一种山水林田湖草沙综合治理智慧管理系统平台的制作方法

本发明涉及生态环境治理或者管控，且更确切地涉及一种山水林田湖草沙综合治理智慧管理系统平台。

背景技术：

1、国家发展越来越迅速，但是生态环境却越来越差，山无峰、林无木、湖无水、草无茵，为了重建多样化生态系统，我国开展山水林田湖草沙综合治理工程，修复山野丘壑、树木丛林、江源流域、湖泊湿地、草原草甸和沙地荒漠等生态环境。但是生态环境的治理能力越来越赶不上当前市场的需求，为了更好监测治理山水林田湖草沙生态环境，专利cn202210641531.3中提出了一种山水林田湖草沙土地利用格局优化空间检测平台，该专利设计了一款柜体检测装置，通过柜体内的风干桶对待检测物质进行物理处理，便于研究人员检测。但是这款柜体检测装置检测种类太少，不能完全对山水林田湖草沙生态环境进行检测，山水林田湖任意一种类型都可能造成综合治理问题，这种方法管控能力差，治理效果无法实现智能化、自动化治理与评估。

技术实现思路

1、针对上述技术的不足，本发明公开一种山水林田湖草沙综合治理智慧管理系统平台，能够全面对山水林田湖草沙各个环境智慧管理，具有高效环境分析能力和环境变化检测能力，大大提高了山水林田湖草沙综合治理能力和管控能力。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种山水林田湖草沙综合治理智慧管理系统平台，包括环境信息采集系统、控制操作系统、异常预警系统、可调节管理系统和通信系统。

4、环境信息采集系统，用于采集山野丘壑、树木丛林、江源流域、湖泊湿地、草原草甸或沙地荒漠的环境信息，所述环境信息采集系统包括以单片机为核心的信息系统集成器、外围设备、智能终端传输模块和嵌入式计算模块；其中所述外围设备与信息系统集成器连接，信息系统集成器与智能终端传输模块连接，智能终端传输模块与嵌入式计算模块连接。

5、控制操作系统，用于对接收到的环境信息确定处理方案，所述控制操作系统包括信息获取单元、信息统计单元、信息指标检测单元、信息处理单元、环境模拟平台、目标控制单元和操作单元；其中所述信息获取单元连接信息统计单元，信息统计单元连接信息指标检测单元，信息指标检测单元连接信息处理单元，信息处理单元连接环境模拟平台和目标控制单元，目标控制单元连接操作单元；其中所述信息获取单元通过查询方式获取待处理环境信息，所述信息统计单元通过数据库模型统计整理获取的环境信息，所述信息指标检测单元用于对环境信息的关键指标进行风险检测，所述信息处理单元用于处理检测后的环境信息，所述环境模拟平台用于预测并展现处理后的环境信息发展状态，所述目标控制单元通过控制指令控制目标山水林田湖草沙环境的治理方法，所述操作单元用于根据控制指令对目标山水林田湖草沙环境进行治理操作。

6、异常预警系统，用于警示从山水林田湖草沙采集到的异常环境数据信息，所述异常预警系统包括数据接收模块、arm处理芯片和报警模块；其中所述arm处理芯片分别与数据接收模块和报警模块连接；其中所述数据接收模块用于接收上述信息指标检测单元中检测异常指标数据，所述arm处理芯片用于对异常指标数据进行计算处理并将生成的异常信息分析方案传输到后台控制端，所述报警模块用于对异常数据发生地点进行报警并将报警信息传输到后台控制端。

7、可调节管理系统，用于工作人员查询和操作山水林田湖草沙的现状信息，所述可调节管理系统包括pc管理平台、app管理端、中央管理系统和数据动态更新模块；其中所述pc管理平台用于接收、处理和展示山水林田湖草沙中环境实时监测情况，所述app管理端用于工作人员对山水林田湖草沙治理设施的实时在下远程控制操作，所述中央管理系统通过收集相关环境数据辅助工作人员对山水林田湖草沙的治理，所述数据动态更新模块用于对治理后的山水林田湖草沙环境进行数据更新。

8、通信系统，用于实现所述环境信息采集系统、控制操作系统、安全保护系统和可调节管理系统之间的通信；所述通信系统包括gprs通信模块、wifi模块、发送模块、接收模块和转换模块，其中wifi模块与gprs通信模块相连，转换模块与发送模块和接收模块相连，gprs通信模块与转换模块相连。

9、其中环境信息采集系统连接控制操作系统，控制操作系统连接可调节管理系统，通信系统连接环境信息采集系统、控制操作系统、安全保护系统和可调节管理系统。

10、作为本发明进一步方案，外围设备包括：传感器组、气体采样装置、土壤介质采样装置和转换模块。其中所述转换模块设置有转换迭代计算函数，转换迭代计算函数为：其中表示转换迭代计算函数，αi表示土壤指标相互交叠函数，β表示不同参数之间出现相互影响产生误判故障数据的迭代向量，表示迭代向量函数，t表示转置，i表示信号序号；

11、作为本发明进一步方案，嵌入式计算模块包括输入输出gpio和fpga处理器；所述输入输出gpio通过控制电平信号实现接收或发送信号；所述fpga处理器包括寄存器、算术逻辑单元、控制单元、存储器和数据处理单元，其中所述寄存器用于缓存控制指令、运算后数据信息和处理信息，所述算术逻辑单元通过算术单元和逻辑单元对二进制数据进行算术运算、逻辑运算和移位操作，所述控制单元通过指令译码和操作控制器向控制端定时发送控制指令，所述存储器用于存储控制指令和处理后的数据，所述数据处理单元用于对数据的处理，其中寄存器分别与算术逻辑单元、控制单元、存储器和数据处理单元相连，控制单元通过寄存器分别与算术逻辑单元、存储器和数据处理单元相连。

12、作为本发明进一步方案，信息处理采用特征提取改进算法对采集到的山水林田湖草沙样本信息进行最优处理，特征提取改进算法流程为：

13、假设is为山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值，处理主回路每周期会获取一个山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值；

14、山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值is为：

15、

16、式(1)中，is表示当前周期山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值，s表示当前周期，n表示一个周期内对湖泊湿地的采样点数，t表示周期内任意一种类型采样点，it表示湖泊湿地采样点t的采样瞬时值，式(1)表示当前周期内山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值；

17、通过处理主回路每周期的山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值比较相邻两个周期的山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值变化量：

18、δi＝|is+1-is|＞δ   (2)

19、式(2)中，δi表示相邻周期山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值变化量，is+1表示相邻周期山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号有效值，s+1表示当前周期的相邻周期，δ表示判断有采样暂态过程发生的阈值；

20、δi作为采样暂态过程结束的判断基准，有：

21、δi＜γ  (3)

22、式(3)中，γ表示湖泊湿地信号采样暂态过程结束的阈值；

23、信号处理过程中，有其他信号混合入处理主回路，降低山水林田湖草沙样本信息中任意一种类型采样信号的处理准确率，本发明中通过信号叠加原理对其他信号进行分离，叠加信号模型可表示为：

24、

25、式(4)中，i(t)表示叠加信号模式下多个湖泊湿地采样点信号有效值，ik(t)表示叠加信号模式下湖泊湿地采样点k独立采样有效值，k表示叠加信号模式下独立的湖泊湿地采样点，ε(t)表示叠加信号模式下混合信号，t表示当前是信号叠加模式，n表示叠加信号模式下湖泊湿地的采样点数；保存叠加信号有效值，用采样信号的前稳态波形减去后稳态波形，得到稳态过程分离波形，对稳态过程分离波形提取样本特征；

26、作为本发明进一步方案，通过knn算法求解预测损失函数，计算出特征提取改进算法的最优特征；对湖泊湿地采样信息分析，定义湖泊湿地采样点数据集集合中样本个数为m，样本观测值为x1,x2,x3...xi，湖泊湿地样本特征集合为f＝{f1,f2,f3…fn}，湖泊湿地目标采样点数据集为每个湖泊湿地样本的采集数量为每个湖泊湿地样本的处理量为

27、湖泊湿地样本的价值量为：

28、a＝{a1，a2，a3...ai}，ai＝bi/ci，(0.005≤ai≤1)  (5)

29、式(5)中，a表示湖泊湿地样本的价值量集，a1,a2,a3...ai表示湖泊湿地样本中每个样本的价值量，i表示湖泊湿地样本中第i个样本，bi表示湖泊湿地样本的采集数量值，ci表示湖泊湿地样本的处理数量值；

30、对湖泊湿地样本的：

31、

32、式(6)中，m表示湖泊湿地样本样本个数，ai表示湖泊湿地样本中第i样本的价值量；

33、对湖泊湿地样本的价值量集a求均方差δa：

34、

35、式(7)中，表示湖泊湿地样本中每个样本的价值量与样本价值量均值的距离；将价值量归一化处理：

36、

37、式(8)中，表示预处理的湖泊湿地的样本价值量归纳统一在一定范围；

38、定义湖泊湿地样本特征权重向量将每个样本的价值量与特征权重结合，即设样本观测值xh与xk之间距离为dij，根据欧几里得距离公式为：

39、

40、式(9)中，表示湖泊湿地样本中第n特征点的特征权重向量，n表示特征点的数量，xh-xk表示样本集中样本h与样本k观测值差，fn表示湖泊湿地样本点特征；

41、距离加权后的样本预测数据集为：

42、

43、式(10)中，表示湖泊湿地样本特征点的特征加权样本预测数据集，表示样本观测值之间距离距离的加权函数，yi表示湖泊湿地目标采样点数据；

44、定义数据损失函数l(yi,pi)，求均值损失函数：

45、

46、式(11)中，数据损失函数表示湖泊湿地样本预测数据集pi与湖泊湿地目标采样点yi数据集的差；在knn算法中，越小，预测误差就越小，说明特征加权越准确，选取最小特征点作为湖泊湿地样本特征集合中的最优特征。

47、作为本发明进一步方案，gprs通信过程为：

48、s1：信息发送端通过数据地址或端口号参数向信息终端发送通信请求，信息终端与信息发送端之间进行密钥身份确认；

49、s2：信息终端确定信息发送端身份安全，二者之间建立双向数据路由通信，路由通信包括发送数据路由和接收数据路由，发送路由器通过路由表内数据进行网段路由检索，利用内部路由解码对接收路由的路由前缀进行解读，相同路由协议的路由器之间建立优选路径；

50、s3：信息终端利用发送数据路由将数据单元传送到gsm网络，此时信息发送端作为信息接收端，通过接收数据路由接收数据单元；

51、s4：gsm网络通过sndc层将数据单元封装成sndc数据单元，sndc数据单元通过llc处理变为llc单元，llc单元通过终端接口传递数据到接收端。

52、作为本发明进一步方案，报警器包括接收信息单元、供电单元、主控单元、语音报警单元、灯光报警单元、gps定位单元、发送单元和中断单元，所述接收信息单元分别连接主控单元与中断单元，主控单元分别连接语音报警单元、灯光报警单元、gps定位单元与发送单元。

53、作为本发明进一步方案，信息转换模块包括基于不同通信协议的载波接口、中央处理器和信息检测器；所述载波接口通过不同接口遵守不同协议完成多类信息输入，所述中央处理器采用数据流水线处理方式完成信息转换，所述信息检测器采用并行执行检测方式实现处理后信息检测。

54、本发明有益的积极效果在于：本发明所述的山水林田湖草沙综合治理智慧管理系统平台通过通信系统的安全密钥联系方式实现系统与系统之间的安全通信，利用嵌入式计算模块高效预处理外围设备采集到的环境数据信息，采用特征提取改进算法和knn算法计算出环境信息的最优特征，实现对环境信息的处理，通过报警器中报警定位信息快速发现信息异常地点，实现高效、直观且便捷的山水林田湖草沙综合治理智慧管理。