[0001] 本发明属于水土保持技术领域，涉及一种用于监测水土流失与管理植被恢复的集成系统及方法。

[0002] 随着城市化和基础设施建设的不断推进，各类工程项目如道路建设、水库修建、边坡加固等对地表环境造成了不同程度的扰动。这些工程施工过程中不可避免地会破坏植被、裸露土壤，从而增加了水土流失的风险。水土流失不仅会导致土壤肥力下降，还会造成河流淤积、滑坡等灾害，进而影响生态环境的平衡和工程设施的稳定性。因此，及时监测和控制水土流失，并促进植被的恢复，是工程建设中的一项重要任务。

[0003] 当前，在水土流失监测和植被恢复管理领域，主要采用人工测量、遥感监测和无人机航拍等手段，但这些方法各有不足：人工测量：周期长、成本高、覆盖范围有限，且在复杂地形下操作困难。

[0004] 遥感和无人机监测：虽然能实现大范围的监测，但分辨率较低且受天气、光照条件影响较大，难以实现连续精确监测和实时数据获取。

[0005] 独立监测与恢复管理：现有的监测系统主要聚焦于数据采集与分析，而植被恢复的管理则依赖于人为判断，两者之间缺乏有效联动，无法高效指导植被恢复的过程。

[0006] 近年来，三维激光扫描（LiDAR）技术凭借其高精度、全天候的特点，逐渐应用于环境监测领域。三维激光扫描可以获取地表的精确三维点云数据，实时分析地表高度变化和土壤侵蚀情况。然而，激光扫描技术仅能提供土壤层变化的数据，对地表植被覆盖的状况及其健康程度无法精确识别。与之相应，多波段光谱识别技术能够通过不同波长的光反射特性，精确分析地表植被的状态，如叶绿素含量、植被密度等。因此，多波段光谱识别与三维激光扫描的结合，能实现对地表状态的全面监测，包括植被覆盖情况和土壤流失动态。

[0007] 为了应对工程建设期间的水土流失风险，需要一种系统化的解决方案，既能高效监测地表变化，又能通过植被恢复措施缓解土壤侵蚀。同时，不同波长的光对植被的生长有积极作用，例如红光促进植物的光合作用，蓝光促进叶绿素合成，而远红光有助于植物茎的伸长。因此，如何能集成多波段LED光源，在监测系统内提供有针对性的光照，将大大加快植被的恢复速度，是目前亟需解决的问题。

[0024] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

[0025] 本发明提出了一种基于三维激光扫描与光谱识别的水土流失监测与植被恢复集成系统。通过将三维激光扫描模块、多波段LED光源模块、光谱传感模块集成于一体，本系统实现了对工程施工期间的水土流失监测与植被恢复管理的智能化、精确化解决方案。在系统中，激光扫描用于采集地表的三维数据，分析土壤高度变化，计算水土流失量；多波段LED光源模块根据植被的生长阶段提供不同波长的照明，辅助植被的快速恢复；光谱识别模块通过对地表反射光进行分析，评估植被的覆盖度及健康状况。通过远程数据传输和智能分析，系统可在植被恢复完成时自动通知用户，极大提升了水土保持工作的效率与准确性。

[0026] 本发明的系统如图1所示，包括以下主要模块：三维激光扫描模块：获取地表的三维点云数据，检测地表土壤层的高度变化，分析水土流失情况；。

[0027] 多波段LED光源模块：集成多种不同波长的LED光源，通过同一光路系统向地表投射特定波长光，用于辅助不同阶段的植被恢复。

[0028] 光谱传感模块：接收用于接收不同波长的光线反射信号，并通过光谱分析算法识别地表植被的覆盖情况及健康状态；切换模块，用于在激光扫描模式与多波段LED光源模块之间切换，使系统能够按设定周期交替工作；
数据处理与融合模块：将地表的三维点云数据与光谱数据进行融合分析，以提供对水土流失和植被恢复的综合评价。

[0029] 控制模块：用于根据设定的监测周期自动切换工作模式，并通过算法判断何时进入植被恢复的不同阶段。

[0030] 无线通信模块：通过物联网技术上传监测数据，实现远程监测与控制，并发送监测结果和预警信息。

[0031] 电源管理模块：用于管理系统电源的供给，支持外部电源和太阳能供电；采用太阳能供电和电池储能，支持系统在野外长期稳定运行。

[0032] 所述三维激光扫描模块能够以多种扫描模式工作，包括单点扫描、连续扫描和覆盖扫描模式，以适应不同的地形环境；所述多波段LED光源模块包括红光、蓝光、绿光、远红光及紫外光LED，用于在不同植被恢复阶段提供针对性光照，以促进植物的健康生长和覆盖。

[0033] 所述光谱传感模块能够检测地表反射光中的植被特征信息，计算叶绿素浓度和植被密度，用于精确评估植被健康状态。

[0034] 所述切换模块能够自动根据设定的时间间隔或监测任务切换激光扫描与LED光源的工作模式，实现连续监测与恢复辅助；所述数据处理与融合模块采用基于深度学习的图像识别算法，将光谱数据与激光点云数据融合分析，以提高对植被覆盖和水土流失的检测精度。

[0035] 所述无线通信模块采用物联网技术，通过蜂窝网络或LoRa网络与云端平台连接，实现远程数据上传和设备状态监控；所述电源管理模块集成太阳能板和储能电池，以实现设备的长期户外自主运行，并在电量不足时通过动态调度减少非必要能耗。

[0036] 所述控制模块根据实时监测数据判断植被恢复状态，当检测到植被覆盖良好且水土流失情况得到缓解时，自动生成报告并通过无线通信模块远程通知用户监测任务完成。

[0037] 该系统能够与其他区域的多个设备组成监测网络，进行大面积、多区域的同步监控，并支持数据的集中管理和分析；具体的工作过程如下：
本发明的系统通过三维激光扫描和多波段LED光谱照射相结合的方式，实现了对地表水土流失与植被恢复的监测、分析和管理。其核心是通过周期性切换激光扫描与光谱照射模式，在每个监测周期内高效获取地表信息并提供针对性的光照支持。具体而言，在系统启动时，首先进行激光扫描，获取地表的三维点云数据，通过对地表高度的精确测量，计算土壤层的高度变化，进而量化水土流失的情况。接下来，系统根据设定的周期，自动切换至LED光谱照射模式，提供特定波段的光照，促进不同阶段植被的生长与恢复。该过程不断循环，确保在植被生长的不同阶段提供精准支持，并在整个施工和植被恢复期间实现高效的水土保持监测。

[0038] 在激光扫描阶段，系统采用TOF（飞行时间）测量原理，即激光器发射出光脉冲，当光脉冲遇到地表反射后返回探测器，系统会记录光脉冲的往返时间t。由于光速c为已知量，地表到激光器的距离d可通过以下公式计算：

[0039] 其中，θ为修正角，与激光器及探测器的位置有关。当激光器位置固定时，地表到激光器的距离可以表征地表高度h，如图2所示。在多个时间点进行扫描后，系统生成连续的地表三维点云数据P(x,y,z,t)，记录地表的高度变化。通过对比不同时间点的点云数据，系统能够计算出单位面积内的水土流失量。假设在时间t1和t2时刻的地表高度分别为h1(x,y)和h2(x,y)，则水土流失量W可通过以下积分公式求得：）
系统通过连续监测，还可计算土壤层变化的时间序列速率，以预测未来的水土流失趋势，水土流失的斜率Δh可以表示为：

[0040] 在获取地表三维信息的同时，系统会进入下一阶段的LED光谱照射模式，以加速植被的恢复，控制水土流失。通过控制不同波长的LED光源（蓝光、红光、远红光、紫外光）对地表植被进行照射，系统根据植被生长的阶段切换适宜的光谱，例如在早期使用蓝光（波长范围450‑495 nm）促进叶绿素的合成和光合作用，在植被扩展阶段使用红光（波长范围620‑700 nm）提高光合作用效率，在中后期使用远红光（波长范围700‑800 nm）刺激植物的茎叶伸展，并在必要时采用紫外光（波长范围280‑400 nm）增强植物的抗性和抗病能力。每个LED照射周期结束后，系统再次切换至激光扫描模式，进行下一轮的地表监测。

[0041] 与此同时，系统内的光谱传感模块会捕捉地表反射光的光谱信息，通过分析特定波段的反射率，计算地表的植被指数（NDVI）。NDVI的计算公式如下：

[0042] 其中，NIR为近红外波段的反射率，RED为红光波段的反射率。NDVI值可以反映植被的生长和覆盖情况。当NDVI值高于0.5时，表明植被覆盖良好；NDVI值在0.2到0.5之间表示植被恢复进行中；而低于0.2则表示植被稀疏或无覆盖。系统通过多周期的监测，不断更新NDVI指数，并与土壤流失数据融合分析，以判断植被恢复的进展和水土流失的缓解情况。

[0043] 在整个工作过程中，控制与切换模块会动态管理激光扫描与LED光照模式的切换，并通过内置算法判断植被恢复的不同阶段，自动调整LED光源的波长组合，工作流程如图3所示。所有数据将通过系统的无线通信模块上传至云端平台，用户可通过移动设备实时查看监测数据与恢复进展。当系统检测到植被覆盖度已达到设定阈值，且水土流失状况已显著缓解时，会自动生成监测报告，并通过远程通知用户该区域的监测与恢复任务已完成。此外，系统集成了电源管理模块，采用太阳能供电与电池储能的组合方式，确保在野外环境中长期稳定运行。通过智能化的任务调度，系统在功耗较高的工作阶段优先使用储能电池，而在光照充足时通过太阳能板为系统供电并充电，以延长设备的工作寿命和稳定性。

[0044] 总体而言，本发明通过三维激光扫描、光谱分析与多波段光源辅助照射的融合，实现了对工程建设期间的地表变化与植被恢复的精准监测与管理。该系统具备高精度、多功能、自适应和低功耗的特点，可有效提升水土保持工作的效率，并为不同工程场景中的生态修复提供一体化解决方案。

[0045] 本发明涉及一种集成了三维激光扫描和多波段光谱识别的智能环境监测系统，旨在实现工程建设中的水土流失监测和植被恢复管理。本系统包括三维激光扫描模块、多波段LED光源模块、光谱传感模块、切换模块、数据处理与融合模块、无线通信模块、电源管理模块以及控制模块。在每个工作周期内，系统首先通过激光扫描获取地表的三维点云数据，分析土壤层高度变化，监测水土流失情况；随后切换至不同波长的LED光源，对地表进行多光谱扫描，结合光谱传感模块和图像识别算法获取植被覆盖情况及健康状态。多波段LED光源可根据植被恢复的不同阶段调整光照，辅助植物生长，加速植被恢复。系统支持多模式扫描（如单点、连续、覆盖扫描），适应复杂地形环境；采用深度学习算法对多源数据进行融合，提高水土流失和植被状态监测的精度；通过物联网模块实时上传监测数据，支持远程控制和任务管理。当监测到植被覆盖良好且水土流失情况得到缓解时，系统会自动生成报告并通知用户任务完成。此外，本系统集成了太阳能电源管理模块，确保设备在野外环境中长期稳定运行。其智能切换和动态调度机制，使得水土流失监测与植被恢复管理更加高效。本发明适用于道路建设、护坡工程、水库建设等多种场景，具有高精度、低能耗和远程监控的特点，可为水土保持和生态修复提供一体化的解决方案。

[0046] 实施例11.系统结构与硬件集成
本实施例详细描述了本发明系统的硬件结构集成与工作流程，包括三维激光扫描模块、多波段LED光源模块、光谱传感模块、控制与切换模块、数据处理与融合模块、无线通信模块以及电源管理模块的具体实现方式。

[0047] 系统结构由一体化外壳封装，包括：三维激光扫描模块：采用高频脉冲激光器（如905 nm或1550 nm波段），安装于系统顶部，负责发射激光束并接收地表反射信号。该模块配有高精度光学旋转单元，用于扫描大范围地表，并生成高密度的三维点云数据。

[0048] 多波段LED光源模块：安装于激光扫描模块周围，集成蓝光、红光、远红光和紫外光的LED阵列。光源通过宽角透镜将光均匀投射到监测区域。

[0049] 光谱传感模块：配备CMOS光谱传感器，负责接收地表的光反射信号。该模块可实时分析地表的多波段反射光谱，用于评估植被覆盖度和健康状态。

[0050] 控制与切换模块：集成微控制器（如STM32或ESP32芯片），控制激光与LED光源的周期性切换，并管理不同监测模式之间的任务调度。

[0051] 无线通信模块：包括4G/5G、WiFi和LoRa通信接口，用于远程上传数据至云端平台，或与用户移动设备实时交互。

[0052] 电源管理模块：采用太阳能板供电，并配有锂电池储能单元，支持夜间和阴天情况下的持续运行。

[0053] 2. 系统软件与数据处理流程本发明的软件部分主要由嵌入式控制程序和云端数据分析平台构成。控制程序负责激光扫描与LED照明的调度控制，数据融合分析和远程通信的管理。以下是具体的软件工作流程：
系统初始化与监测任务设定，系统启动后，控制模块会自动加载预设的监测任务，包括扫描周期、光谱照射周期和数据采集频率。用户也可以通过移动设备连接系统，上传自定义的监测任务参数。

[0054] 激光扫描与水土流失计算，在每个周期的第一阶段，激光器启动扫描单元，对地表区域进行全覆盖扫描。系统将捕获的点云数据P(x,y,z,t) 存储至内部存储器，并实时计算地表高度变化。系统根据式（2）计算单位面积内的水土流失量。

[0055] 光谱照射与植被状态评估，在激光扫描完成后，系统切换至LED光谱照射模式。不同波段的LED光源依次开启，根据植被的恢复进程提供针对性的光照。早期阶段主要采用蓝光促进叶绿素合成；中期采用红光与远红光促进植物的茎叶伸展；在病害高发阶段，则采用紫外光照射以增强植物的抗性。

[0056] 系统通过光谱传感模块获取光反射数据，并计算NDVI植被指数。NDVI值用于判断植被的覆盖情况和健康程度。根据NDVI值的变化趋势，系统还可预测植被恢复进度，并实时调整LED光照策略。

[0057] 数据上传与远程监控，每次周期任务完成后，系统会将激光扫描数据和光谱分析结果上传至云端平台。用户可通过手机或电脑实时查看监测区域的植被恢复情况和水土流失状况。系统提供自动化报告生成功能，当NDVI超过设定阈值且水土流失状况得到缓解时，系统会自动发送任务完成通知。

[0058] 3. 系统在道路边坡治理中的应用在实际应用中，本系统可用于道路边坡的水土保持与植被恢复。以下为系统在道路施工场景中的典型实施步骤：
设备部署：在施工现场边坡的顶部和中部布置监测设备，每台设备监测一定范围的区域。

[0059] 初期监测：系统启动后，首先进行激光扫描，记录边坡的初始高度数据，并计算施工初期的水土流失情况。

[0060] 光谱照射与辅助恢复：在施工间隙，系统启动蓝光和红光LED，促进撒播草种的发芽和生长。

[0061] 连续监测与调整：随着施工进展和植被恢复，系统持续监测地表植被覆盖情况，并根据NDVI值调整光谱照射策略。

[0062] 任务完成通知：当系统检测到边坡植被覆盖率达到预期且水土流失状况显著缓解时，自动生成监测报告并通过移动网络通知施工管理人员。

[0063] 系统的节能管理与自动运行在野外环境中，系统的稳定运行依赖于高效的电源管理。系统采用太阳能板与锂电池组合供电，控制模块会根据能量状态自动调整工作模式。在光照充足时，太阳能板为系统提供电能并为电池充电；在阴天或夜晚时，系统优先使用储能电池供电。同时，系统采用动态调度算法，合理分配激光扫描与LED照射任务，避免不必要的能耗。在设备长时间闲置时，系统会进入低功耗待机模式，延长电池寿命。

[0064] 系统的数据组网与大范围监控在大规模工程项目中，多个设备可组成监测网络，实现广域覆盖。每台设备会定期将监测数据上传至云端平台，并与其他设备的数据进行同步分析。系统支持集中管理，施工管理人员可通过平台界面查看每个区域的水土保持状态。系统还可根据历史数据进行趋势分析，帮助用户预测未来的植被恢复进展，并在必要时提出修复建议。

[0065] 以上所述，仅为本发明较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。