合模块从冠层覆盖差值换向拍和生长状态码变化拍中选出的分段拍号，首个有效拍号和末个有效拍号分别作为起始段界和终止段界，相邻两个物候段界限定一个物候段；目标物候段起点与前一物候段起点的拍号差用于形成前移量，后一物候段起点与目标物候段起点的拍号差用于形成后移量；

38、对于每条逐源移位时序执行迭代幅值调整傅里叶法，读取对应原来源时序的傅里叶幅值和原值升序表，以原傅里叶幅值替换逐源移位时序的变换幅值并保留变换相位，经逆变换取得更新值，再按更新值秩位回填原值升序表，同值按照拍号升序确定秩位并保存秩位序列，重复幅值替换与秩位回填直至本轮秩位序列与已保存秩位序列重合，输出保留原值集合与原傅里叶幅值的候选错位时序；

39、其中执行迭代幅值调整傅里叶法的过程为：以逐源移位时序作为首轮时序，对首轮时序执行离散傅里叶变换，读取各频率位复数结果的相位，以原来源时序在相同频率位的傅里叶幅值乘以对应相位形成替换频谱，再执行逆离散傅里叶变换得到更新值；按照更新值从低到高排列各拍号，更新值相同时按照拍号升序排列，再将原值升序表中的第一个原值写入首位拍号、第二个原值写入次位拍号，直至完成全部拍号回填，形成下一轮时序；逐轮保存回填后的秩位序列，当本轮秩位序列与任一已保存秩位序列一致时，读取重复秩位序列首次出现轮次对应的时序作为候选错位时序；

40、傅里叶幅值是指原来源时序执行离散傅里叶变换后，各频率位复数结果的模值；零频率位记录原来源时序的数值总和，实数时序对应的正频率位和负频率位采用共轭对称幅值，样本数为偶数时奈奎斯特频率位单独保存，用于在各轮频谱替换中保持原来源时序的频率组成；

41、原值升序表是指将原来源时序中的全部有效采样值按照数值升序排列形成的值表，数值相同时按照原拍号升序确定先后位置；缺采位置不进入值表，并在秩位回填完成后仍保持缺采位置，使候选错位时序保留原来源时序的有效值集合和缺采分布；

42、秩位序列是指按照当前轮更新值的升序关系，为每个有效拍号写入对应排列位置后形成的拍号—秩位序列；更新值相同时按照拍号升序分配秩位，同一轮中每个有效拍号对应一个秩位，每个秩位对应一个有效拍号，用于判断相邻迭代是否进入重复排列状态。

43、在一个优选的实施方式中，所述错位构造模块还包括：

44、基于物候分段、片段生成和节点连接规则，对候选错位时序重新形成候选错位知识图和候选错位排序表，统计原始知识图中受旱关系链与恢复关系链在候选错位知识图中的保留边数，并统计目标林分在初始排序表与候选错位排序表中保持相同前驱编号和后继编号的邻位数，按照保留边数降序、邻位数降序、移位拍数降序和来源编号升序读取首位候选错位时序；

45、其中受旱关系链与恢复关系链是指同一物候段内由气象干燥片段指向根区失水片段、再由根区失水片段指向冠层下降片段形成的有向路径，用于表示空气温湿变化传递至根区失水并引起冠层下降的拍号顺序；恢复关系链是指同一物候段内由根区回升片段指向冠层回返片段形成的有向路径，用于表示根区含水回升后冠层恢复的拍号顺序；候选错位知识图中的保留边数按照上述两类关系链中与原始知识图具有相同起点类型、终点类型和连接方向的边逐条计数；

46、将各来源对应的首位候选错位时序分别替换原来源时序并保持其余来源时序不变，再按知识融合模块的处理规则形成错位知识图及错位排序表，使错位知识图及错位排序表作为目标林分干旱适应性结果的时序反证输入。

47、在一个优选的实施方式中，所述评价模块包括：

48、基于原始知识图和各错位知识图执行林业领域的信息处理及运筹分析，在片段类型、来源编号和差值符号相同的节点之间建立候选节点对，并在候选节点对两端均已配对且连接方向相同时建立候选边对，再按原始知识图节点拍号升序、候选错位知识图节点拍号升序和来源编号升序生成配对顺位；

49、其中执行林业领域的信息处理及运筹分析的过程为：按照林分编号读取原始知识图及对应错位知识图，将表示气象干燥、根区失水、冠层下降、根区回升和冠层回返的片段节点作为林业状态对象，把片段类型、来源编号、差值符号和起点拍号写入节点字段；在两个知识图之间，仅允许片段类型、来源编号和差值符号一致的节点形成候选节点对，并要求一个节点只进入一个候选节点对；当原始知识图中的连接两端与错位知识图中的连接两端分别完成配对，且两条连接的起点类型、终点类型和方向一致时，建立候选边对；再按原始知识图节点起点拍号、错位知识图节点起点拍号和来源编号确定候选节点对读取顺位，通过候选节点对的组合搜索取得公共子图，并将公共子图中受旱关系、恢复关系及目标林分排序邻位的保留情况写入关系保留记录，作为撤销或保留干旱适应性评价结果的运筹分析结果；

50、沿配对顺位执行回溯式最大公共子图算法，每层从加入候选节点对和跳过候选节点对两个分支继续搜索，加入候选节点对后删除与已配对节点重复或破坏候选边方向的后继节点对，在当前已配对节点数与剩余候选节点数之和不超过已保存节点数时结束当前分支，并按节点对数降序、候选边对数降序和配对顺位升序保留首位公共子图；

51、其中执行回溯式最大公共子图算法的过程为：以候选节点对读取顺位建立搜索层级，在每一层分别生成加入当前候选节点对和跳过当前候选节点对的两个分支；加入分支先检查当前候选节点对是否与已加入节点对共用原始知识图节点或错位知识图节点，存在共用时删除加入分支，不存在共用时再检查当前候选节点对与已加入节点对之间的候选边对是否保持原连接方向，方向不一致时删除加入分支，方向一致时把当前候选节点对及对应候选边对写入当前公共子图；对于保留分支，计算当前公共子图节点对数与后续尚未处理候选节点对数之和，若该和值不大于已保存公共子图节点对数，则结束该分支，反之继续读取下一层；到达候选节点对末位后保存当前公共子图，并按照节点对数降序、候选边对数降序和候选节点对读取顺位升序排列全部保存结果，读取首位结果作为首位公共子图，从而保证输出结果唯一且搜索在候选节点对全部处理或分支被裁剪后停止；

52、针对首位公共子图，读取根区失水片段至冠层下降片段的连接、根区回升片段至冠层回返片段的连接，并从初始排序表和对应错位排序表读取目标林分的前驱编号与后继编号，表首位置以表首码代替前驱编号，表尾位置以表尾码代替后继编号，形成关系保留记录；

53、当任一关系保留记录同时包含两条连接且前驱编号与后继编号均未改变时，撤销目标林分在初始排序表中的排序并输出时序失真记录；当全部关系保留记录缺少任一连接或前驱编号、后继编号发生改变时，保留目标林分在初始排序表中的排序并输出干旱适应性评价记录。

54、本发明的技术效果和优点：

55、1、 本方案逐源构造错位时序并比对两类知识图，用于检验排序对时序关系的依赖，从而排除时序失真造成的适应性误判；

56、2、 通过同拍采集、拍号校正和林分归属统一多源顺序，降低独立采样与迟到回传造成的错配，改善林分时序一致性；

57、3、 依据冠层参考像素和地表参考像素执行随机游走分割，提取冠层覆盖值，降低地表及阴影像素对冠层表征的干扰；

58、4、 按物候段界生成变化片段并连接受旱链和恢复链，使气象、根区与冠层变化按演进次序对应，提高评价针对性；

59、5、 采用网络单纯形筛除重复归属和不完整连接，使节点进入唯一关系链，降低连接冲突对承受拍数和恢复拍数的干扰。