CN107462549A - 一种森林死可燃物含水率在线测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种森林死可燃物含水率在线测量装置及其测量方法，包括安装支架；安装支架中间设置有半透半反镜，半透半反镜右侧倾斜设置有激光器，沿光源透射路径，激光器发射的光源透射过半透半反镜后投射到标准郎伯板上，经标准郎伯板反射投射到光电探测器一上，沿光源反射路径，激光器发射的光源经半透半反镜反射后投射在死可燃物容器上，经死可燃物容器反射后投射到光电探测器二上，光电探测器一和光电探测器二还均与一组数据处理装置连接；本发明在线测量装置可以在野外代替人工进行24小时实时监控；在线测量装置采用LORA无线技术，能够低功耗、远距离地回传数据，又能保证数据在传输过程中的完整性。
Description
技术领域
本发明涉及森林防火技术领域，尤其涉及一种森林死可燃物含水率在线测量装置及其测量方法。
背景技术
森林是地球的宝贵财富，也是生物赖以生存的生态系统之一，而林火作为突发性强、破坏性大的自然灾害之一，不但严重破坏生态环境，同时也给人类造成了巨大的经济损失，甚至威胁到人类的生命；森林死可燃物是指林下地表的尚未分解的凋落物,包括落叶和枯枝等；它是森林火灾发生的物质基础，其含水率直接影响起火的难易程度，间接影响着火强度、火势蔓延速度及有效辐射；林内活立木类可燃物的含水率变化受自身生理作用的影响较大，受环境条件影响较小，含水率高，不易燃烧；而以枯落物为主的地表可燃物含水率受环境条件影响较大，也就是说，通过实现对森林死可燃物含水率的在线测量，也就能够预知在该地点发生火灾的难易程度和可能性，即实现对该地点的森林火灾预防。
目前常用的森林死可燃物含水率的测定方法主要由称重法和预测法两类：称重法是对于森林死可燃物最精确的方法，公式如下：
式中γ代表含水率，
m1表示鲜重，
m2表示对死可燃物完全烘干后的干重。称重法根据取样方式分成破坏性和非破坏性两种。破坏性采样称重法一般在野外取样，带回实验室测量森林死可燃物鲜重，经干燥箱完全烘干后称干重，再计算含水率。虽然此方法测量结果最准确，但烘干时间较长，无法实时得到可燃物的含水率，因此，不能在火险预报中应用。非破坏性采样称重法是事先人工制备的死可燃物放到森林环境中，定时称量其鲜重，然后计算含水率。美国采用干质量为100g的木棒，称为湿度棒，放在距地面一定高度的架子上，定期称量木棒的质量，就可以计算出湿度棒的含水率。但是湿度棒与森林死可燃物的组成、空间结构和所处环境不同，因此，该法测定的木棒含水率与森林死可燃物的含水率不一样，两者之间仅存在一种相关性，需要提前用实验法来建立两者之间的关系方程，通过方程计算才能得到地表可燃物含水率。此方法需要每日人龚测量，而且精度不高。还有一种非破坏性采样称重法是将一定量的森林死可燃物放在一个容器中，然后放在地表，定期称重森林死可燃物的鲜重。为了不破坏森林死可燃物的结构，不能提前烘干测干质量，只能在工作结束后将可燃物带回烘干称量干重，届时才能得到观测时的含水率。该方法也要人工测量，即每次都要将样本取出称量，期间还要保证样本不受损失。此外，这种方法还不能实时地得到森林死可燃物的含水率，因此，只适合科学研究，不适合森林火险预报。
预测法主要有气象要素回归法和平衡含水率法。气象要素回归法是通过建立气象因子与森林死可燃物含水率之间的关系方程，然后通过这些方程由这些物理量来预测森林死可燃物的含水率。我国主要采用此种方法来预报森林火险。
但此方法需要对不同森林分别建立气象因子与可燃物含水率的关系，缺乏一定的适用性。美国和加拿大普遍应用的方法是平衡含水率法，它是基于时滞和平衡含水率，只要已知可燃物初始含水率，就能在任意时由dM/dt＝(E-M)/τ，M＝E+(M0-E)e-t/τ这两个公式准确预测含水率。式中：M为死可燃物含水率；
E为平衡含水率；
t为时间；
τ为时滞；
M0为可燃物初始含水率。
但上述公式只适用于环境不变的情况，在自然环境中，环境的温湿度一定是变化的，这样可燃物的平衡含水率和时滞也会发生变化，再利用上面的公式就不准确了。于是需要根据变化的温度、湿度和风速等气象因子求出变化的平衡含水率和时滞。
有人曾通过测量可燃物的电导等物理特性来预测可燃物含水率，但由于森林地表可燃物的组成复杂，结构不均匀，因此，误差很大，已很少使用。
另外，在大范围监测地表含水率的方法中，还有一种造价昂贵的遥感估值法。此方法利用卫星来直接探测被测植被的含水率。但次方法只能检测裸露出来的植被含水率，对于落叶等死可燃物有一定的局限性。
综上所述，称重法虽然精度较高，但是步骤繁琐，耗时长；气象要素预测法是基于气象参数来预测森林死可燃物的含水率，但是却需要对不同林区建立不同的模型，缺乏一定的适用性；遥感估值法利用卫星来监测林区，价格昂贵，又只能对林区顶层树叶进行监测，适用于草原防火，在针对森林环境时比较乏力；平衡含水率法也是利用气象参数和平衡含水率公式来预测，与气象要素预测法有着同样的缺点。国内外各种研究中，都缺少对森林死可燃物含水率的直接测量和实时预报，因此，开发一种能够在线准确测量森林死可燃物含水率的方法是目前林火科学的重要研究内容，也是森林火险预报工作的迫切需求。
发明内容
本发明克服了上述现有技术的不足，提供了一种森林死可燃物含水率在线测量装置及其测量方法；本发明的的森林死可燃物含水率在线测量装置实现了样品含水率变化与周围森林死可燃物含水率变化具有一致性。提出了利用在1450nm的近红外光的光谱反射率与含水率的关系，仅测定样本的光谱反射率就能反演得出含水率，实现了快速高效地测定森林死可燃物的含水率，突破了传统称重法测定含水率时间周期长，无法实时自动观测巨献。克服了现有森林火险预报中所使用的预测法中不能在线测量的缺点，实现自动连续在线森林死可燃物的含水率，节约了大量的人力成本。本发明可直接用于森林火险预报中的森林死可燃物的含水率，有效提高了森林火险预报的准确度，可用于森林火险预报和科学研究。
本发明的技术方案：
一种森林死可燃物含水率在线测量装置，包括安装支架、半透半反镜、激光器、光电探测器一、光电探测器二、标准郎伯板、死可燃物容器；所述安装支架中间设置有半透半反镜，所述半透半反镜右侧倾斜设置有激光器，所述激光器发射的光源与所述半透半反镜形成一定角度的锐角，沿光源透射路径，所述激光器发射的光源透射过所述半透半反镜后投射到所述标准郎伯板上，经所述标准郎伯板反射投射到所述光电探测器一上，所述光电探测器一下端还设置有一组红外滤光片，所述标准郎伯板和所述光电探测器一均设置在所述半透半反镜左侧的安装支架上；沿光源反射路径，所述激光器发射的光源经所述半透半反镜反射后投射在所述死可燃物容器上，经所述死可燃物容器反射后投射到光电探测器二上，所述光电探测器二下方也设置有一组红外透光片；所述安装支架上还安装有太阳能供电系统，所述太阳能供电系统分别于所述激光器、所述光电探测器一和所述光电探测器二电连接，所述光电探测器一和所述光电探测器二还均与一组数据处理装置电连接。
进一步的，所述数据处理装置包括PLC模块、LORA模块一、LORA模块二、上位机；所述PLC模块分别于所述激光器、所述光电探测器一和所述光电探测器二电连接，所述PLC模块还与所述LORA模块一电连接，所述LORA模块一通过无线信号与所述LORA模块二连接，所述LORA模块二与所述上位机电连接
进一步的，所述死可燃物容器为网状容器，所述死可燃物容器内盛装有粉末状死可燃物。
进一步的，所述激光器为1450nmDFB激光器。
进一步的，所述激光器发射的光源与所述半透半反镜之间形成的锐角为45°。
进一步的，所述光电探测器一和所述光电探测器二以所述半透半反镜为中心轴对称。
进一步的，所述标准郎伯板和所述死可燃物容器以所述半透半反镜为中心轴对称。
一种基于所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置的测量方法，该方法包括如下步骤：
a、标定方程的确定：在待测的林区内采集若干租死可燃物样本，在实验室安装森林死可燃物含水率在线测量装置，将死可燃物人工碾碎或机械粉碎后放入所述死可燃物容器内，开启激光器，同时收集光电探测器一的电压值V1和光电探测器二的电压值V2，标准郎伯板的反射率为已知ρ0，测定样本含水率的光谱反射率时ρ＝ρ0V2/V1，通过称重法测量实际含水率，比对反射率和含水率的数据，进行回归分析，建立标定方程y＝ax+b，y代表含水率，x代表反射率，通过多组测量，直接求出系数a和b并建立线性坐标系；
b、待测森林死可燃物的取样：在待测的林区，采集落叶若干，通过人工碾碎或机械粉碎，粉碎后放置在所述死可燃物容器内；
c、死可燃物的反射率测量：安装所述森林死可燃物含水率在线测量装置，开启激光器，光源透射过半透半反板透射到标准郎伯板上，经标准郎伯板反射后投到光电探测器一，光电探测器一测量后获得标准郎伯板的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测1，光源投射到半透半反板上反射到死可燃物容器内的粉末状死可燃物上，经粉末状死可燃物反射后投到光电探测器二，光电探测器二测量后获得粉末状死可燃物的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测2，标准郎伯板的反射率已知为ρ0，森林死可燃物的反射率ρ为：
ρ＝ρ0V测2/V测1
d、死可燃物的含水率的测量：通过步骤c中测量并计算后得到的反射率的值，查看步骤a建立的标定方程和线性坐标系，直接获得森林死可燃物的含水率。
e、死可燃物的含水率在线测量：森林死可燃物反射率测量装置按设定的时间间隔，定时采集光电探测器一和光电探测器二的电压值，并用单片机计算反射率；通过步骤a中所建立的标定方程得到目标的含水率，最后将计算结果通过LORA无线技术回传至上位机。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1.本发明的在线测量装置采用电子电路技术，自动化程度高，不仅节约了人力资源，还避免了人工操作引起的误差，从源头上确保了数据的准确性。
2.本发明的在线测量装置可以在野外代替人工进行24小时实时监控测量。
3.本发明的在线测量装置采用LORA无线技术，能够低功耗、远距离地回传数据，又能保证数据在传输过程中的完整性。
4.本发明的在线测量装置故障率低，排查故障简单，各模块易于修理。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的数据处理装置的控制框图；
图3是本发明的工作流程图。
图中：1-安装支架；2-半透半反镜；3-激光器；4-光电探测器一；5-光电探测器二；6-标准郎伯板；7-死可燃物容器；8-红外透光片；9-太阳能供电系统；10-PLC模块；11-LORA模块一；12-LORA模块二；13-上位机。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
结合图1—图3所示，本实施例公开的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，包括安装支架1、半透半反镜2、激光器3、光电探测器一4、光电探测器二5、标准郎伯板6、死可燃物容器7；所述安装支架1中间设置有半透半反镜2，所述半透半反镜2右侧倾斜设置有激光器3，所述激光器3发射的光源与所述半透半反镜2形成一定角度的锐角，探测器所测得的反射光功率必须是由光源产生，防止别的光源的干扰；沿光源透射路径，所述激光器3发射的光源透射过所述半透半反镜2后投射到所述标准郎伯板6上，经所述标准郎伯板6反射后投射到所述光电探测器一4上，所述光电探测器一4下端还设置有一组红外滤光片8，所述标准郎伯板3和所述光电探测器一4均设置在所述半透半反镜2左侧的安装支架1上；沿光源反射路径，所述激光器3发射的光源经所述半透半反镜2反射后投射在所述死可燃物容器7上，经所述死可燃物容器7反射后投射到光电探测器二5上，所述光电探测器二5下方也设置有一组红外透光片8；所述安装支架1上还安装有太阳能供电系统9，所述太阳能供电系统9分别于所述激光器3、所述光电探测器一4和所述光电探测器二5电连接，所述光电探测器一4和所述光电探测器二5还均与一组数据处理装置电连接。
具体的，所述数据处理装置包括PLC模块10、LORA模块一11、LORA模块二12、上位机13；所述PLC模块10分别于所述激光器3、所述光电探测器一4和所述光电探测器二5电连接，所述PLC模块10还与所述LORA模块一11电连接，所述LORA模块一11通过无线信号与所述LORA模块二12连接，所述LORA模块二12与所述上位机13电连接
具体的，所述死可燃物容器7为网状容器，所述死可燃物容器7内盛装有粉末状死可燃物；待测森林死可燃物必须做碾碎处理，这样才能保证与标准朗伯板一样是漫反射，才能用相对测量法进行反射率的测量。
具体的，所述激光器3为1450nmDFB激光器。
具体的，所述激光器3发射的光源与所述半透半反镜之间形成的锐角为45°。
具体的，所述光电探测器一4和所述光电探测器二5以所述半透半反镜2为中心轴对称；所述标准郎伯板6和所述死可燃物容器7以所述半透半反镜2为中心轴对称；待测森林死可燃物应放到与其他野外可燃物相同的水汽交换环境中，这样才能保证待测样品的水分变化与自然状态下的可燃物含水率变化一致。并且必须保证待测样品和标准朗伯板基于半透半反镜是对称的，这是相对测量法的另一个条件。
液态水在1450nm的红外光下有着明显的吸收谷，利用森林死可燃物在1450nm下的光谱反射率和含水率之间的关系，建立两者的标定方程。如果能实时测量森林死可燃物的光谱反射率，就可以实时地获得可燃物含水率，就可以用于火险预报。
一种森林死可燃物含水率在线测量装置的测量方法，该方法包括如下步骤：
a、标定方程的确定：在待测的林区内采集若干租死可燃物样本，在实验室安装森林死可燃物含水率在线测量装置，将死可燃物人工碾碎或机械粉碎后放入所述死可燃物容器内，开启激光器，同时收集光电探测器一的电压值V1和光电探测器二的电压值V2，标准郎伯板的反射率为已知ρ0，测定样本含水率的光谱反射率时ρ＝ρ0V2/V1，通过称重法测量实际含水率，比对反射率和含水率的数据，进行回归分析，建立标定方程y＝ax+b，y代表含水率，x代表反射率，通过多组测量，直接求出系数a和b并建立线性坐标系；
b、待测森林死可燃物的取样：在待测的林区，采集落叶若干，通过人工碾碎或机械粉碎，粉碎后放置在所述死可燃物容器内；
c、死可燃物的反射率测量：安装所述森林死可燃物含水率在线测量装置，开启激光器，光源透射过半透半反板透射到标准郎伯板上，经标准郎伯板反射后投到光电探测器一，光电探测器一测量后获得标准郎伯板的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测1，光源投射到半透半反板上反射到死可燃物容器内的粉末状死可燃物上，经粉末状死可燃物反射后投到光电探测器二，光电探测器二测量后获得粉末状死可燃物的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测2，标准郎伯板的反射率已知为ρ0，森林死可燃物的反射率ρ为：
ρ＝ρ0V测2/V测1
d、死可燃物的含水率的测量：通过步骤c中测量并计算后得到的反射率的值，查看步骤a建立的标定方程和线性坐标系，直接获得森林死可燃物的含水率。
e、死可燃物的含水率在线测量：森林死可燃物反射率测量装置按设定的时间间隔，定时采集光电探测器一和光电探测器二的电压值，并用单片机计算反射率；通过步骤a中所建立的标定方程得到目标的含水率，最后将计算结果通过LORA无线技术回传至上位机。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (8)
1.一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，包括安装支架(1)、半透半反镜(2)、激光器(3)、光电探测器一(4)、光电探测器二(5)、标准郎伯板(6)、死可燃物容器(7)；所述安装支架(1)中间设置有半透半反镜(2)，所述半透半反镜(2)右侧倾斜设置有激光器(3)，所述激光器(3)发射的光源与所述半透半反镜(2)形成一定角度的锐角，沿光源透射路径，所述激光器(3)发射的光源透射过所述半透半反镜(2)后投射到所述标准郎伯板(6)上，经所述标准郎伯板(6)反射后投射到所述光电探测器一(4)上，所述光电探测器一(4)下端还设置有一组红外滤光片(8)，所述标准郎伯板(3)和所述光电探测器一(4)均设置在所述半透半反镜(2)左侧的安装支架(1)上；沿光源反射路径，所述激光器(3)发射的光源经所述半透半反镜(2)反射后投射在所述死可燃物容器(7)上，经所述死可燃物容器(7)反射后投射到光电探测器二(5)上，所述光电探测器二(5)下方也设置有一组红外透光片(8)；所述安装支架(1)上还安装有太阳能供电系统(9)，所述太阳能供电系统(9)分别于所述激光器(3)、所述光电探测器一(4)和所述光电探测器二(5)电连接，所述光电探测器一(4)和所述光电探测器二(5还均与一组数据处理装置电连接。
2.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述数据处理装置包括PLC模块(10)、LORA模块一(11)、LORA模块二(12)、上位机(13)；所述PLC模块(10)分别于所述激光器(3)、所述光电探测器一(4)和所述光电探测器二(5)电连接，所述PLC模块(10)还与所述LORA模块一(11)电连接，所述LORA模块一(11)通过无线信号与所述LORA模块二(12)连接，所述LORA模块二(12)与所述上位机(13)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述死可燃物容器(7)为网状容器，所述死可燃物容器(7)内盛装有粉末状死可燃物。
4.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述激光器(3)为1450nmDFB激光器。
5.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述激光器(3)发射的光源与所述半透半反镜之间形成的锐角为45°。
6.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述光电探测器一(4)和所述光电探测器二(5)以所述半透半反镜(2)为中心轴对称。
7.根据权利要求1所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置，其特征在于，所述标准郎伯板(6)和所述死可燃物容器(7)以所述半透半反镜(2)为中心轴对称。
8.一种基于权利要求1-7之一所述的一种森林死可燃物含水率在线测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、标定方程的确定：在待测的林区内采集若干租死可燃物样本，在实验室安装森林死可燃物含水率在线测量装置，将死可燃物人工碾碎或机械粉碎后放入所述死可燃物容器内，开启激光器，同时收集光电探测器一的电压值V1和光电探测器二的电压值V2，标准郎伯板的反射率为已知ρ0，测定样本含水率的光谱反射率时ρ＝ρ0V2/V1，通过称重法测量实际含水率，比对反射率和含水率的数据，进行回归分析，建立标定方程y＝ax+b，y代表含水率，x代表反射率，通过多组测量，直接求出系数a和b并建立线性坐标系；
b、待测森林死可燃物的取样：在待测的林区，采集落叶若干，通过人工碾碎或机械粉碎，粉碎后放置在所述死可燃物容器内；
c、死可燃物的反射率测量：安装所述森林死可燃物含水率在线测量装置，开启激光器，光源透射过半透半反板透射到标准郎伯板上，经标准郎伯板反射后投到光电探测器一，光电探测器一测量后获得标准郎伯板的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测1，光源投射到半透半反板上反射到死可燃物容器内的粉末状死可燃物上，经粉末状死可燃物反射后投到光电探测器二，光电探测器二测量后获得粉末状死可燃物的反射光强，经过光电转化后测量得到电压值为V测2，标准郎伯板的反射率已知为ρ0，森林死可燃物的反射率ρ为：
ρ＝ρ0V测2/V测1
d、死可燃物的含水率的测量：通过步骤c中测量并计算后得到的反射率的值，查看步骤a建立的标定方程和线性坐标系，直接获得森林死可燃物的含水率。
e、死可燃物的含水率在线测量：森林死可燃物反射率测量装置按设定的时间间隔，定时采集光电探测器一和光电探测器二的电压值，并用单片机计算反射率；通过步骤a中所建立的标定方程得到目标的含水率，最后将计算结果通过LORA无线技术回传至上位机。
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