CN116400055A - 海草床碳储量和碳收支能力测定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了海洋碳汇监测领域的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，包括控制终端和若干布置于待监测区域的监测桩；控制终端包括：遥感监测模块、数据处理模块、存储模块和海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及遥感监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力。本方案考虑了不同季节下海草床的生长状况和环境变化对海草床碳储量的影响，结合现场监测能够实现不同季节下海草床碳储量的动态评估，对海草床碳收支能力的评估提供可靠的依据。
Description
技术领域
本发明属于海洋碳汇监测领域，具体是海草床碳储量和碳收支能力测定仪。
背景技术
近十几年来的研究发现，红树林、海草床和盐沼等滨海“蓝碳”生态系统是生物圈中最密集的碳汇区域，其高生产力、强大的悬浮物捕捉能力以及有机碳在海草床沉积物中的低分解率和相对稳定性的优点，使得滨海“蓝碳”生态系统具有很高的沉积物碳埋藏率，固碳能力极高，固碳能力仅略低于盐沼和红树林，高于所有其他类型的海洋生态系统，约为热带雨林的21倍，因此有必要对滨海“蓝碳”生态系统的固碳能力进行量化研究。
公告号为CN108108585B的专利公开了一种能够用于滨海“蓝碳”生态系统碳储量计算的海洋生物固碳计量方法，包括将采集的海洋生物样品按不同物种进行分类，并分解为不同组织器官，将不同组织器官烘干处理，计算不同物种不同组织器官的湿质量比和干质量比，测出样品灰化前碳含量，对样品进行灰化处理后，测出样品灰化后碳含量，计算得出灰化前后湿样含碳率，再根据现存生物量估算出海洋生物现存碳储量、海洋生物捕捞移出碳储量、海洋生物沉积碳储量和海洋生物总碳储量。
该专利对海洋生物的残骸预处理后基于差分法估算碳储量，由于海洋生物的生长状况和环境指标会变化，该方法难以对检测区域的碳收支能力进行动态评估，因此，我们提出了一种海草床碳储量和碳收支能力测定仪。
发明内容
本发明的目的是提供海草床碳储量和碳收支能力测定仪，以解决由于海洋生物的生长状况和环境指标会变化，采用现有技术难以对检测区域的碳收支能力进行动态评估的问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：海草床碳储量和碳收支能力测定仪，包括控制终端和若干均匀布置于待监测区域的监测桩；
控制终端，用于根据监测数据，输入海草床碳储量评估模型计算待监测区域的碳储量，以评估、预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力，包括：
GIS监测模块，基于GPS技术确定海草床的分布面积；
数据处理模块，用于剔除异常监测数据，并基于粒子群算法进行数据优化；
存储模块，用于存储GIS监测模块和监测桩监测的数据；
海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和该区域的环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及GIS监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力；
监测桩，包括支撑板和若干支撑柱，支撑板与支撑柱可拆卸连接，支撑柱上设有用于获取环境指标的检测模组，支撑板顶部设有通讯模块、供电模块和用于修正待监测区域海草床分布面积的摄像模组，支撑板底部沿竖向依次设有第一电机和电控缸，电控缸的输出端可拆卸连接有用于检测沉积物碳储量的取样杆，取样杆侧壁沿竖向对称设有若干测量针和若干取样槽，测量针用于测定海草床沉积物深度，相邻测量针的间距与相邻取样槽的间距相等，取样槽侧壁朝沉积物方向依次设有第二电机和取样框，取样框与取样槽滑动连接，第二电机的输出端固定连接有凸块，凸块的凸出方向垂直于第二电机的输出端，第二电机能够带动凸块推动取样框朝沉积物一侧移动，取样框与取样槽侧壁之间设有回位弹簧，取样框顶部设有开口，取样框远离第二电机一侧设有刮板。
本方案的原理：
将支撑板和支撑柱连接，支撑柱插入沉积物中，以固定监测桩；
采集数据时，不同季节下GIS监测模块基于GPS技术确认海草床的分布区域，确认待监测区域的分布面积，监测桩上的摄像模组绕支撑板转动，采集待监测区域海草床的生长状况，海草床的生长状况不同，其分布面积会随之变化，根据其生长状况修正海草床的分布面积，监测桩上的检测模组采集待监测区域的环境指标；
检测沉积物碳储量时，第一电机带动电控缸和取样杆插入海草床区域的沉积物，此时第二电机未启动，取样框收纳于取样槽中，取样杆插入目标深度后，测量针记录不同沉积物层的深度，启动第二电机，第二电机带动凸块转动，凸块转动时推动取样框朝沉积物方向移动，取样框上的刮板刮取沉积物掉入取样框中，由于凸块和回位弹簧作用下，取样框在取样槽中往复运动，在第一电机的带动下，取样框随取样杆转动，实现对目标层沉积物的间歇性取样，避免单层沉积物取样过多导致沉积物塌陷，取样结束后，取样框复位至取样槽中，在取出取样杆时能够避免不同沉积物层的沉积物交叉混合；
对取样杆采集的沉积物预处理后测定其总碳含量和无机碳含量，基于差分法计算监测区域的碳储量；
数据处理模块根据GIS监测模块和摄像模组采集的数据，基于差分法确认当前季节下海草床的分布面积；剔除异常的环境指标数据，并基于粒子群算法进行数据优化，处理后的分布面积、碳储量和环境指标输入海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和该区域的环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及GIS监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测待监测区域海草床的碳收支能力。
采用上述方案后实现了以下有益效果：
1.本方案通过摄像模组采集不同季节下海草床的生长状况，对海草床的分布面积进行修正，结合环境指标，构建分布面积-环境指标-碳储量的函数关系，通过监测桩和GIS监测模块的监测数据，评估、预测海草床的碳储量及碳收支能力，相较于现有技术，本方案考虑了不同季节下海草床的生长状况和环境变化对海草床碳储量的影响，提高了碳储量评估的准确性，且通过现场监测能够实现不同季节下海草床碳储量的动态评估，对海草床碳收支能力的评估提供可靠的依据；
2.本方案的取样杆在取样时能够实现对目标层沉积物的间歇性取样，避免单层沉积物取样过多导致沉积物塌陷，取样结束后，取样框复位至取样槽中，能够避免不同沉积物层的沉积物交叉混合，提高测定沉积物碳储量的准确性，为后续评估、预测海草床不同季节下碳储量和碳收支能力提供可靠依据。
进一步，检测模组包括pH水质传感器、温度传感器和盐度传感器。
有益效果：通过pH水质传感器、温度传感器和盐度传感器检测海草床的环境指标传递至控制终端进行评估，环境指标包括水温、盐度和pH值。
进一步，取样杆侧壁下部设有若干绞龙叶。
有益效果：取样杆在第一电机和电控缸的作用下钻开沉积物层时，绞龙叶可以对沉积物初步松土，便于后续采样。
进一步，刮板远离取样框的一侧设有若干尖刺。
有益效果：取样框沿取样槽来回滑动时，刮板上的尖刺能够对目标沉积物层进行松土，提高采样效率。
进一步，支撑板上开设有若干螺纹孔，支撑柱侧壁上部设有外螺纹，支撑柱通过螺纹孔与支撑板螺纹连接。
有益效果：支撑柱通过螺纹孔与支撑板螺纹连接，兼顾了稳定性和方便拆卸。
进一步，支撑柱侧壁下部开有若干滑孔，支撑柱内沿竖向依次开有容纳腔室和第二滑槽，容纳腔室贯穿支撑柱顶部，容纳腔室内滑动连接有压杆，压杆底部与第二滑槽内壁底部之间设有第一弹性件，压杆中部铰接有若干支撑杆，支撑杆能够穿过滑孔插入海草床区域的沉积物，支撑杆中部与第二滑槽外侧壁之间铰接有限位杆，支撑杆能够穿过滑孔插入海草床区域的沉积物，盐度传感器与支撑杆的活动端固定连接，pH水质传感器和温度传感器位于支撑柱侧壁下部，压杆顶部设有锁止组件。
有益效果：支撑柱插入海草床区域的沉积物中，按下压杆，支撑杆穿过滑孔插入海草床区域的沉积物中，增加支撑柱与沉积物的接触面积，再通过锁止组件锁紧压杆，提高装置的稳定性，便于盐度传感器、pH水质传感器和温度传感器检测海草床区域的盐度、pH值和水温；拆卸时，解除锁止组件，压杆在第一弹性件的弹力作用下复位，支撑杆收纳至容纳腔室中。
进一步，锁止组件包括沿压杆竖向依次设置的锁止块和第二弹性件，锁止块与压杆侧壁上部铰接，第二弹性件套设在压杆上部，容置腔室侧壁上部依次开有第一锁止槽和第二锁止槽，第二锁止槽连通有释放槽，其中，初始状态时，锁止块卡接于第一锁止槽，锁止状态时，锁止块卡接于第二锁止槽。
有益效果：支撑柱插入海草床区域的沉积物，锁止块克服第二弹性件的弹力卡接于第二锁止槽，从而锁止支撑组件，避免沉积物软化时桩本体偏移影响监测的准确性，在需要拆除监测桩时，取任一能通过释放槽的支撑件挤压锁止块，锁止块脱离第二锁止槽的限位，在第二弹性件的弹力作用下向上移动，带动支撑杆缩回至容置腔室，锁止块移动至第一锁止槽，即可将支撑柱取出，本方案的设置便于安装拆卸监测桩，且加固了监测桩的稳定性，使测量的数据更具准确性。
进一步，摄像模组内设有定位模块，相邻监测桩之间基于TOF测距技术获取监测桩的位置。
有益效果：受地壳运动或海水冲击的影响，监测桩在监测过程中可能会偏移，通过TOF测距技术定位监测桩的位置，实现中远距离的同频监测，能够提高监测数据的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的海草床碳储量和碳收支能力测定仪的正视图。
图2为本发明实施例的海草床碳储量和碳收支能力测定仪的控制终端的模块示意图。
图3为本发明实施例的海草床碳储量和碳收支能力测定仪的取样槽的剖面图。
图4为本发明实施例的海草床碳储量和碳收支能力测定仪的支撑柱的剖面图。
图5为图4中A的放大图。
说明书附图中的附图标记包括：支撑板1、支撑柱2、滑孔21、容纳腔室22、第二滑槽23、压杆24、支撑杆25、限位杆26、取样杆3、取样槽31、取样框32、第二电机33、凸块34、回位弹簧35、尖刺36、电控缸4、第一电机5、通讯模块6、摄像模组7、供电模块8、锁止块9、第二弹性件10、第一锁止槽11、第二锁止槽12、释放槽13、控制终端14。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例基本如附图1-图3所示：海草床碳储量和碳收支能力测定仪，包括控制终端14和若干均匀布置于待监测区域的监测桩；
控制终端14，用于根据监测数据，输入海草床碳储量评估模型计算待监测区域的碳储量，以评估、预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力，包括：
GIS监测模块，基于GPS技术确定海草床的分布面积；
数据处理模块，用于剔除异常监测数据，并基于粒子群算法进行数据优化；
存储模块，用于存储GIS监测模块和监测桩监测的数据；
海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和该区域的环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及GIS监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力；
监测桩，包括支撑板1和若干支撑柱2，支撑板1与支撑柱2可拆卸连接，支撑柱2上设有用于获取环境指标的检测模组，支撑板1顶部设有通讯模块6、供电模块8和用于修正待监测区域海草床分布面积的摄像模组7，支撑板1底部沿竖向依次设有第一电机5和电控缸4，电控缸4的输出端可拆卸连接有用于检测沉积物碳储量的取样杆3，取样杆3侧壁沿竖向对称设有若干测量针和若干取样槽31，测量针用于测定海草床沉积物深度，相邻测量针的间距与相邻取样槽31的间距相等，取样槽31侧壁朝沉积物方向依次设有第二电机33和取样框32，取样框32与取样槽31滑动连接，第二电机33的输出端固定连接有凸块34，凸块34的凸出方向垂直于第二电机33的输出端，第二电机33能够带动凸块34推动取样框32朝沉积物一侧移动，取样框32与取样槽31侧壁之间设有回位弹簧35，取样框32顶部设有开口，取样框32远离第二电机33一侧设有刮板。
具体实施过程如下：
将支撑板1和支撑柱2连接，支撑柱2插入沉积物中，以固定监测桩；
采集数据时，不同季节下GIS监测模块基于GPS技术确认海草床的分布区域，确认待监测区域的分布面积，监测桩上的摄像模组7绕支撑板1转动，采集待监测区域海草床的生长状况，海草床的生长状况不同，其分布面积会随之变化，根据其生长状况修正海草床的分布面积，监测桩上的检测模组采集待监测区域的环境指标；
检测沉积物碳储量时，第一电机5带动电控缸4和取样杆3插入海草床区域的沉积物，此时第二电机33未启动，取样框32收纳于取样槽31中，取样杆3插入目标深度后，测量针记录不同沉积物层的深度，启动第二电机33，第二电机33带动凸块34转动，凸块34转动时推动取样框32朝沉积物方向移动，取样框32上的刮板刮取沉积物掉入取样框32中，由于凸块34和回位弹簧35作用下，取样框32在取样槽31中往复运动，在第一电机5的带动下，取样框32随取样杆3转动，实现对目标层沉积物的间歇性取样，避免单层沉积物取样过多导致沉积物塌陷，取样结束后，取样框32复位至取样槽31中，在取出取样杆3时能够避免不同沉积物层的沉积物交叉混合；
对取样杆3采集的沉积物预处理后测定其总碳含量和无机碳含量，基于差分法计算监测区域的碳储量；
数据处理模块根据GIS监测模块和摄像模组7采集的数据，基于差分法确认当前季节下海草床的分布面积；剔除异常的环境指标数据，并基于粒子群算法进行数据优化，处理后的分布面积、碳储量和环境指标输入海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和该区域的环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及GIS监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测待监测区域海草床的碳收支能力。
实施例2：
与上述实施例的不同之处在于，检测模组包括pH水质传感器、温度传感器和盐度传感器。
具体实施过程如下：
通过pH水质传感器、温度传感器和盐度传感器检测海草床的环境指标传递至控制终端进行评估，环境指标包括水温、盐度和pH值。
实施例3：
与上述实施例的不同之处在于，取样杆3侧壁下部设有若干绞龙叶。
具体实施过程如下：
取样杆3在第一电机5和电控缸4的作用下钻开沉积物层时，绞龙叶可以对沉积物初步松土，便于后续采样。
实施例4：
与上述实施例的不同之处在于，如附图3所示，刮板远离取样框32的一侧设有若干尖刺36。
具体实施过程如下：
取样框32沿取样槽31来回滑动时，刮板上的尖刺36能够对目标沉积物层进行松土，提高采样效率。
实施例5：
与上述实施例的不同之处在于，支撑板1上开设有若干螺纹孔，支撑柱2侧壁上部设有外螺纹，支撑柱2通过螺纹孔与支撑板1螺纹连接。
具体实施过程如下：
支撑柱2通过螺纹孔与支撑板1螺纹连接，兼顾了稳定性和方便拆卸。
实施例6：
与上述实施例的不同之处在于，如附图4所示，支撑柱2侧壁下部开有若干滑孔21，支撑柱2内沿竖向依次开有容纳腔室22和第二滑槽23，容纳腔室22贯穿支撑柱2顶部，容纳腔室22内滑动连接有压杆24，压杆24底部与第二滑槽23内壁底部之间设有第一弹性件，压杆24中部铰接有若干支撑杆25，支撑杆25能够穿过滑孔21插入海草床区域的沉积物，支撑杆25中部与第二滑槽23外侧壁之间铰接有限位杆26，盐度传感器与支撑杆25的活动端固定连接，pH水质传感器和温度传感器位于支撑柱2侧壁下部，压杆24顶部设有锁止组件。
具体实施过程如下：
支撑柱2插入海草床区域的沉积物中，按下压杆24，支撑杆25穿过滑孔21插入海草床区域的沉积物中，增加支撑柱2与沉积物的接触面积，再通过锁止组件锁紧压杆24，提高装置的稳定性，便于盐度传感器、pH水质传感器和温度传感器检测海草床区域的盐度、pH值和水温；拆卸时，解除锁止组件，压杆24在第一弹性件的弹力作用下复位，支撑杆25收纳至容纳腔室22中。
实施例7：
与上述实施例的不同之处在于，如附图5所示，锁止组件包括沿压杆24竖向依次设置的锁止块9和第二弹性件10，锁止块9与压杆24侧壁上部铰接，第二弹性件10套设在压杆24上部，容置腔室侧壁上部依次开有第一锁止槽11和第二锁止槽12，第二锁止槽12连通有释放槽13，其中，初始状态时，锁止块9卡接于第一锁止槽11，锁止状态时，锁止块9卡接于第二锁止槽12。
具体实施过程如下：
支撑柱2插入海草床区域的沉积物，锁止块9克服第二弹性件10的弹力卡接于第二锁止槽12，从而锁止支撑组件，避免沉积物软化时桩本体偏移影响监测的准确性，在需要拆除监测桩时，取任一能通过释放槽13的支撑件挤压锁止块9，锁止块9脱离第二锁止槽12的限位，在第二弹性件10的弹力作用下向上移动，带动支撑杆25缩回至容置腔室，锁止块9移动至第一锁止槽11，即可将支撑柱2取出，本方案的设置便于安装拆卸监测桩，且加固了监测桩的稳定性，使测量的数据更具准确性。
实施例8：
与上述实施例的不同之处在于，摄像模组7内设有定位模块，相邻监测桩之间基于TOF测距技术获取监测桩的位置。
具体实施过程如下：
受地壳运动或海水冲击的影响，监测桩在监测过程中可能会偏移，通过TOF测距技术定位监测桩的位置，实现中远距离的同频监测，能够提高监测数据的准确性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：包括控制终端和若干均匀布置于待监测区域的监测桩；
控制终端，用于根据监测数据，输入海草床碳储量评估模型计算待监测区域的碳储量，以评估、预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力，包括：
GIS监测模块，基于GPS技术确定海草床的分布面积；
数据处理模块，用于剔除异常监测数据，并基于粒子群算法进行数据优化；
存储模块，用于存储GIS监测模块和监测桩监测的数据；
海草床碳收支能力评估模块，以待检测区域海草床的分布面积和该区域的环境指标为自变量，该区域的碳储量为因变量，进行曲线拟合，得到海草床碳储量评估模型，输入监测桩及GIS监测模块采集的数据，计算待检测区域海草床的碳储量，基于碳储量的数值，评估和预测不同季节下待监测区域海草床的碳收支能力；
监测桩，包括支撑板和若干支撑柱，支撑板与支撑柱可拆卸连接，支撑柱上设有用于获取环境指标的检测模组，支撑板顶部设有通讯模块、供电模块和用于修正待监测区域海草床分布面积的摄像模组，支撑板底部沿竖向依次设有第一电机和电控缸，电控缸的输出端可拆卸连接有用于检测沉积物碳储量的取样杆，取样杆侧壁沿竖向对称设有若干测量针和若干取样槽，测量针用于测定海草床沉积物深度，相邻测量针的间距与相邻取样槽的间距相等，取样槽侧壁朝沉积物方向依次设有第二电机和取样框，取样框与取样槽滑动连接，第二电机的输出端固定连接有凸块，凸块的凸出方向垂直于第二电机的输出端，第二电机能够带动凸块推动取样框朝沉积物一侧移动，取样框与取样槽侧壁之间设有回位弹簧，取样框顶部设有开口，取样框远离第二电机一侧设有刮板。
2.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：检测模组包括pH水质传感器、温度传感器和盐度传感器。
3.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：取样杆侧壁下部设有若干绞龙叶。
4.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：刮板远离取样框的一侧设有若干尖刺。
5.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：支撑板上开设有若干螺纹孔，支撑柱侧壁上部设有外螺纹，支撑柱通过螺纹孔与支撑板螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：支撑柱侧壁下部开有若干滑孔，支撑柱内沿竖向依次开有容纳腔室和第二滑槽，容纳腔室贯穿支撑柱顶部，容纳腔室内滑动连接有压杆，压杆底部与第二滑槽内壁底部之间设有第一弹性件，压杆中部铰接有若干支撑杆，支撑杆中部与第二滑槽外侧壁之间铰接有限位杆，盐度传感器与支撑杆的活动端固定连接，支撑杆能够穿过滑孔插入海草床区域的沉积物，压杆顶部设有锁止组件。
7.根据权利要求6所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：锁止组件包括沿压杆竖向依次设置的锁止块和第二弹性件，锁止块与压杆侧壁上部铰接，第二弹性件套设在压杆上部，容置腔室侧壁上部依次开有第一锁止槽和第二锁止槽，第二锁止槽连通有释放槽，其中，初始状态时，锁止块卡接于第一锁止槽，锁止状态时，锁止块卡接于第二锁止槽。
8.根据权利要求1所述的海草床碳储量和碳收支能力测定仪，其特征在于：摄像模组内设有定位模块，相邻监测桩之间基于TOF测距技术获取监测桩的位置。
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