本發(fā)明涉及水利工程與環(huán)境監(jiān)測(cè)，尤其是涉及一種智能水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在水利工程與環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，水土保持監(jiān)測(cè)與管理一直是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)方法主要依賴于人工現(xiàn)場(chǎng)勘查、定期采樣分析以及簡(jiǎn)單的設(shè)備監(jiān)測(cè)等手段。這些方法不僅效率低下，而且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的全面覆蓋和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致水土流失情況難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效治理。

2、隨著科技的進(jìn)步，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了一些自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，如單一的聲學(xué)傳感器、機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等，但這些技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中仍存在諸多不足。例如，聲學(xué)傳感器雖然能夠檢測(cè)到土壤顆粒的微小位移，但其受環(huán)境噪聲干擾較大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有待提高；機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)設(shè)備雖然能夠拍攝土壤表面的侵蝕情況，但受天氣和光照條件影響嚴(yán)重，且對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理和分析能力有限；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備雖然能夠?qū)崟r(shí)采集多種環(huán)境參數(shù)，但各設(shè)備之間數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效融合和綜合分析。

3、此外，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和分析方面也存在明顯短板。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法往往只能對(duì)單一數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，缺乏多源數(shù)據(jù)融合和處理的能力，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果片面且不準(zhǔn)確。同時(shí)，現(xiàn)有的分析手段也往往局限于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化展示，缺乏對(duì)水土流失風(fēng)險(xiǎn)和堤防結(jié)構(gòu)安全狀況的深入評(píng)估和預(yù)測(cè)。

4、因此，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種智能水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，旨在通過(guò)綜合運(yùn)用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和全面評(píng)估，為堤防安全提供有力保障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是在于提供一種智能水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，通過(guò)綜合運(yùn)用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法，提高了水土流失監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，為堤防安全提供了有力保障。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種智能水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，包括：

3、數(shù)據(jù)采集層，用于實(shí)時(shí)采集與堤防相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)；

4、數(shù)據(jù)傳輸層，采用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集層獲取的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理與分析層；

5、數(shù)據(jù)處理與分析層，包括數(shù)據(jù)融合與預(yù)處理單元、gis技術(shù)應(yīng)用單元和大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)單元，用于對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理、空間關(guān)聯(lián)、可視化展示、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和趨勢(shì)預(yù)測(cè)；

6、決策支持與應(yīng)用層，包括防治措施生成與優(yōu)化單元、實(shí)時(shí)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)單元和用戶交互與決策支持單元，用于生成防治措施、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警以及為用戶提供決策支持。

7、優(yōu)選的，數(shù)據(jù)融合與預(yù)處理單元的操作方法如下：

8、s11、對(duì)數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，包括去除噪聲數(shù)據(jù)和異常值；

9、s12、對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化處理；

10、s13、采用數(shù)據(jù)融合算法，對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到堤防水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；

11、s131、計(jì)算各數(shù)據(jù)源的可靠性權(quán)重ωi：

12、

13、其中，α表示調(diào)整系數(shù)，用于控制權(quán)重變化的速率；ri表示第i個(gè)數(shù)據(jù)源關(guān)于堤防監(jiān)測(cè)的歷史準(zhǔn)確率；i＝1,2,3,4,5，分別對(duì)應(yīng)聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)巡檢數(shù)據(jù)；

14、s132、根據(jù)各數(shù)據(jù)源的可靠性權(quán)重，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合：

15、

16、其中，f表示融合后的堤防水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；xi表示第i個(gè)數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)化堤防監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

17、優(yōu)選的，gis技術(shù)應(yīng)用單元的操作方法如下：

18、s21、利用gis軟件將數(shù)據(jù)采集層獲取的堤防地理坐標(biāo)信息與融合后的堤防水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)f進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，構(gòu)建堤防水土保持監(jiān)測(cè)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)；

19、s22、對(duì)堤防沿線的水土流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行空間評(píng)估，識(shí)別堤防高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；

20、s221、將堤防沿線劃分為n個(gè)網(wǎng)格單元，每個(gè)網(wǎng)格單元n的融合后的堤防水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為fn；

21、s222、計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元n的堤防水土流失風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)zn：

22、zn＝β1×fn+β2×c；

23、其中，β1、β2均表示權(quán)重系數(shù)；c表示其他相關(guān)因素；

24、s223、計(jì)算全局空間自相關(guān)系數(shù)i：

25、

26、其中，n表示堤防沿線網(wǎng)格單元總數(shù)；w表示所有堤防沿線網(wǎng)格單元之間的空間權(quán)重之和；ωab表示堤防沿線網(wǎng)格單元a和b之間的空間權(quán)重；表示所有堤防沿線網(wǎng)格單元風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值。

27、優(yōu)選的，大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)單元的操作方法如下：

28、s31、將時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為多頭注意力機(jī)制的輸入，提取與堤防相關(guān)的局部特征；

29、ft'＝multihead(xt,xt,xt)＝concat(head1,head2,…h(huán)eadh)wo；

30、其中，ft'表示局部特征；xt表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)，xt＝[ht,et,rt,vt,st,f,i]，ht表示堤防基礎(chǔ)土壤濕度，et表示堤防侵蝕深度，rt表示堤防附近降雨量，vt表示堤防周邊植被覆蓋度，st表示堤防附近水流速度；wo表示輸出的線性變換矩陣；h表示頭的數(shù)量；注意力函數(shù)如下：

31、

32、其中，q,k,v分別表示查詢向量、鍵向量和值向量；dk表示鍵向量的維度；

33、s32、將提取的局部特征ft'輸入到lstm層，學(xué)習(xí)時(shí)間序列的長(zhǎng)期依賴關(guān)系，預(yù)測(cè)堤防水土流失風(fēng)險(xiǎn)和堤防結(jié)構(gòu)安全狀況；

34、qt＝lstm(ft')；

35、其中，qt表示lstm層的輸出，即t時(shí)刻的預(yù)測(cè)堤防水土流失風(fēng)險(xiǎn)和堤防結(jié)構(gòu)安全狀況預(yù)測(cè)值；

36、s33、采用q-learning算法優(yōu)化模型的決策過(guò)程；

37、設(shè)狀態(tài)st為當(dāng)前時(shí)刻的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)xt，動(dòng)作at為lstm層的輸出qt，則獎(jiǎng)勵(lì)rt如下：

38、rt＝-loss(at,yt)；

39、其中，loss表示均方誤差損失函數(shù)；yt表示實(shí)際的堤防水土流失情況和堤防結(jié)構(gòu)安全狀況；

40、使用q-learning算法優(yōu)化q函數(shù)，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)選擇最優(yōu)動(dòng)作。

41、優(yōu)選的，防治措施生成與優(yōu)化單元結(jié)合歷史防治經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理與分析層的輸出結(jié)果，自動(dòng)生成并推薦個(gè)性化的水土保持與堤防加固策略，并具備反饋優(yōu)化機(jī)制，根據(jù)防治效果反饋和堤防安全評(píng)估結(jié)果，不斷學(xué)習(xí)和調(diào)整推薦策略。

42、優(yōu)選的，實(shí)時(shí)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水土流失情況、堤防結(jié)構(gòu)安全參數(shù)以及氣象水文條件，一旦監(jiān)測(cè)到異常或達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，立即觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，通過(guò)短信、郵件、app推送方式向管理人員和相關(guān)部門發(fā)送預(yù)警信息。

43、優(yōu)選的，用戶交互與決策支持單元提供友好的用戶界面，支持多終端訪問，包括電腦、平板、手機(jī)，用戶界面采用圖表、地圖、三維模型的形式展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，方便用戶查看和查詢。

44、因此，本發(fā)明采用上述的一種智能水土保持監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，有益技術(shù)效果如下：

45、在數(shù)據(jù)采集層面，該系統(tǒng)不再單純依賴人工現(xiàn)場(chǎng)勘查和傳統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)，而是引入了聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器視覺監(jiān)測(cè)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和無(wú)人機(jī)巡檢等多種高科技監(jiān)測(cè)手段。這種多元化的數(shù)據(jù)采集方式不僅大幅提高了數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，還擴(kuò)展了監(jiān)測(cè)范圍，使得監(jiān)測(cè)工作更加全面、細(xì)致。

46、在數(shù)據(jù)處理與分析方面，本發(fā)明通過(guò)數(shù)據(jù)融合與預(yù)處理、gis技術(shù)應(yīng)用和大數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多源數(shù)據(jù)的深度挖掘和高效利用。這不僅能夠?yàn)闆Q策提供更加科學(xué)、精準(zhǔn)的依據(jù)，還顯著提高了數(shù)據(jù)處理的速度和效率。

47、在應(yīng)用層面，該系統(tǒng)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)處理與分析的結(jié)果，自動(dòng)生成并推薦個(gè)性化的水土保持與堤防加固策略。同時(shí)，實(shí)時(shí)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)功能能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)潛在的安全隱患，為堤防安全提供了有力保障。此外，用戶交互與決策支持單元的設(shè)計(jì)也使得用戶能夠更加方便地查看和查詢監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，從而做出更加正確的決策。