CN115529998B - 干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其包括在胡杨母株未萌芽时，获取待修复胡杨林的林地影像，基于林地影像获取待修复胡杨林的待修复区域；在待修复区域距离母株预设距离处挖断根沟；采集灌溉区的地下水埋深，判断地下水埋深是否低于2～4m，若是，对胡杨林进行汊渗轮灌后进入下一步，否则直接进入下一步；在断根沟的两侧铺设有机土壤，并在有机土壤表面放置滴灌带，内部布置湿度传感器；在胡杨断根未萌蘖前，通过滴灌带保持有机土壤的土壤含水率，直至断根萌蘖平均株高达到预设值，回收滴灌带；每隔预设天数采集灌溉区的地下水埋深，当地下水埋深低于2m时，对胡杨林进行汊渗轮灌，直至萌蘖株高大于30cm。
Description
技术领域
本发明涉及生态修复技术，具体涉及一种干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法。
背景技术
胡杨根蘖繁殖能力较强，在适宜环境条件下，会在四周丛生大量根蘖苗。研究表明，实施引洪灌溉、开沟断根可以促进根蘖萌发，为胡杨种群更新创造条件。胡杨繁殖根的近端根(连接母株与根蘖苗)与远端根(远离母株)在形态分布上有较大差异，胡杨根蘖苗在生长初期由于结构简单，没有能力摄取维持自身生长所需的养分，因此需要通过近端根摄取养分，同时需要扩大远端根的分布以获取更多资源。
目前，有关胡杨克隆繁殖的研究成为国内外胡杨保护的研究热点，开沟断根是一种在胡杨母树周围开挖环形沟或平行沟并斩断根系的促进更新技术，且在胡杨林何处开挖断根沟的调查以及断根沟的开挖都是采用人工实现，使得开沟效率低，且这种方式使得工人的劳动强度比较大；
另外，断根沟开设完成后，需要每隔一段时间进行汊渗轮灌一次，而胡杨林多生长在干旱区域，水分蒸发快，使得近地面段的难以保证有充足的水分供断根处萌蘖，使得断根萌芽率低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法解决了现有因断根萌蘖处水分供应不足，致使胡杨修复萌芽率低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其包括步骤：
S1、在胡杨母株未萌芽时，采用无人机获取待修复胡杨林的林地影像，并采用Pix4dMapper影像测量软件对林地影像进行影像对齐操作；
S2、生成对齐操作后图像的点云数据，并分类得到地表和植被点云；之后插值生成DSM和DEM，并计算得到植被高度CHM＝DSM–DEM；
S3、标记插值图像上植被高度大于预设高度的区域，并判断标记区域边缘与地表区域的最大距离是否大于设定距离；若是进入步骤S4，否则不修复；
S4、在向阳一侧地段，距离母株预设距离处开挖断根沟，对距离表层土壤30cm～50cm处根径为0.4～0.7cm水平根进行切断，并在断根处喷洒杀菌剂；
S5、采集灌溉区的地下水埋深，判断地下水埋深是否低于2～4m，若是，对胡杨林进行汊渗轮灌，之后进入步骤S6，否则直接进入步骤S6；
S6、在断根沟的两侧铺设预设厚度且湿润的有机土壤，并在有机土壤表面放置滴灌带，内部布置若干湿度传感器；
S7、当胡杨断根未萌蘖前，通过滴灌带保持有机土壤的土壤含水率在10％～20％，直至断根萌蘖平均株高达到预设值，回收滴灌带；
S8、每隔预设天数采集灌溉区的地下水埋深，当地下水埋深低于2m时，对胡杨林进行汊渗轮灌；
S9、判断萌蘖株高是否大于30cm，若是，则修复完成，否则返回步骤S8。
本发明的有益效果为：本方案通过无人机获取胡杨林的图像信息，通过图像信息的分析，可以确定出胡杨林的长势情况，并选择长势相对比较好、且其外围无植被的区域进行断根萌蘖，一定程度上可以提高萌蘖率，同时还可以达到对无植被区域进行修复。
本方案基于采集图像确定断根沟位置，以取代传统人工调查确定断根沟位置的方式，从而提高了断根沟开挖效率，同时还可以大幅降低工人的劳动强度。
本方案在断根后两侧铺设一定厚度的有机土壤，并通过滴灌带保持土壤具备一定的湿度，从而保证断根在萌蘖时具有充足的水分和营养成分，从而大幅度提高断根萌蘖率。
进一步地，所述开挖断根沟的方法包括：
A1、控制开沟机运动至距离胡杨林向阳一侧预设距离，启动开沟机开沟，并在开沟时，实时采集开沟机距离胡杨林向阳一侧的相对距离；
A2、调整开沟机的运动轨迹，当相对距离与预设距离之间的差异未在预设范围内时，记录开沟机的运动轨迹；
A3、判断运动轨迹的弧度是否为直线轨迹，若是，继续执行开沟，否则，在断根沟的长度等于20m时，调整开沟机的前进方向，并返回步骤A1。
上述技术方案的有益效果为：本方案采用开沟机进行断根沟的开挖，可以提高断根沟的开设效率，同时在开沟时结合采集的图像，可以对断根沟相对胡杨林边缘的距离进行确定，以此对开沟机的开挖方向进行调整，从而保证断根沟与胡杨林边缘在可控范围内。
进一步地，干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法还包括：
B1、开启开沟机两侧放置的喷气管，并按预设气压喷出气流对断根沟两侧距离表层土壤30cm～50cm区域的泥土进行冲刷；
B2、采集断根沟两侧距离表层土壤30cm～50cm区域的图像；
B3、判断图像中胡杨根裸露程度是否达到预设裸露度，若是，冲洗下一区域；否则令预设气压＝预设气压+预设阈值，并进入步骤B4；
B4、对不满足裸露程度的区域继续冲刷，之后返回步骤B2。
上述技术方案的有益效果为：本方案通过喷高压气体的方式，可以使断根沟两侧表面的根尽可能的裸露出来，以方便采集的图像中能够清楚的分辨出根，以实现对根径的计算。
进一步地，对水平根进行切断的方法包括：
C1、冲洗完成后，启动断根机移动至断根沟内，并使断根沟两侧面距离断根机的距离相等；
C2、采用断根机上的摄像机采集距离表层土壤30cm～50cm区域内的图像信息，并标记图像信息中根径为0.4～0.7cm的水平根；
C3、根据标记的水平根分布位置，生成断根刀运动的断根轨迹，并计算移动机构在断根轨迹上相邻断根点间移动时，在水平方向和竖直方向移动的距离；
C4、启动断根机的移动机构，带着断根刀对断根轨迹上的水平根执行剪切操作；
C5、当断根沟两侧断根轨迹上的断根点均已执行断根操作，控制断根机向前移动预设距离，并返回执行步骤C2。
上述技术方案的有益效果为：本方案通过采集的图像，可以对直径0.4～0.7cm的水平根进行标记，基于标记生成便于断根刀移动最短距离就可以对满足条件的水平根的剪切操作的轨迹，以此取代人工凭经验确定树根直径，再进行剪切操作，从而大幅提高了断根效率。
进一步地，标记图像信息中根径为0.4～0.7cm的水平根的方法包括：
对摄像机采集的图像信息依次进行灰度转换、滤波处理和图像增强处理；
对增强处理后的图像进行二值化处理，采用Two-Pass算法对二值化处理图像进行连通域标记；
根据每个连通域中的像素点，计算每个连通域的最大宽度；
判断每个连通域的最大宽度是否位于0.4～0.7cm之间，若是，则标记其为待剪切根，否则不标记。
上述技术方案的有益效果为：本方案通过对采集的断根沟侧面的图像进行处理，并结合标记的连通域，可以实现图像中所有根的提取，再结合连通域中像素点，可以快速得到每条根的最大直径，以此降低断根时过分依赖人工经验，从而大幅度提到了断根效率。
进一步地，所述汊渗轮灌的控制调节为每10m断根沟的灌溉水量为7m3，灌溉时长为3天；断根沟距离母株5.5～7.0m，沟深70～90cm，宽30～50cm。
上述技术方案的有益效果为：本方案确定的断根沟尺寸和灌溉时长，可以保证土壤具有良好的通气效果，以降低根萌蘖苗自然生长的阻力，从而提高根萌蘖苗的正常生长。
附图说明
图1为干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法；如图1所示，该方法S包括步骤S1～S9。
在步骤S1中，在胡杨母株未萌芽时，采用无人机获取待修复胡杨林的林地影像，并采用Pix4dMapper影像测量软件对林地影像进行影像对齐操作；
在步骤S2中，生成对齐操作后图像的点云数据，并分类得到地表和植被点云；之后插值生成DSM和DEM，并计算得到植被高度CHM＝DSM–DEM；
在步骤S3中，标记插值图像上植被高度大于预设高度的区域，并判断标记区域边缘与地表区域的最大距离是否大于设定距离；若是进入步骤S4，否则不修复；
在步骤S4中，在向阳一侧地段，距离母株预设距离处开挖断根沟，对距离表层土壤30cm～50cm处根径为0.4～0.7cm水平根进行切断，并在断根处喷洒杀菌剂，杀菌剂一定程度上可以防止断根的端面被土壤中细菌感染，致使断根出现腐烂的情况。
在本发明的一个实施例中，开挖断根沟的方法包括：
A1、控制开沟机运动至距离胡杨林向阳一侧预设距离，启动开沟机开沟，并在开沟时，实时采集开沟机距离胡杨林向阳一侧的相对距离；
A2、调整开沟机的运动轨迹，当相对距离与预设距离之间的差异未在预设范围内时，记录开沟机的运动轨迹；
A3、判断运动轨迹的弧度是否为直线轨迹，若是，继续执行开沟，否则，在断根沟的长度等于20m时，调整开沟机的前进方向，并返回步骤A1。
本方案提到的开沟机，可以对现有开沟机进行改进，具体可以在现有开沟机上设置控制模块，同时在其一侧安装上摄像机，控制模块内设置有图像处理软件，以对摄像机采集的图像进行分析，得到开沟机到胡杨林边缘的距离。
在本发明的一个实施例中，干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法还包括：
B1、开启开沟机两侧放置的喷气管，并按预设气压喷出气流对断根沟两侧距离表层土壤30cm～50cm区域的泥土进行冲刷；
B2、采集断根沟两侧距离表层土壤30cm～50cm区域的图像；
B3、判断图像中胡杨根裸露程度是否达到预设裸露度，若是，冲洗下一区域；否则令预设气压＝预设气压+预设阈值，并进入步骤B4；
B4、对不满足裸露程度的区域继续冲刷，之后返回步骤B2。
本方案在开沟机上设置有空气压缩机，并在开沟机下端两侧设置有摄像头，摄像头的镜头方向和喷气管的出气方向朝向距离表层土壤30cm～50cm区域；空气压缩机和摄像头均与控制模块连接，以保证对胡杨根裸露程度进行确定，并控制空气压缩机调整喷出气压。
其中胡杨根裸露程度的确定方法包括：对采集的图像进行灰度转换、滤波处理和图像增强处理；对增强处理后的图像进行二值化处理，采用Two-Pass算法对二值化处理图像进行连通域标记；根据连通域中像素点，确定每个连通域的面积，得到整张图像中所有连通域的面积加总，并判断面积加总在整个图像面积的占比，若是大于预设值，则表明达到预设裸露度。
本方案通过上述方式得到图像中根面积的占比，以此确定断根沟侧面根的裸露程度，以保证满足条件的根充分裸露出来，以便于后续进行断根操作，达到提高断根萌蘖率。
进实施时，本方案优选对水平根进行切断的方法包括：
C1、冲洗完成后，启动断根机移动至断根沟内，并使断根沟两侧面距离断根机的距离相等；
C2、采用断根机上的摄像机采集距离表层土壤30cm～50cm区域内的图像信息，并标记图像信息中根径为0.4～0.7cm的水平根；
C3、根据标记的水平根分布位置，生成断根刀运动的断根轨迹，并计算移动机构在断根轨迹上相邻断根点间移动时，在水平方向和竖直方向移动的距离；
C4、启动断根机的移动机构，带着断根刀对断根轨迹上的水平根执行剪切操作；
C5、当断根沟两侧断根轨迹上的断根点均已执行断根操作，控制断根机向前移动预设距离，并返回执行步骤C2。
本方案的断根机可以选取宽度略小于断根沟的小车，在小车的两侧设置XY平台移动机构，XY平台移动机构上设置有通过电机驱动的切割轮，XY平台移动机能够带着切割轮在竖直面的XY轴上移动，以实现对根的切断操作。
断根机上也设置有控制模块和摄像机，其分别与小车的行走轮驱动机构、电机、XY平台移动机构和摄像机连接，控制模块内还设置有图像处理软件，以对摄像机采集的图像进行水平根提取和实现路径规划，路径规划时，可以基于XY平台移动机构运动距离最短原则进行设置。
本方案通过采集的图像，可以对直径0.4～0.7cm的水平根进行标记，基于标记生成便于断根刀移动最短距离的轨迹，基于估计可以实现满足条件的水平根的剪切操作，以此取代人工凭经验确定树根直径，再进行剪切操作，从而大幅提高了断根效率。
在步骤S5中，采集灌溉区的地下水埋深，判断地下水埋深是否低于2～4m，若是，对胡杨林进行汊渗轮灌，之后进入步骤S6，否则直接进入步骤S6。
实施时，本方案优选汊渗轮灌的控制调节为每10m断根沟的灌溉水量为7m3，灌溉时长为3天；本方案采用该种方式进行灌溉，可以避免大量灌溉水渗入地下形成地下水，从而保证表层土壤储存充分的水分，便于后续根萌蘖。
在步骤S6中，在断根沟的两侧铺设预设厚度且湿润的有机土壤，并在有机土壤表面放置滴灌带，内部布置若干湿度传感器；
在步骤S7中，当胡杨断根未萌蘖前，通过滴灌带保持有机土壤的土壤含水率在10％～20％，直至断根萌蘖平均株高达到预设值，回收滴灌带；
在步骤S8中，每隔预设天数采集灌溉区的地下水埋深，当地下水埋深低于2m时，对胡杨林进行汊渗轮灌；
在步骤S9中，判断萌蘖株高是否大于30cm，若是，则修复完成，否则返回步骤S8。
在本发明的一个实施例中，标记图像信息中根径为0.4～0.7cm的水平根的方法包括：
对摄像机采集的图像信息依次进行灰度转换、滤波处理和图像增强处理；
对增强处理后的图像进行二值化处理，采用Two-Pass算法对二值化处理图像进行连通域标记；
根据每个连通域中的像素点，计算每个连通域的最大宽度；
判断每个连通域的最大宽度是否位于0.4～0.7cm之间，若是，则标记其为待剪切根，否则不标记。
本方案通过对采集的断根沟侧面的图像进行处理，并结合连通域标记，可以实现图像中所有根的提取，再结合连通域中像素点，可以快速得到每条根的最大直径，以此降低断根时过分依赖人工经验，从而大幅度提到了断根效率。
实施时，本方案优选断根沟距离母株5.5～7.0m，沟深70～90cm，宽30～50cm；本方案确定的断根沟尺寸和灌溉时长，可以保证土壤具有良好的通气效果，以降低根萌蘖苗自然生长的阻力，从而提高根萌蘖苗的正常生长。
综上所述，本方案基于采集图像确定断根沟位置，以取代人工调查，从而提高了断根沟开挖效率，同时还可以大幅降低工人的劳动强度。机土壤结合滴灌带可以保持土壤具备一定的湿度，以提高断根萌蘖率。
Claims (7)
1.干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在胡杨母株未萌芽时，采用无人机获取待修复胡杨林的林地影像，并采用Pix4dMapper影像测量软件对林地影像进行影像对齐操作；
S2、生成对齐操作后图像的点云数据，并分类得到地表和植被点云；之后插值生成DSM和DEM，并计算得到植被高度CHM = DSM–DEM；
S3、标记插值图像上植被高度大于预设高度的区域，并判断标记区域边缘与地表区域的最大距离是否大于设定距离；若是进入步骤S4，否则不修复；
S4、在向阳一侧地段，距离母株预设距离处开挖断根沟，对距离表层土壤30 cm~50cm处根径为0.4~0.7cm水平根进行切断，并在断根处喷洒杀菌剂；
S5、采集灌溉区的地下水埋深，判断地下水埋深是否低于2m，若是，对胡杨林进行汊渗轮灌，之后进入步骤S6，否则直接进入步骤S6；
S6、在断根沟的两侧铺设预设厚度且湿润的有机土壤，并在有机土壤表面放置滴灌带，内部布置若干湿度传感器；
S7、当胡杨断根未萌蘖前，通过滴灌带保持有机土壤的土壤含水率在10%~20%，直至断根萌蘖平均株高达到预设值，回收滴灌带；
S8、每隔预设天数采集灌溉区的地下水埋深，当地下水埋深低于2m时，对胡杨林进行汊渗轮灌；
S9、判断萌蘖株高是否大于30cm，若是，则修复完成，否则返回步骤S8。
2.根据权利要求1所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，所述开挖断根沟的方法包括：
A1、控制开沟机运动至距离胡杨林向阳一侧预设距离，启动开沟机开沟，并在开沟时，实时采集开沟机距离胡杨林向阳一侧的相对距离；
A2、调整开沟机的运动轨迹，当相对距离与预设距离之间的差异未在预设范围内时，记录开沟机的运动轨迹；
A3、判断运动轨迹的弧度是否为直线轨迹，若是，继续执行开沟，否则，在断根沟的长度等于20m时，调整开沟机的前进方向，并返回步骤A1。
3.根据权利要求2所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，还包括：
B1、开启开沟机两侧放置的喷气管，并按预设气压喷出气流对断根沟两侧距离表层土壤30 cm~50cm区域的泥土进行冲刷；
B2、采集断根沟两侧距离表层土壤30 cm~50cm区域的图像；
B3、判断图像中胡杨根裸露程度是否达到预设裸露度，若是，冲刷下一区域；否则令预设气压=预设气压+预设阈值，并进入步骤B4；
B4、对不满足裸露程度的区域继续冲刷，之后返回步骤B2。
4.根据权利要求3所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，对水平根进行切断的方法包括：
C1、 冲刷完成后，启动断根机移动至断根沟内，并使断根沟两侧面距离断根机的距离相等；
C2、采用断根机上的摄像机采集距离表层土壤30 cm~50cm区域内的图像信息，并标记图像信息中根径为0.4~0.7cm的水平根；
C3、根据标记的水平根分布位置，生成断根刀运动的断根轨迹，并计算移动机构在断根轨迹上相邻断根点间移动时，在水平方向和竖直方向移动的距离；
C4、启动断根机的移动机构，带着断根刀对断根轨迹上的水平根执行剪切操作；
C5、当断根沟两侧断根轨迹上的断根点均已执行断根操作，控制断根机向前移动预设距离，并返回执行步骤C2。
5.根据权利要求4所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，标记图像信息中根径为0.4~0.7cm的水平根的方法包括：
对摄像机采集的图像信息依次进行灰度转换、滤波处理和图像增强处理；
对增强处理后的图像进行二值化处理，采用Two-Pass算法对二值化处理图像进行连通域标记；
根据每个连通域中的像素点，计算每个连通域的最大宽度；
判断每个连通域的最大宽度是否位于0.4~0.7cm之间，若是，则标记其为待剪切根，否则不标记。
6.根据权利要求1所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，所述汊渗轮灌的控制调节为每10 m断根沟的灌溉水量为7 m3，灌溉时长为3天。
7.根据权利要求1-6任一所述的干旱区胡杨断根萌蘖的轮灌修复方法，其特征在于，所述断根沟距离母株5.5~7 .0m，沟深70~90 cm，宽30~50 cm。
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