CN102955018A

CN102955018A - 一种便携式生态水文实验与监测系统

Info

Publication number: CN102955018A
Application number: CN2012104177622A
Authority: CN
Inventors: 杨胜天; 宋文龙
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种便携式生态水文实验与监测系统，它集成了五部分主体功能模块：（1）植被覆盖度动态获取装置与系统，实现样方照片采集和植被覆盖度信息实时、动态、批量获取；（2）便携式光合作用测量系统，实现植物光合、植物和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理测量功能；（3）便携式人工模拟降雨装置，实现一平方米样方上的可变雨强模拟降雨；（4）土壤水运动监测装置,实现土壤体积含水量实时动态监测；（5）径流/土壤水采样装置，实现坡面径流和土壤水样品采集；这五部分主体功能模块之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块，又是相互联系的有机整体：它适用于野外大量模拟实验和监测工作的开展，对生态水文过程研究起到技术支撑作用。

Description

一种便携式生态水文实验与监测系统

技术领域

本发明是地学领域里生态水文学研究中的一种便携式生态水文实验与监测系统（简称为Eco-monitors），它被用于在野外开展人工模拟降雨、坡面产流和土壤水动态监测及样品采集、植被覆盖信息提取和植被生理过程监测，服务于降雨-径流、土壤水运动、土壤侵蚀、营养迁移、植被生理变化等生态水文过程的系列研究，属于自然地理系统技术领域。

背景技术

生态水文学是研究生态格局和生态过程变化水文学机制的科学。生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系，不同时空尺度的生态水文过程是揭示生态格局和生态过程变化水文机理的关键；生态水文过程分析需要在水循环过程背景条件下揭示不同尺度土壤-植被-大气系统物质能量的转化过程。对于陆地生态系统，生态水文学主要关注径流、侵蚀等地表过程的水平通量和蒸发、入渗等水文过程的垂直通量及其与生物过程的相互作用。降水及产汇流过程是生态水文过程的主要驱动力，而植物等地表覆被通过降雨再分配、蒸散发及营养循环等参与并对生态水文过程产生重要影响。在不同尺度上的实验示范和监测是生态水文过程研究的重要手段，是研究土壤-植被-大气系统物质能量转化过程的重要途径。生态水文过程模拟与观测主要完成植被信息获取、植物生理监测、人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流/土壤水样品采集等方面的工作，相关系统及装置的研发现状与不足介绍如下。

照相法估算植被覆盖度，以其设备简单、估算精度较高等优势在科学研究和生产中得到了广泛认可。植被覆盖度的估算通常采用简单目测估算法、仪器测量计算法和遥感解译分析法等，其中应用于小尺度植被覆盖测量的方法主要有目估法和照相法。北京师范大学地理学与遥感科学学院章文波等对小区植被覆盖度的测量方法进行了总结，并介绍了如何利用数码相机和数字图像处理技术估算植被覆盖度，结果表明与目估法相比该方法更客观便捷，实用性强，可靠性高。但该方法对照片质量有较高要求，曝光过度会影响计算精度，并因相机和植被高度关系存在几何校正问题，采用数码相机获取样方照片必须根据作业环境和照相高度事先调节焦距和曝光，且作业时工作人员无法实时控制照片质量；采用Photoshop软件等数字图像处理技术需要高度人机交互，工作量大，批量计算可行性不强；样方照片采集和植被覆盖度计算程序脱离，给数据整理工作带来不便。

便携式光合作用测量系统，可用于测量植物生理过程及其与水分运移的相互作用机制。包括光合作用、呼吸作用等在内的植物生理过程及土壤呼吸等是生态水文过程研究的重要内容，利用高精度科学仪器实现野外观测显得尤为必要。美国拉哥公司生产的LI-6400相关型号的便携式光合作用测量系统代表了国际植物生理过程监测的先进水平，可以实现包括光合、呼吸(分为植物呼吸和土壤呼吸)、蒸腾、荧光等多项测量功能，多项功能的完全集成使得LI-6400成为生态学研究领域重要的、必不可少的基础研究设备。

人工模拟降雨方法是利用机械装置模拟天然降雨，开展相关科学研究并迅速获取科研数据的科学方法，已成为室内和野外试验的重要技术手段。北京师范大学地理学与遥感科学学院刘宝元等论述了人工模拟降雨机的基本要求和类型，指出对于降雨-径流模拟实验，人工模拟降雨装置产生的模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性和降雨强度，即能满足实验要求,而对于降雨-土壤侵蚀模拟实验，人工模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性、雨滴中数直径、终点速度和雨滴谱特性，即可满足实验要求。国内外具有代表性的人工模拟降雨装置主要有：振动式模拟降雨装置，转盘式模拟降雨装置，槽式人工模拟降雨机，SR型人工模拟降雨装置等。但由于受材质、动力及水源的限制，现有人工模拟降雨装置搬运及运作相对费力，资金投入大。

无损伤土壤含水量及其变化监测、坡面径流/土壤水样品采集装置的研制推动了水分运移和营养迁移理论研究。土壤水分研究通常采用的实验方法主要包括称重法、中子仪法、热分散传感法及时阈反射仪（TDR）法等，其中通过测定土壤的介电特性来测定土壤体积含水量的TDR、FD、SWR等无损伤土壤水测量方法是比较有效的先进测量方法。其对土壤含水量的无损测量及高频数据自动采集使得这种方法比较适合于野外模拟实验的开展和土壤水运动监测。土壤水分样品采集对技术要求较高，可通过土壤采样再利用提取技术提取，也可直接通过安装瓷质多孔的抽气渗水计利用气压抽取，前者将破坏土体并不利于野外大量样品的采集，后者比较适用于野外模拟实验并大量采集土壤水样品。中国科学院地理科学与资源研究所于静洁研究员等研制了一套土壤水分抽样装置，方便土壤水样品野外采集。

充分考虑上述每种类型装置的优点及局限性，在合理创新的基础上将其对接，充分突出便携性和合理性，方便生态水文过程野外模拟实验的开展和大批量实验及监测数据的获取，是需要解决的关键问题。本发明根据生态水文过程研究野外实验和监测需求，开展了便携式生态水文实验与监测系统（Ecomonitors）的研制与集成，在实现关键环节创新的基础上，该系统装置充分体现了便携性特征，为降雨-径流、土壤侵蚀、营养运移、土壤水运动及植物生理等生态水文关键过程的模拟实验与监测提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是充分参考相关领域已有实验装置与监测系统优点和局限性，合理创新，科学架构，提供一种便携式生态水文实验与监测系统，它是一套集成植被覆盖度动态获取、便携式光合作用测量、便携式人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流/土壤水采样等关键功能模块装置与软件处理系统的系列生态水文实验与监测装置与系统，充分体现装置的便携性，装置与系统的充分耦合，适用于野外大量模拟实验和监测工作的开展，方便批量获取像元尺度实测数据，对降雨-径流、土壤水运动、土壤侵蚀、营养迁移、植物生理作用等关键生态水文过程研究起到技术支撑作用。

本发明Eco-monitors集成了五部分主体功能模块（图1）：（1）植被覆盖度动态获取装置与系统（VC-DAD和VC-DAS）,实现样方照片采集和植被覆盖度信息实时、动态、批量获取；（2）便携式光合作用测量系统（LI-6400）,实现植物光合、呼吸(分为植物呼吸和土壤呼吸)、蒸腾、荧光等多项植物生理测量功能；（3）便携式人工模拟降雨装置（CSRS），实现一平方米样方上的可变雨强模拟降雨；（4）土壤水运动监测装置（HOBO）,实现土壤体积含水量实时动态监测；（5）径流/土壤水采样装置，实现坡面径流和土壤水样品采集。这五部分主体功能模块之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块,又是相互联系的有机整体：既能独立完成样方植被覆盖度信息提取、植物生理过程监测、人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流和土壤水采样等功能，分别开展相关科学问题的野外模拟与监测研究；又能相互耦合为生态水文诸过程研究提供集成技术条件，如人工模拟降雨、土壤水动态监测和水样采集的耦合实现，为降雨发生及入渗、产流等水文过程及水土流失、营养迁移等相关过程的连续观测和研究成为可能，同时，地表盖度信息快速获取和植被生理过程实时监测功能的实现，为研究植被和水分再分配过程如截留、入渗、蒸发等和营养物质循环过程的相互关系提供了必要条件。本发明Eco-monitors集成的五部分主体功能模块基于生态水文科学发展对生态水文过程实验研究和野外监测的科学需求,能够满足生态水文过程研究对便携式实验和监测装置、系统的基本要求。

该Eco-monitors涵盖了生态监测、水文过程和营养迁移等过程的实验与监测主要内容，各功能模块既包括已有相关领域产品，也包括自主研发成果，其中VC-DAD和VC-DAS软硬件都属于自主研发，便携式人工模拟降雨装置采用了人工压力泵方案（图1中斜线表示自主研发）。

所述植被覆盖度动态获取系统（VC-DAD和VC-DAS）是自主研发产品，由便携式硬件设备装置（VC-DAD，见图2a，该装置已另申请专利。）和软件处理系统（（VC-DAS，软件著作权登记号2012SR031945，见图2b）构成，分别完成野外大批量样方照片采集和实时或室内植被覆盖度信息计算及图片处理。便携式硬件设备装置采用摄像头方案，配备动力舱，结合便携式支架等，以保证野外工作的持续性，它由摄像头、摄像头云台、动力舱、支架、笔记本电脑、连接线、固定配件等功能组件组成，摄像头置于摄像头云台上并通过摄像头固定件固定，支架测量杆的下端与支架底座相连，其上端与动力舱固定件相连，动力舱置于动力舱固定件上方，它通过动力舱连接线与摄像头相连，笔记本电脑通过摄像头连接线与摄像头连接。其中摄像头方案的采用，是考虑到数码相机成本较高，且高空作业对聚焦和曝光无法有效控制，一般数码相机无法通过大于3m的连接线和电脑连接以实时观察样方信息，而定制的安装于云台的摄像头，成本较低，并且通过室内和室外等工作模式及背景光的遥控调节,很大程度上克服了因曝光太强造成的叶片因反光绿色失真的技术难点，提高了照片质量，有利于提高植被覆盖度信息的提取精度；并且通过遥控云台旋转，可控制摄像头在水平方向360°和垂直方向270°旋转，实现摄像头对样方的快速捕捉，这既保证了摄像头不受支架倾斜角度影响实现垂直对地拍摄，又为向上拍摄以获取郁闭度信息提供了可能；摄像头通过延长线和电脑连接，通过程序可实现对样方信息的实时观测，便于及时调节摄像头相关参数，获取较高质量的样方照片。动力舱为摄像头提供动力，保证了设备野外工作的可能性和持续性。VC-DAS软件系统通过IDL语言编程实现，与硬件设备有效耦合衔接，并对获取的样方照片进行处理、自动快速计算植被覆盖度。软件处理系统主要包括菜单栏、工具栏、成像窗口、计算窗口、元数据信息窗口、人机交互窗口和几何校正窗口；具备图像缩放、移动、裁剪等基本功能；通过软件中的专门工具能够对样方实现实时、动态观测，并进行拍照；拍摄的照片会自动导入成像窗口进行植被覆盖度信息计算，也可手动在成像窗口导入所拍摄照片进行处理和计算，计算结果将以二值图的形式显示在计算窗口，便于评价计算精度；照片路径、名称、计算结果等信息可实时显示在元数据窗口，实现编辑和保存功能；根据使用者经验和地域环境特点，可在人机交互窗口调整并选择适宜性关键参数，提高植被盖度计算结果；并且通过在几何校正窗口输入相关参数实现图像计算的几何校正；程序具有感兴趣区植被盖度提取模块，可实现对照片感兴趣区植被覆盖度信息的直接、快速获取，克服了先对照片进行裁剪保存再对照片进行计算的不便。VC-DAS发挥IDL语言矩阵计算和遥感图像处理优势，照片处理和计算速度更快。

所述便携式光合作用测量系统（LI-6400，图3）是美国拉哥公司产品。LI-6400可用于包括光合、呼吸(分为植物呼吸和土壤呼吸)、蒸腾、荧光等多项植物生理测量功能，其测量参数包括：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Ts)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、光量子通量密度(PFD)、叶温(TL)、相对空气湿度(RH)。如果配备6400-40叶绿素荧光叶室，可测试以下参数：最大荧光(Fm)、初始荧光(Fo)、可变荧光(Fv)、光化学猝灭(qP)、非化学猝灭(qN)。此外，它在进行自动测量的基础上还可以进一步计算光饱和点、光补偿点、CO2饱和点、CO2补偿点等多项重要生理生态指标。仪器基本硬件组成见图3所示，其他配置还包括荧光叶室、红蓝光源、CO2注入系统、土壤呼吸测量室、簇状叶室、针状和狭长叶室、2×3透明叶室、鸭嘴叶室、自制叶室等。便携式光合作用测量系统LI-6400携带和搬运方便，可用于野外测定自然或控制条件下的植被光合作用等生理活动，功能非常完备，精确可靠。

所述便携式人工模拟降雨装置（图4）参考了国内外多种降雨设备工作原理、优点及其局限性，主要由供水动力装置、降雨喷头、支架、输水管、流量计、压力表、挡风棚、样方框、遮雨罩、集流槽等组成。降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；为提高装置的便携性和野外适应性，区别于其他装置普遍采用的蓄电池或交流电供水动力装置，该降雨装置采用人工压力泵作为供水动力装置控制降雨强度，水由压力泵压入输水管，到达降雨喷头形成降雨，既减轻了设备重量，又解决了野外多点批量实验无电源情况下的供水动力问题。压力表标示压力泵的实时压力，流量计标示供水流量信息；为减小环境特别是风的干扰，安置挡风棚，以保证降雨均匀、稳定降落到地面样方；降雨喷头固定在可伸缩支架，可调节降雨喷头高度；样方框用来建立标准1*1m2样方；集流槽用来收集地面产流，引流到量杯测量径流量；遮雨罩用来遮护集流槽，避免降雨直接降入集流槽干扰产流量。便携式人工模拟降雨装置具有便携、经济、方便组装等优点，可满足降雨-径流、土壤侵蚀、营养迁移等单元尺度模拟实验的要求,实现野外大批量实验数据获取。（该装置已另申请专利。）

所述土壤水运动监测装置（系美国Onset公司产品图4中组件35,36,37,38）是一种多通道气象监测装置，可用来监测风速、风向、空气温/湿度、大气压力、降雨量、光照及土壤温/湿度等气象参数，以其便携、精度可靠、操作简单等优点在科研和教学中得到了普遍认可和使用，可实现实时监测不同深度土层的土壤水变化。

所述径流/土壤水采样装置（图4中组件39，40，41、42和图5）包括自主研制的径流收集装置（通过引流槽收集径流取样）和中国科学院地理科学与资源研究所于静洁等研制的一套土壤水分采样装置（专利号200520110649）。径流收集装置是由遮雨罩、集流槽、样方框和量杯组成，四者之间的关系是：样方框圈出样方，坡底方向开放，无缝结合集流槽，以便引出坡面产流，遮雨罩遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出流一段下方，承接径流。该样方框是三面封闭一面开放的铁质方框，入土一面稍薄，以便嵌入土壤，圈出样方，并防止径流外流；该集流槽是V形铁质槽状装置，V形一边有5cm水平延伸，以便插入土体，一端封闭一端开放，将产流全部导出；该遮雨罩是通过两根钢筋固定于集流槽上的长方形铁页，与水平面呈30度倾角，以便将落在铁页上的雨水导出样方区外；该量杯的容量根据产流量和量测时间间隔确定。土壤水分采样装置由测头、采样瓶、导水/气管和抽气泵等组成,完成野外人工模拟降雨实验的坡面产流和土壤水采样工作，方便便携，操作简单。

便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）的研制基于生态水文科学发展对生态水文过程实验研究和野外监测的科学需求，始于生态水文过程研究的实践摸索，以期构建服务于生态水文过程研究的便携式实验和监测装置系统。

本发明的优点及功效是在合理创新基础上，构建了便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）系列装置及软件系统，构思科学，结构简单，携带方便，并与配套软件高效耦合衔接，提高了装置的便携性、可控制性和普适性，实现了生态水文过程实验和观测在降雨-径流、土壤侵蚀、营养迁移和流失、土壤水运动及植被效应等方面人工模拟方法和装置上的突破，以期在像元尺度上快速、批量获取实验数据，拓展生态水文过程机理研究及尺度效应研究的技术手段。

附图说明

图1、本发明便携式生态水文实验与监测系统结构示意图。

图2a植被覆盖度动态获取装置硬件装置（VC-DAD）示意图；

图2b植被覆盖度动态获取装置软件系统（VC-DAS）示意图；

图3便携式光合作用测量系统（LI-6400）示意图；

图4便携式人工模拟降雨装置（CSRS）示意图；

图5、土壤水监测（HOBO）采集装置示意图；

图中符号说明如下：

1摄像头，2摄像头云台，3动力舱，4笔记本电脑A，5支架测量杆，6支架底座，7动力舱连接线，8摄像头连接线，9摄像头固定件，10动力舱固定件；11菜单栏，12工具栏，13成像窗口，14计算窗口，15元数据窗口，16人机交互窗口，17几何校正窗口，18功能按钮，从上至下依次为样方植被覆盖度计算，计算结果保存，样方照片批处理及几何校正;19主机操作界面，20二氧化碳注入系统，21干燥剂，22叶室，23电池，24手动控制数据记录按钮，25分析器风扇，26手提把手，27连接线；28降雨喷头，29人工压力泵，30水桶，31支架，32输水管，33压力表，34流量计，35笔记本电脑B，36HOBO采集器，37HOBO数据线,38HOBO土壤水传感器，39集流槽，40量杯，41样方框，42遮雨罩；43采样瓶，44测头，45导水/气管。

具体实施方式

见图1，本发明一种便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）由所述植被覆盖度动态获取装置与系统（VC-DAD和VC-DAS）、便携式光合作用测量系统（LI-6400）、便携式人工模拟降雨装置（CSRS）、土壤水运动监测装置（HOBO）及径流/土壤水采样装置等功能模块组成，各组成部分既是相互独立的功能模块，又是相互联系的有机整体。

见图2a、图2b，植被覆盖度动态获取系统的硬件装置（VC-DAD）与植被覆盖度动态获取系统的软件（VC-DAS）高效耦合衔接，配合工作，可支持野外样方照片拍摄和植被覆盖度信息实时动态提取。该植被覆盖度动态获取装置由摄像头1、摄像头云台2、摄像头固定件9、动力舱3、支架（含支架底座6和支架测量杆5）、笔记本电脑A 4、动力舱连接线7、摄像头连接6线和动力舱固定件10组成。它们之间的位置连接关系是：摄像头1置于摄像头云台2上并通过摄像头固定件9固定，支架测量杆5的下端与支架底座6相连，其上端与动力舱3固定件相连，动力舱3置于动力舱固定件10中，它通过动力舱连接线7与摄像头1相连，笔记本电脑A 4通过摄像头连接线8与摄像头1连接。首先将摄像头1和动力舱3通过固定用配件分别固定在支架测量杆5上，通过线缆连接动力舱3、摄像头1和笔记本电脑A4，一人手持支架测量杆5，控制摄像头1拍摄角度和高度，在样方上方准备拍照；另一人手持笔记本电脑A 4，打开植被覆盖度动态获取系统软件（VC-DAS），见图2b，它包含菜单栏11，工具栏12，成像窗口13，计算窗口14，元数据窗口15，人机交互窗口16，几何校正窗口17，功能按钮18，从左到右依次为打开文件，存储文件，裁剪，滤波，放大，缩小，移动，复原，感兴趣区，摄像头控制等工具，实时观察样方，调节摄像头1曝光度和焦距等参数，拍摄高质量照片，软件同步导入所拍摄照片，计算植被覆盖度信息，完成样方拍照和植被覆盖度信息计算。

见图3，便携式光合作用测量系统LI-6400可完成自然与控制环境条件（包括温度、CO₂浓度、光强等）下的生理过程测量，所有运算均由主机内置计算机系统完成，可在主机操作界面直接读数。仪器基本硬件主要包括主机操作界面19，二氧化碳注入系统20，干燥剂21，叶室22，电池23，手动控制数据记录按钮24，分析器风扇25，手提把手26，连接27线等。一般而言，需要控制环境条件的实验有两种情况。一种是环境变化剧烈，无法准确进行同等环境条件的测量。另一种情况是进行光曲线和ACI曲线测量。在光合作用测定过程中，有两种光源可供选择：一是自然光，用透明叶室；二是自动光源(为红光)，此时将叶室22的透明部分换成含产生光的部分(用自动光源时需事先设定程序)。

见图4，便携式人工模拟降雨装置是降雨喷头28通过输水管32与压力表33、流量计34、人工压力泵29和水桶30连接，降雨喷头28固定在支架31顶端，置于样方装置上方；样方框41嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与集流槽39无缝结合，遮雨罩42完全遮蔽集流槽39，量杯40置于集流槽39出水端下方；HOBO土壤水传感器38通过网口式插口连接HOBO采集器36，并通过HOBO数据线37将HOBO采集器36与笔记本电脑B 35相连。在野外作业时，需事先架起挡风棚遮挡风吹，关键在于控制人工压力泵29压力产生不同雨强，使得降雨喷头28喷出与天然降雨相似的人工模拟降雨，在遮风棚和遮雨罩42的防护下，较均匀地落到地面一平米样方，坡面产流经由集流槽39收集到量杯40，测算产流量,并收集产流样品，测算含沙量和营养浓度。同时挖出土壤剖面，将HOBO土壤水传感器38水平插到不同深度的土层中，连接该传感器到

数据采集器36，并将该采集器连接到笔记本电脑B 35，打开HOBOware软件,设置数据采集时间间隔等参数，启动HOBO设备，实时采集土壤湿度数据，监测不同深度土层土壤水变化。

见图4中的组件笔记本电脑B 35，HOBO采集器36，HOBO数据线37,HOBO土壤水传感器38,土壤水运动监测装置是一种多通道气象监测装置，HOBO土壤水传感器38通过网口式插口连接HOBO采集器36，并通过HOBO数据线37将HOBO采集器36与笔记本电脑B 35相连，打开HOBO专业软件，启动HOBO采集器36，并设置采用时间间隔，实时采集土壤含水量数据。

见图5，径流/土壤水采样时，遮雨罩42对于集流槽39的防护将保证径流量的准确量定，径流样品采样时间间隔根据降雨强度、时间等条件和研究需求确定；土壤水采样装置的测头44通过倒水/气管45等连接部件与采样瓶43连通，抽气泵与采样瓶43连接；抽气泵将采样瓶43中的空气抽出，形成真空负压环境，在大气压力下，土壤水被抽集到采样瓶43中。野外作业时，挖出土壤剖面，可将多个测头44埋设在不同深度的土壤中，抽取不同深度土壤中的土壤水样品。

便携式生态水文实验与监测系统（Eco-monitors）每个功能模块可单独使用完成相应功能，也可根据研究内容组合使用，使其相关功能密切耦合，发挥本发明的最大系统功效，以最大程度的服务于生态水文过程实验与监测研究，批量获取野外实验与监测数据。

Claims

1.一种便携式生态水文实验与监测系统，其特征在于：它集成了五部分主体功能模块：（1）植被覆盖度动态获取装置与系统,实现样方照片采集和植被覆盖度信息实时、动态、批量获取；（2）便携式光合作用测量系统,实现植物光合、植物和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理测量功能；（3）便携式人工模拟降雨装置，实现一平方米样方上的可变雨强模拟降雨；（4）土壤水运动监测装置,实现土壤体积含水量实时动态监测；（5）径流/土壤水采样装置，实现坡面径流和土壤水样品采集；这五部分主体功能模块之间的关系是各组成部分既是相互独立的功能模块,又是相互联系的有机整体：既能独立完成样方植被覆盖度信息提取、植物生理过程监测、人工模拟降雨、土壤水运动监测及径流和土壤水采样功能，分别开展相关科学问题的野外模拟与监测研究；又能相互耦合为生态水文诸过程研究提供集成技术条件，如人工模拟降雨、土壤水动态监测和水样采集的耦合实现，为降雨发生及入渗、产流水文过程及水土流失、营养迁移过程的连续观测和研究成为可能，同时，地表盖度信息快速获取和植被生理过程实时监测功能的实现，为研究植被和水分再分配过程如截留、入渗、蒸发和营养物质循环过程的相互关系提供了条件；集成的五部分主体功能模块基于生态水文科学发展对生态水文过程实验研究和野外监测的科学需求,满足生态水文过程研究对便携式实验和监测装置、系统的基本要求；

所述植被覆盖度动态获取系统是由便携式硬件设备装置和软件处理系统构成，分别完成野外大批量样方照片采集和实时或室内植被覆盖度信息计算及图片处理；该便携式硬件设备装置采用摄像头方案，配备动力舱，结合便携式支架，以保证野外工作的持续性，它由摄像头、摄像头云台、动力舱、支架、笔记本电脑、连接线、固定配件功能组件组成；摄像头置于摄像头云台上并通过摄像头固定件固定，支架测量杆的下端与支架底座相连，其上端与动力舱固定件相连，动力舱置于动力舱固定件上方，它通过动力舱连接线与摄像头相连，笔记本电脑通过摄像头连接线与摄像头连接；其中摄像头方案的采用，是考虑实用经济，通过室内和室外工作模式及背景光的遥控调节,克服了因曝光太强造成的叶片因反光绿色失真的技术难点，有利于提高植被覆盖度信息的提取精度；并且通过遥控摄像头云台旋转，控制摄像头在水平方向360°和垂直方向270°旋转，实现摄像头对样方的快速捕捉，这既保证了摄像头不受支架倾斜角度影响实现垂直对地拍摄，又为向上拍摄以获取郁闭度信息提供了可能；摄像头通过延长线和电脑连接，通过程序实现对样方信息的实时观测，便于及时调节摄像头相关参数，获取高质量的样方照片；动力舱为摄像头提供动力，保证了设备野外工作的可能性和持续性；该软件处理系统通过IDL语言编程实现，与硬件设备有效耦合衔接，并对获取的样方照片进行处理、自动快速计算植被覆盖度；软件处理系统主要包括菜单栏、工具栏、成像窗口、计算窗口、元数据信息窗口、人机交互窗口和几何校正窗口；具备图像缩放、移动、裁剪基本功能；通过软件中的专门工具能够对样方实现实时、动态观测，并进行拍照；拍摄的照片会自动导入成像窗口进行植被覆盖度信息计算，也可手动在成像窗口导入所拍摄照片进行处理和计算，计算结果将以二值图的形式显示在计算窗口，便于评价计算精度；照片路径、名称、计算结果信息实时显示在元数据窗口，实现编辑和保存功能；根据使用者经验和地域环境特点，在人机交互窗口调整并选择适宜性关键参数，提高植被盖度计算结果；并且通过在几何校正窗口输入相关参数实现图像计算的几何校正；程序具有感兴趣区植被盖度提取模块，实现对照片感兴趣区植被覆盖度信息的直接、快速获取，克服了先对照片进行裁剪保存再对照片进行计算的不便；

所述便携式光合作用测量系统用于包括光合、植物呼吸和土壤呼吸、蒸腾、荧光多项植物生理测量功能，其测量参数包括：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Ts)、细胞间隙CO2浓度(Ci)、大气CO2浓度(Ca)、光量子通量密度(PFD)、叶温(TL)、相对空气湿度(RH)；如果配备6400-40叶绿素荧光叶室，可测试以下参数：最大荧光(Fm)、初始荧光(Fo)、可变荧光(Fv)、光化学猝灭(qP)、非化学猝灭(qN)；此外，它在进行自动测量的基础上还可以进一步计算光饱和点、光补偿点、CO2饱和点、CO2补偿点多项重要生理生态指标；

所述便携式人工模拟降雨装置由供水动力装置、降雨喷头、支架、输水管、流量计、压力表、挡风棚、样方框、遮雨罩、集流槽组成；降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；为提高装置的便携性和野外适应性，区别于其他装置普遍采用的蓄电池或交流电供水动力装置，该降雨装置采用人工压力泵作为供水动力装置控制降雨强度，水由压力泵压入输水管，到达降雨喷头形成降雨，既减轻了设备重量，又解决了野外多点批量实验无电源情况下的供水动力问题；压力表标示压力泵的实时压力，流量计标示供水流量信息；为减小环境特别是风的干扰，安置挡风棚，以保证降雨均匀、稳定降落到地面样方；降雨喷头固定在可伸缩支架，可调节降雨喷头高度；样方框用来建立标准1*1m2样方；集流槽用来收集地面产流，引流到量杯测量径流量；遮雨罩用来遮护集流槽，避免降雨直接降入集流槽干扰产流量；

所述土壤水运动监测装置是一种多通道气象监测装置，用来监测风速、风向、空气温/湿度、大气压力、降雨量、光照及土壤温/湿度气象参数，实现实时监测不同深度土层的土壤水变化；

所述径流/土壤水采样装置包括径流收集装置和土壤水分采样装置；径流收集装置是由遮雨罩、集流槽、样方框和量杯组成，样方框圈出样方，坡底方向开放，无缝结合集流槽，以便引出坡面产流，遮雨罩遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出流一段下方，承接径流；该样方框是三面封闭一面开放的铁质方框，入土一面稍薄，以便嵌入土壤，圈出样方，并防止径流外流；该集流槽是V形铁质槽状装置，V形一边有5cm水平延伸，以便插入土体，一端封闭一端开放，将产流全部导出；该遮雨罩是通过两根钢筋固定于集流槽上的长方形铁页，与水平面呈30度倾角，以便将落在铁页上的雨水导出样方区外；该量杯的容量根据产流量和量测时间间隔确定，土壤水分抽样装置由测头、采样瓶、导水/气管和抽气泵组成,完成野外人工模拟降雨实验的坡面产流和土壤水采样工作。