CN111316075B - 植物生长控制系统和植物生长分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种植物生长分析装置(1)，包括用于检测树木(1a)上的振动的检测装置(2、3)；用于将检测装置(2、3)锚定到树木(1a)上的锚定装置(4)；以及控制面板(5)。控制面板(5)用于控制如下步骤：采样步骤，其中，检测装置(2、3)测量作用于在树(1a)上的采样振动，树(1a)的采样频谱确定为采样振动的函数；监测步骤，其中检测装置(2、3)测量作用在树(1a)上的电流振动，树(1a)的电流频谱确定为电流振动的函数；以及评估步骤，其中通过比较电流频谱和采样频谱来确定树木(1a)的植物生长状况。

Description

植物生长控制系统和植物生长分析方法

技术领域

本发明涉及一种植物生长分析装置。

特别是，该装置可以分析植物或树木(以下简称“树”)的稳定性，以防止树倒下(优选是通过砍伐使该植物倒下)。

技术背景

众所周知，目前树木的植物生长分析通常是通过树木的视觉检查来进行的，通过视觉检查从而检查树木的特征和一般状况，并突出强调树木的任何结构缺陷。

最常用的视觉检查方法之一是视觉树评估(Visual Tree Assessment)。

此检查是基于恒定张力定理，即生物结构的发展是为了确保表面载荷的均匀分布。因此，视觉树评估中说到，当一棵树正经历腐烂/破坏时，该树往往会在受损区域产生修复材料，从而恢复载荷的均匀分布，并因此产生表面可见的不均匀性。

总之，视觉树评估提供了一个视觉调查方案，旨在识别组织内存在退化过程的外部症状。所述调查方案是在树的树叶、木本部分(树干，主枝和初生枝)和树冠上进行的。

上述现有技术有几个主要缺点。

第一个缺点是，这些检查方法对关注度要求很高，因此，会非常耗时和费力。

这一方面强调的是该植物生长分析必须对每棵树进行周期性检查。

因此，另一个缺点是，需要大量人力对许多树进行植物生长分析。

一个主要的缺点是由于缺陷的识别，因此视觉调查需要专业人员能够将每个外部症状与树的正确内部退化程度联系起来。

此外，尽管配备了专业人员，但所述视觉调查不能保证植物生长分析的准确性。因此，所述视觉调查往往伴随着仪器调查。

所述仪器调查包括移除树干的小部分和/或树木的其他部分，或者使用放射技术。

所述仪器调查虽然改进了植物生长分析，但由于成本高、对树木侵入力强，而且增加了分析时间，因此应用效果很差。

另一个缺点是，由于耗费的费用和时间很高，可能到目前为止，进行过的调查没有连续地应用于该地区的所有植物，而且只应用于点覆盖(point coverage)。

发明内容

在上述背景下，本发明的技术任务是设计一种植物生长分析装置，所述植物生长分析装置能够基本解决上述缺点。

在所述技术任务的范围内，本发明的主要目的是提供一种植物生长分析装置，所述植物生长分析装置能够以精确和快速的方式进行植物生长分析。

本发明的另一个主要目的是获得一种植物生长分析装置，在不使用大量人力或经济资源的情况下，可实时且连续地执行分析。

该技术任务和特定目标通过所述植物生长分析装置来实现。

附图说明

参考附图，从本发明的优选实施例的详细描述中可以明显看出本发明的特征和优点，其中：

图1为根据本发明设计的植物生长分析装置；

图2为使用中的植物生长分析装置；

图3为根据本发明设计的植物生长分析装置的操作流程图；

图4为通过植物生长分析装置可获得的估计图形图示。

具体实施例

在本说明书中，当与诸如“关于”之类的术语或诸如“几乎”或“基本上”之类的其他类似术语相关联时，度量、值、形状和几何参考(例如垂直度和平行度)，应理解为除了由于生产和/或制造缺陷造成测量误差或不准确，特别是除了与相关的数值、测量、形状或几何参考值有微小差异。例如，如果这些术语与数值相关，则优选地指示不超过数值本身的10％的差异。

除非另有规定，否则可以从接下来的讨论中明显看出，诸如“处理”、“数据处理”、“确定”、“计算”等术语应理解为指计算机或类似的电子计算装置的动作和/或过程，其操作和/或转换表示为物理的数据，例如计算机系统和/或存储器的寄存器的电子尺寸，进入计算机系统、寄存器或其他存储、传输或信息显示装置中类似地表示为物理量的其他数据。

参照附图，用数字1将根据本发明设计的植物生长分析装置表示为一个整体。

所述植物生长分析装置适用于通过确定树1a的植物学条件来验证树1a的稳定性，尤其适用于监测树1a的稳定性，并且优选地报告树倒下的任何危险，例如，从而允许砍树更加安全。

植物生长分析装置1可包括用于检测树木1a的振动的检测装置，即树木1a振动的频率基本上合适地低于1KHz。

因此，应该注意的是，所述植物生长分析装置1使用检测装置来测量地壳产生的振动频率，地壳拥有非常特定的频率，这些频率反映了地球持续的不可察觉的振动，例如地震仪将其作为背景噪声来检测。

还应注意的是，除了能够测量来自地壳的树1a的振动频率外，所述检测装置还适用于测量作用在树1a上的任何其他力学因素(包括其根系)引起的频率。

所述检测装置包括一个或多个惯性传感器，所述惯性传感器适于检测树1a的振动并且适当地具有基本上低于1KHz的检测频率。

具体而言，所述检测装置可以包括至少一个加速计2，所述加速计2完整地束缚在树1a以测量作用在树1a上的力。

所述加速计2可以具有所述检测频率。

它适于检测和/或测量树1a的线性加速度。优选地，所述加速度计2是三轴的，因此能够沿三个相互垂直的轴测量树1a的线性力/加速度。

所述检测装置可包括至少一个陀螺仪3，所述陀螺仪3完整地束缚在树1a上以测量作用在所述树1a上的力矩。

所述陀螺仪3可以具有所述检测频率。

所述陀螺仪适于检测和/或测量树1a的角加速度。优选地，所述陀螺仪3是三轴的，因此能够测量树1a相对于三个相互垂直的轴的角力矩/加速度，并且具体来说，所述陀螺仪3与所述三轴加速度计2的角力矩/加速度一致。

优选地，所述检测装置仅包括一个加速度计2和一个陀螺仪3。

为了使检测装置能够正确地检测作用于树1a上的物理动作，所述植物生长分析装置1可以包括适于整体束缚于检测装置的锚定装置4，并且所述锚定装置4精确地将整个所述装置1束缚到树1a。

所述植物生长分析装置1可以包括控制面板5，用于控制所述植物生长分析装置1的操作。

如下文更详细的描述，所述控制面板5适用于通过其惯性传感器来控制检测装置，以测量作用在树1a上的振动，并且可选地确定作为所述振动的函数的所述树1a的所述振动的频谱。

所述频谱(无论是采样频谱和/或电流频谱)可以通过显示振动频率与该频率的检测次数的比值(表示为绝对值或％值)来识别振动的表示，即所述频率记录的次数。例如，所述频谱可以是如图4所示的图，其在笛卡尔平面上表示的横坐标上的频率(f)和纵坐标上的检测数(N)。

具体地，所述控制面板5适用于控制所述检测装置(准确地说是所述加速度计2和/或陀螺仪3)以测量作用于树1a的采样振动，并且可选地确定作为所述采样振动的函数的树1a的采样频谱。

图4中用实线表示可能的采样频谱。

在获得采样频谱之后，所述控制面板5用于控制所述检测装置(特别是所述加速计2和/或所述陀螺仪3)以测量树1a的电流振动(即植物生长分析期间的振动)，并基于电流振动确定电流频谱，最后通过比较电流频谱和采样频谱，获得1a树中的生长状态。

图4中用折线表示可能的电流频谱。

特别地，所述控制面板5通过比较采样频谱与电流频谱来确定树木1a的植物生长状态，以此寻找仅在其中一个频谱中记录检测峰(在图4中用P表示)的一个或多个频率，更精确地说，仅在电流频谱内寻找。

优选地，树1a的植物生长状态由通过在基本上低于1KHz的频带内比较电流频谱与采样频谱来确定。

所述植物生长分析装置1还可包括用于向同一植物生长分析装置1的组件提供电能的电源系统6。

所述电源系统6可包括电池和/或光伏板。

所述植物生长分析装置1可包括所述装置1或树1a的标识符。

所述标识符用于识别所述装置1或树1a，并且可以包括用于识别所述装置1的位置(因此与所述装置1相关联的树1a的位置)的地理定位器和所述装置1或树1a的字母数字代码中的至少一个。

最后，所述植物生长分析装置1可以包括存储器7，所述存储器7用于存储来自如下所述的相同装置的数据。

可选地，所述植物生长分析装置1可包括用于测量大气参数的至少一个环境传感器8。

所述至少一个环境传感器8可包括用于测量环境温度的温度计8a。

所述至少一个环境传感器8可包括用于测量空气湿度的湿度检测器8b。

优选地，所述至少一个环境传感器8可以包括温度计8a和湿度检测器8b。

所述植物生长分析装置1可以集成到植物生长控制系统中，该系统用作评估，特别是监测多棵树1a的稳定性。

所述植物生长控制系统包括一个所述植物生长分析装置1，用于每棵待监测的树木1a；以及一个控制站，所述控制站包括一个树型数据库，所述树型数据库将上述标识符和一个或多个采样和/或电流频谱(如下文所述)连接到配备有植物生长分析装置1的每棵树木1a。

所述控制站和一个或多个所述植物生长分析装置1可以进行数据连接。

因此，每个装置1可以包括用于提供与控制站的所述数据连接的连接装置9。

显然，所述控制站也可以包括独自的连接手段。

数据连接可以通过无线连接，并且能从本地网络WLAN(无线局域网)、无线移动蜂窝网络(例如GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSPA、LTE、蓝牙)或卫星网络中适当地挑选连接方式。

在某些情况下，在数据连接中，所述植物生长控制系统可以在所述控制站和一个或多个所述植物生长分析装置1之间插入一个或多个节点。此时，所述植物生长分析装置1经由无线连接方式方便地与至少一个节点(例如经由合适的蓝牙类型的无线连接，优选为低能耗的类型(无线技术))和至少一个节点与所述控制站交换数据，其连接方式可以不同于或同于节点和装置1之间使用的连接方式。

所述控制站可识别为服务器/处理器/计算机。

所述控制站可以将采样频谱确定为由装置1测量的所述采样振动的函数，将电流频谱确定为电流振动的函数，然后通过比较电流频谱和采样频谱来确定树1a的植物生长状态。

植物生长分析装置的操作，以及因此在结构上所述的植物生长控制系统的操作，使得上述描述的具有创新性的植物生长分析方法10定义为至少是由所述控制面板部分可控的。

对树木1a进行植物生长分析的植物生长分析方法10包括采样步骤11，其中检测装置测量树木1a上的采样振动，并且将树木1a的采样频谱确定为所述采样振动的函数。

树1a的振动频率的频谱表示树1a在受到例如地壳振动或树1a上的其他外部因素振动时，在不干扰树1a的稳定性(例如造成其倒下或损坏)的前提下可以承受的一组振动频率。

具体地，所述采样步骤11包括检测子步骤111和分析子步骤112，检测装置的惯性传感器，准确地说，所述加速计2和/或所述陀螺仪3对树1a采样振动进行测量，其中根据所述采样振动确定采样频谱。

适当地，所述检测子步骤111可以执行延长的时间段(例如数天或数周)，以便具有足以产生采样频谱的多个采样振动。

所述检测子步骤111检测的采样振动频率基本为1KHz。

可选地，除了所述检测子步骤111中的振动之外，所述环境传感器8还可以检测采样温度和空气采样湿度中的至少一个参数，优选是采样温度和采样湿度都检查。

在所述检测子步骤111中获取的数据可以存储在所述植物生长分析装置1的存储器和/或所述控制站的树型数据库中。

仿形子步骤112确定树1a的采样频谱(图4中的实线)为在先前的所述检测子步骤111中确定的采样振动的函数。采样频谱的计算可以通过傅里叶变换实现，准确说是通过快速傅里叶变换。

除了所述采样振动外，所述采样频谱还可以作为采样温度和/或采样湿度的函数来确定。

所述采样频谱可存储在控制站的树型数据库和/或植物生长分析装置1中。

所述采样频谱可以考虑频率基本上低于1KHz的采样振动。

仿形子步骤112可以通过所述装置和/或所述控制站执行。

应当注意，所述采样步骤11可以周期性地运行(例如一年一次或两次)，以便根据树1a的生长调整采样频谱。

一旦获得采样频谱，所述采样步骤11完成，所述植物生长分析方法10包括监测步骤12，所述监测步骤12测量树1a的电流振动，即在监测时测量树1a中的振动，并且基于此确定电流频谱。

具体而言，所述监测步骤12包括测量子步骤121和分析子步骤122，其中检测装置的惯性传感器，更准确地说，加速计2和/或陀螺仪3测量作用在树1a上的电流振动，其中电流频谱根据所述电流振动确定。

所述测量子步骤121检测频率为基本上低于1KHz的电流振动频率。

可选地，除了所述测量子步骤121中的振动之外，所述环境传感器8还可以检测当前温度和空气当前湿度中至少一个，优选是当前温度和当前湿度都检测。

所述分析子步骤122将树1a的电流频谱(图4中的折线)确定为在先前的测量子步骤121中确定的电流振动的函数。电流频谱的计算可以通过傅里叶变换来实现，准确的说是快速傅里叶变换。

除了电流振动外，所述取样频谱还可以用电流温度和/或电流湿度的函数来确定。

所述电流频谱可以存储在所述控制站的树型数据库和/或所述植物生长分析装置1中。

所述电流频谱可以考虑频率基本上低于1khz的电流振动。

为了使电流和采样频谱可相互比较，可以采用诸如通过确保测量121和检测111子步骤具有相同的持续时间；和/或通过规范化检测次数或将其表示为百分比等解决方案。

分析子步骤122可以通过所述装置和/或所述控制站执行。

可选地，监视步骤12可以包括更新子步骤123，所述更新子步骤123中，例如在所述采样步骤11中获得的采样频谱会基于在所述测量子步骤121中测量的电流频率进行更新。

在所述监测步骤12的末端，方法10包括评估步骤13，在所述评估步骤13中通过比较电流频谱和采样频谱来确定树木1a的植物生长状态。

所述评估步骤13可以由所述装置和/或所述控制站执行。

与所述采样步骤11相比，所述监视步骤12和评估步骤13可以以不同的、适当较高的频率(例如每天)执行。

在所述评估步骤13中，可以通过将电流频谱与在基本低于1KHz的频带内的采样频谱进行比较，以此确定树木1a的植物生长状态。

如图4所示，可以通过比较取样谱和电流频谱来确定树木1a的植物生长状态，从而确定树木1a的植物生长状态是否存在危险的变化，以寻找检测峰值(即绝对和/或相对最大值)的频率(具体是指一个频率范围)，其检测峰值只出现在两个频谱中的一个，准确地说，只出现在电流频谱中的那个。换言之，在电流频谱中，通过在采样频谱没有检测峰值的频率处搜索检测次数的增加/峰值(参见图4中的P点)来确定植物生长状态，并且以此记录有限的检测次数。

因此，如果电流频谱检测峰的出现与采样频谱检测峰的出现时两者的频率不一致，则树木1a的植物生长状态会发生危险的变化。应当指出的是，与取样频谱相比，在电流频谱的检测峰处增加的检测并不能说明植物生长状态下会发生危险变化。

可以看出，例如，检测峰值中的这种差异，可看作在电流频谱中出现而在采样频谱中没有出现的峰值和/或峰值从一个频率移动到另一个频率的位移(称为移位)，和/或在先前存在的峰值中的振幅变化。

如果在植物生长状态下存在一个或多个危险变化，所述植物静化分析方法10可包括信号步骤14，在信号步骤14中所述控制站对具有倾倒危险的树木1a发出信号。

具体而言，所述植物生长分析装置1将标识符发送到控制站，控制站向操作员发出具有倾倒危险的树木1a的信号。

或者，或者除此之外，由于所述评估步骤13可以由控制站执行，所以信号步骤可以由控制站直接执行。

最后，需要注意的是，在某些情况下，在所述评估步骤13中，可以在树1a之间进行比较，更准确地说，可以在由不同装置1在不同树1a上检测到的检测频谱之间进行比较。例如，可以对不同树1a的所述评估进行比较，从而得出频谱中的任何变化是否由于树木1a的生长或季节性变化，或者是由于树木1a中植物生长问题变化。

所述比较可以对不同时间获得的频谱进行比较，并且在根据给定时间顺序检测到的频谱之间(例如，在随后几周/几个月获得的频谱之间)进行更合适的比较。

此外，频谱之间的比较可以通过比较在一年内的同一时期检测到的频率的函数的频谱来完成(例如，通过比较在同一年秋季或春季检测到的采样频谱和电流频谱)。

所述监控步骤12和/或评估步骤13最好每月和/或每年重复一次。

本发明提供了显著的优点。

第一个优点是所述植物生长分析装置1可以非常迅速和精确地评估树木1a的植物生长状况。

特别是，由于该评估是完全自动化的(即不需要操作者的干预)，所述植物生长分析装置1允许非常迅速地分析树木1a的植物生长状况。

此外，频率的创新性使用，与之带来的频谱用法，即便在没有看到明显的外部症状和使用复杂高昂的调查仪器的情况下，也可以确定是否存在改变树木1a的植物生长状态的内部退化过程。

这一优势是因为频率的创新使用利用了树1a的结构因内部退化过程而改变的方式，从而改变了树1a的物理机械特性。相应地，树1a改变其对振动的响应(即其振动模式)，从而改变检测装置检测到的内容，并从而改变装置1计算的振动频率以及树1a跟随这些频率振动的次数。

因此，创新性所述装置1和由创新性所述装置1实现的植物生长分析方法10利用了内部结构发生的变化，通过改变树1a的物理机械特性(作用在树1a上的作用是相同的)，使得树1a的内部结构改变后的响应与发生改变前的不同。因此，具体检测装置，所述加速计2和/或所述陀螺仪3检测不同的线性/角加速度，从而计算不同的振动频率和/或计算该振动频率的不同数量的检测。

研究还表明，由于振动基于特定频率的频率峰值的产生/移动，振动的创新性使用使所述植物生长分析装置1的目标得以实现。

另一个优点是可以远程控制和/或查看一棵或多棵树的植物生长分析。

事实上，控制站的连接装置允许操作员远程连接到控制站(例如，通过智能手机)，从而访问树型数据库或控制一个或多个分析的执行。

另一个优点是存储一个或多个频谱的植物生长分析装置1和/或树型数据库的存储器，能让对所有树木1a的历史列表进行分析成为可能，从而检查树木1a的演变并分析其生长如何影响树木1a的植物生长状况。

本发明易受相关技术等价物规定的属于本发明构思范围的变化的影响。在这种情况下，所有的细节都可以用等效的元素替换，任何类型的材料、形状和尺寸都可以出现。

Claims (8)

1.一种植物生长控制系统，其包括多个植物生长分析装置(1)和与植物生长分析装置(1)数据连接的控制站，每个植物生长分析装置(1)用于分析树的植物生长状态，其特征在于，植物生长分析装置(1)包括：

-检测装置(2、3)，用于检测所述树(1a)的振动；

-锚定装置(4)，用于将所述检测装置(2、3)锚定到所述树(1a)上；

-控制面板(5)，用于控制：

所述检测装置(2、3)以测量作用在所述树(1a)上的采样振动，和所述控制面板(5)确定所述树(1a)的采样频谱作为所述采样振动的函数；随后

所述检测装置(2、3)以测量作用在所述树(1a)上的电流振动，和所述控制面板(5)确定所述树(1a)的电流频谱作为所述电流振动的函数；以及然后

-所述控制面板(5)通过比较所述电流频谱与所述采样频谱来确定所述树(1a)的植物生长状态，

-所述植物生长分析装置(1)适用于束缚在不同的树上，使得所述控制站能够比较树的电流频谱与采样频谱，以便检测引起树中至少一种植物生长问题的电流频谱和采样频谱的变化。

2.根据权利要求1所述的植物生长控制系统，其中所述控制面板(5)在所述采样频谱和所述电流频谱之间执行所述比较，以检测仅在所述电流频谱内具有检测峰的频率。

3.根据权利要求1所述的植物生长控制系统，其中所述控制面板(5)通过在低于1KHz的频率下将所述电流频谱与所述采样频谱进行比较来确定所述树(1a)的所述植物生长状态。

4.根据权利要求1所述的植物生长控制系统，其中所述检测装置(2、3)包括至少一个完整地束缚到所述树(1a)的加速计。

5.根据权利要求1所述的植物生长控制系统，其中所述检测装置(2、3)包括至少一个陀螺仪，所述陀螺仪完整地束缚在所述树(1a)上。

6.根据权利要求1所述的植物生长控制系统，包括用于测量湿度的湿度检测器(8b)和用于测量温度的温度计(8a)中的至少一个；其中，所述采样频谱和所述电流频谱确定为所述温度和所述湿度中至少一个的函数。

7.用于分析树(1a)的植物生长分析方法(10)，其包括

-采样步骤，其中测量作用在所述树(1a)上的采样振动，并且确定来自所述树(1a)的振动频率的采样频谱作为所述采样振动的函数；

-监测步骤，其中检测装置(2、3)测量作用在所述树(1a)上的电流振动，并且将所述树(1a)的电流频谱确定为所述电流振动的函数；以及

-评估步骤，其中所述树(1a)的植物生长状态通过将所述电流频谱与所述采样频谱进行比较来确定；和

-其中在所述监测步骤中，多个所述检测装置(2、3)测量作用于不同树(1a)上的电流振动；其中，所述评估步骤执行所述树(1a)的电流频谱与采样频谱之间的比较，以识别所述树(1a)中的至少一个植物生长问题。

8.根据权利要求7所述的植物生长分析方法(10)，其中在所述评估步骤中，所述树(1a)的所述植物生长状态通过将所述采样频谱和所述电流频谱相互比较来确定，以便检测仅在所述电流频谱中具有检测峰的频率。

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