基于景感生态学的生态环境物联网监测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于景感生态学的生态环境物联网监测方法及系统，该方法包括以下步骤：生态环境监测要素数据采集，基于景感生态学理论的内容，确定自然要素和物理感知方面的生态环境监测要素，采用非规则网格最优法进行监测点位的布设，最后在监测点位上布设相应传感器；数据传输，通过数据传输网络将传感器采集的生态环境监测要素数据传送到野外基地监控站的数据储存服务器；数据处理，按照统一布局将各类数据的信息完整地进行分类储存与分类处理；数据控制，通过设计全方位传感器接口布置、智能管理接口系统、智能监测控制终端系统和野外基地监控站共四个部分进行数据控制；以及在远程监测平台上对生态环境进行实时监测、预报预警和综合分析。

【技术实现步骤摘要】
基于景感生态学的生态环境物联网监测方法及系统
本专利技术属于生态环境物联网监测
，具体地涉及一种基于景感生态学的生态环境物联网监测方法及系统。
技术介绍
快速的城市化率需要启动和促进城市生态环境的科学研究，来耦合城市发展和生态环境过程，实现城市可持续发展。生态环境物联网的发展有助于城市生态环境科学研究与管理。生态环境动态监测与管理的信息化与智能化，是生态文明建设的紧要内容。生态文明是指能够保持和改善生态系统服务，并能够为民众提供可持续福利的文明形态。显然，生态文明是一种走向可持续发展的文明形态。景感生态学理论涉及表征自然、经济、社会、心理、预期、过程与风险等方面。因此，基于景感生态学理论，完善生态环境动态监测与评估体系，运用监测和评估结果，可为生态文明建设提供科学依据和技术支撑。生态环境是国家生态文明和美丽中国建设的重要组成部分，随着社会经济的蓬勃发展，人口的不断增加，人类面临的生态环境问题越来越严峻，土地退化、水资源短缺、空气污染、生态风险增加、全球气候变化等严重问题，不利于和谐社会的可持续发展。同时，目前城市化快速发展，城市生态环境破坏状况频发，导致了大气、水质、土壤等环境质量下降，造成了生态环境结构和功能退化等严重问题。生态环境与人类的生存和发展息息相关，涉及气候变化、生态演变、人类活动影响等重大科学问题，关乎社会、经济与城市的可持续发展，受到了国际社会的高度关注。随着生态环境问题的日益突出，生态环境监测越来越受到广泛的重视。因此，亟需推进生态环境的监测与管理。随着卫星对地观测技术的发展，尤其是高分辨率卫星遥感数据的不断出现，遥感技术与遥感数据已成为生态环境监测重要手段之一。近年来，卫星遥感技术在生态环境监测领域的作用明显，通过卫星遥感进行高时空分辨率的生态环境监测评估，可迅速得到较大尺度上的生态环境破坏的空间范围。生态环境监测是掌握生态环境质量状况和发展趋势的重要手段，对于生态环境管理与污染应急处置具有重要意义。目前，卫星遥感技术可快速、大面积获取生态环境监测要素的内容，但也存在遥感数据与生态环境监测要素的数据尺度不匹配、不能满足小尺度研究对反演精度的要求。随着物联网和信息科学的发展，传感器和通信领域技术的进步，为生态环境监测与管理提供了新的理论和方法，可以更完整、全方位地进行生态环境监测，使得生态环境动态监测具备了实用性、有效性与快捷性。目前，国内外学者对物联网开展了一定的研究，比如，Zhao等创新性地提出景感生态学，并通过构建厦门LUEORS对我国城市生态环境进行实地研究，提出“物灵网(ZeroIoT)”的概念以辅助建设可持续发展的智慧城市；同年，Zhao等提出用于中国的“TownVillages”生态管理系统。Wang等阐明环境物联网的整体框架与主要内容。Dong等提出物联网噪声监测系统的域模型，构建物联网在噪声监测领域的方法，为物联网应用推广提供新思路。Wang等和Gao等基于环境物联网分别对水环境、湿地及土壤环境进行详细监测。Li等利用环境物联网将公众参与纳入声景观评价体系，为可持续城市生态环境管理服务。刘鑫建成了多个生态环境物联网子系统，构建北运河香河段生态环境物联网环境管理体系框架。张娜等设计并实现基于物联网的水质监测系统，提高了监测精度。Saravanan等提出一种与物联网技术相结合的监测控制与数据采集(SCADA)系统，用于实时监测水质，结果表明该系统性能优于现有系统，取得了较好的效果。Dhingra等提出了一种三相空气污染监测系统，包含气体传感器、集成开发环境(IDE)和Wi-Fi模块，用户可从云端访问空气质量数据，并可预测未来空气质量。这些研究均已获得了良好的成果，但主要涉及在环境领域且主要是监测水质或空气的单要素，尚少有关于集成水质、土壤、综合气象、大气环境及污染物等多要素、全维度一体化监测的报道。基于此，本专利技术提出的生态环境物联网可进行生态环境领域多要素、全方位与全天候地监测与管理，对生态文明建设的生态环境质量实时监测预警、模拟和管理方面具有重要的潜在应用与意义。景感生态学是以可持续发展为目标，基于生态学的基本原理，从自然要素、物理感知、心理感知、社会经济、过程与风险等相关方面，研究土地利用规划、建设与管理的科学。自然要素包括光、热、水、土、地磁、放射性和地形地貌等，物理感知包括人们的视觉、嗅觉、听觉、味觉、光觉、触觉(风速、风向、温度、湿度等)，心理感知包括宗教、文化、愿景、隐喻、安全、社区关系、福利等。景感生态学涉及到多要素的研究，其中一些要素从属自然要素、物理感知或心理感知等多重属性。显然，这些要素的出现与否和不同组合会导致不同的利用效果。景感生态学的内涵表明，它的应用将直接或间接地涉及表征自然、经济、社会、心理、预期、过程、风险等方面的数据。城市在自然环境和人文环境各要素间相互作用中形成了特色的地理环境，其产生的“迷码”数据量巨大，环境物联网、3S技术等技术提升了该类数据的获取能力，这些新的数据形式奠定了生态环境动态监测的重要基础，有助于推动互联网、大数据、人工智能和实体经济的深度融合。“迷码”数据包括“混合”数据和“行进”数据这两类数据。“混合”数据是指通过不同途径、不同来源、不同时空尺度等各种形式获得的具有相同或不同性质的各类数据；“行进”数据是指工作程序实施过程中出现的数据。本文构建的物联网获取的生态环境各要素的实时数据即包含了“混合”数据和“行进”数据。环境物联网是一种具有环境感知与管理功能的综合系统，包括感知环境系统和智慧管理系统，基于环境大数据中心平台，通过对环境各要素的实时感知、数据传输、综合分析及深度挖掘环境问题，整体把握环境变化趋势，为环境监测提供信息管理及决策的技术支持。环境物联网有三个主要特征，第一是全传感，即传感器被用于随时随地检测信息；第二是可靠的传送，因为信息是通过各种网络信号和Internet的综合传送；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等计算技术对海量数据进行分析处理，对事物进行智能控制。因此，通常认为物联网由三个层次组成：收集数据的传感层、传输数据的网络层和处理分析数据的应用层。总之，物联网是集信息采集、传输、处理等分布式技术为一体的网络信息系统，具有低成本、小型化、低功耗、灵活的网络和对移动目标适应性。景感生态学的理论研究和实际应用需对生态及相关动态过程进行长期的、实时的、原位的观测，包括客观的“感”和人们主观的“感”等方面。这类观测只有通过环境物联网的途径才有可能获得，通过其他途径是很难或无法获得的。其次，物联网为生态环境监测提供了可行的途径，进而为生态环境的规划、建设、管理与调控等提供了有效的保障。视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉等物理感知功能作为一个系统且常常是相互影响的。生态环境作为一个整体也是不可拆分的，在生态环境监测中既要分别研究各种物理感知，也要把各种物理感知作为一个系统进行研究。因此，物联网是景感生态学不可或缺的有效工具，同时景感生态学为物联网的发展提供方向和思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于景感生态学的生态环境物联网监测方法及系统，以实现生态文明建设中生态环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于景感生态学的生态环境物联网监测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n生态环境监测要素数据采集，具体地，首先进行空间布局和城市规划的历史资料收集，了解生态环境监测要素状况与特征分析，基于景感生态学理论的内容，确定自然要素和物理感知方面的生态环境监测要素；其次，基于景感生态学的心理感知、社会经济及过程与风险的相关方面，采用非规则网格最优法进行监测点位的布设；最后在监测点位上布设相应传感器，以采集生态环境监测要素数据；/n数据传输，通过数据传输网络将传感器采集的生态环境监测要素数据传送到野外基地监控站的数据储存服务器；/n数据处理，对数据储存服务器收集到的生态环境各要素、全方位的地面数据、海洋数据以及空中数据，按照统一布局将各类数据的信息完整地进行分类储存与分类处理；/n数据控制，通过设计全方位传感器接口布置、智能管理接口系统、智能监测控制终端系统和野外基地监控站共四个部分进行数据控制；/n以及在远程监测平台上对生态环境进行实时监测、预报预警和综合分析。/n

【技术特征摘要】
1.基于景感生态学的生态环境物联网监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
生态环境监测要素数据采集，具体地，首先进行空间布局和城市规划的历史资料收集，了解生态环境监测要素状况与特征分析，基于景感生态学理论的内容，确定自然要素和物理感知方面的生态环境监测要素；其次，基于景感生态学的心理感知、社会经济及过程与风险的相关方面，采用非规则网格最优法进行监测点位的布设；最后在监测点位上布设相应传感器，以采集生态环境监测要素数据；
数据传输，通过数据传输网络将传感器采集的生态环境监测要素数据传送到野外基地监控站的数据储存服务器；
数据处理，对数据储存服务器收集到的生态环境各要素、全方位的地面数据、海洋数据以及空中数据，按照统一布局将各类数据的信息完整地进行分类储存与分类处理；
数据控制，通过设计全方位传感器接口布置、智能管理接口系统、智能监测控制终端系统和野外基地监控站共四个部分进行数据控制；
以及在远程监测平台上对生态环境进行实时监测、预报预警和综合分析。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于景感生态学的心理感知、社会经济及过程与风险的相关方面，采用非规则网格最优法进行监测点位的布设的具体过程为：
在城市空间布局和城市规划资料的统计基础上，通过生态环境网络设施和生态敏感特征调查，确定生态环境监测目标区；
基于景感生态学理论的生态风险、过程感知、心理感知、社会经济和辖区管理方面计算监测区数据，通过对多层地理信息空间叠加分析及综合研判，将生态环境监测目标区初步划分为多个不规则网格；
以人口约束、成本约束、空间约束及地形约束为多目标约束条件，对不规则网格的监测点位进行分析，建立区域监测网络布点模型并优化求解，得出生态环境监测网的初步优化结果；
以气象分析、地形分析、功能布局分析与目标敏感分析为聚类分析约束条件，基于地理空间分析，在求解监测网初步优化结果的基础上，根据物以类聚对各指标进行分类与统计分析，着重将多个相似监测点位聚为一类，最终得到生态环境监测网点位空间布局和经济适宜性的最优化。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，传感器包括基于地面的固定监测站布设、基于海洋的无人船搭载传感器布设以及基于空中的无人机搭载传感器布设。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，传感器包括土壤传感器、水质传感器、大气传感器、降水传感器、风速传感器、风向传感器、温度传感器及气压传感器。


5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，数据传输网络由地面基站、有线局域网、无线局域网和通讯网络构成，地面基站包括无线网桥、网络交换机以及监控计算机，对于地面各传感器获取的数据，可通过有线网络或无线局域网将数据传输到数据处理模块，而对无人船和无人机搭载的传感器数据采用无线局域网的传输方式。


6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实时监测包括对监测数据进行远程查看、转换导出和存储分析，同时对传感器的运行状况进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王豪伟，郑渊茂，赵景柱，
申请(专利权)人：中国科学院城市环境研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：福建;35