CN116817865A - 一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，包括底座和两个并列布置的支架，支架的垂直长度可调节，两个支架的顶部之间设有导轨，且导轨可沿水平方向活动的，底座布置在导轨上，且布置位置可沿导轨长度方向调节，底座的顶部和底部分别设有垂直向上和竖直向下的摄像头；还包括测量控制系统，测量控制系统包括设于底座上的调节电机、沿导轨长度方向设置的齿条和用于控制调节电机运行状态以及对摄像头所采集图像数据进行处理的处理器，调节电机的输出轴通过传动齿与齿条啮合，本发明相较于手持仪器观测的方法，在使用过程中不受地形、坡度等环境因素的影响，可实现每次观测位置一致，满足长期研究的需要。
Description
技术领域
本发明涉及生态学研究技术领域，尤其涉及一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置。
背景技术
森林生态学研究过程中，森林郁闭度及叶面积指数是评价森林质量、研究森林碳水交换等生态过程一个重要参数和指标。同时森林由于林冠的异质性较大，因此需要测量多个点位的数据，才能更准确地评估森林的郁闭度。同时，林下植被是森林生态系统非常重要的组成部分，由于观测和研究中难以量化测定，在很多研究经常被忽略。与此同时，林下植被分布及林下植物的生长也跟其生长的局地条件密切相关，尤其是其上方的光照条件（郁闭度）影响。因而，同步观测林下植被覆盖度及其上方的林冠郁闭度，将为研究二者的相互关系提供及其重要的准确数据。
目前森林冠层郁闭度的观测主要采用目视法、手持仪器观测法和定位仪器观测法等技术和方法。目视法由调查者沿样线或样点通过观测头顶天空被树木覆盖的程度（百分比）进行估算，观测结果不仅受地形、坡度等影响，尤其是受观测人员的主观印象较大，存在较大主观性，导致数据的准确性和一致性等均存在较大不确定性，不同观测结果难以进行横向比较。另外，林冠郁闭度也可以使用专门的仪器设备在样地内沿样线或样点进行人工测量，但是这种方法也存在操作繁琐、工作量大等问题。此外，林冠郁闭度还可以通过定点人工照相或自动连续照相，取回数据再通过相关软件获取郁闭度数据，这种方法也存在一些缺点，在观测取样时，人工照相每次观测位置难以保持一致，而自动照相法每次只能观测单点位置，难以准确获取整个样地的情况，因而这几种方法也难以满足长期研究的需要，而且这些方法均无法满足研究林下灌草盖度与其上方林冠郁闭度相互关系的同步精确观测的需要。
为了克服目前在研究森林林冠郁闭度观测和研究过程中难以重复定点自动测量以及林下灌草盖度观测与郁闭度观测缺乏定点匹配等问题，亟需开发一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，既可实现林冠层郁闭度和灌草盖度的同步多点自动观测，还可以自动选择散射光条件下定时观测，消除直射光对观测结果的不利影响，为研究森林冠层结构与功能动态、林下灌草结构和功能动态及其与林冠等环境关系提供更科学的观测手段和技术方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，包括底座和两个并列布置的支架，支架的垂直长度可调节，两个支架的顶部之间设有导轨，且导轨可沿水平方向活动的，底座布置在导轨上，且布置位置可沿导轨长度方向调节，底座的顶部和底部分别设有垂直向上和竖直向下的摄像头；
还包括测量控制系统，测量控制系统包括设于底座上的调节电机、沿导轨长度方向设置的齿条和用于控制调节电机运行状态以及对摄像头所采集图像数据进行处理的处理器，调节电机的输出轴通过传动齿与齿条啮合，本发明通过设置的底座、支架和导轨使得摄像头的空间位置可以改变，进而代替传动手持仪器观测，相较于手持仪器观测的方法，在使用过程中不受地形、坡度、太阳直射等环境因素的影响，具体的，摄像头采用的是IR-CUT高清鱼眼摄像头，R-Cut高清鱼眼摄像头带IR-Cut滤光片，可分别采集黑白图像和RGB彩色图像。
优选的，摄像头通过三轴稳定器安装在底座上，使得摄像头可自动保持水平。
优选的，导轨由多段相互配合的小导轨连接组成，可根据需要进行数量增加以延长摄像头观测范围。
优选的，导轨延长度方向且在避开齿条以及底座移动轨迹的部位间隔的布置有多个磁体，底座上设有用于感应磁体的传感器，传感器连接处理器，传感器通过感应磁体向处理器输出触发信号即可对摄像头进行定位和拍照。
优选的，导轨上具有燕尾滑轨，燕尾滑轨上设有滑块，底座可拆卸的安装在滑块上，实现底座可在导轨上活动的目的。
优选的，支架包括用于安装导轨的装配杆，装配杆的两端通过合页可翻转的连接有可升降的支撑杆，支撑杆远离装配杆的一端设有底板，底板具有用于将槽钉安装进土壤中的装配孔，使得支架固定的更加稳固。
考虑到摄像头的运行环境在室外，为了减少或避免降水、枯枝落叶等污染摄像头，导轨的一端设有防水罩，且底座在导轨上可移动到防水罩内，当底座移动到防水罩内后，摄像头与防水罩之间具有间隙，具体的，防水罩为U形罩，开口朝下，U形罩的一端具有连接在导轨上的安装板，另一端供底座通过。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过设置的底座、支架和导轨使得摄像头的空间位置可以改变，进而代替传动手持仪器观测，相较于手持仪器观测的方法，在使用过程中不受地形、坡度、太阳直射等环境因素的影响。
2、本发明所公开的多点同步测量装置在观测取样时，可实现每次观测位置一致，可满足长期研究的需要。
3、本发明的多点同步测量装置可以实现林下植被覆盖度和其上方的森林郁闭度完全匹配，可以满足相关研究的精细化、精确化的需要。
4、本发明的多点同步测量装置可以根据太阳日出和日落时间及日照情况，选择最佳的观测时间，避免受太阳直射对观测结果的影响，确保观测数据的准确。
5、本发明的多点同步测量装置所使用的垂直向上和竖直向下的摄像头通过三轴稳定器自动保持水平，确保观测角度的正确性。
6、本发明的多点同步测量装置不仅可以观测森林的郁闭度、覆盖度等参数，还可以获取森林林冠的叶面积指数和林下光照强度等生态环境数据。
7、本发明的多点同步测量装置还可以安装其他同类设备，进行比较和验证，属于开放性设计。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视结构图；
图3是本发明的防水罩的装配示意图；
图4是本发明的防水罩的结构图；
图5是本发明的电路信号框图。
附图标识：1、底座，2、支架，201、装配杆，202、支撑杆，203、底板，3、导轨，4、摄像头，5、调节电机，6、处理器，7、磁体，8、传感器，9、防水罩，91、安装板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-2和图5所示的一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，包括底座1和两个并列布置的支架2，支架2的垂直长度可调节，两个支架2的顶部之间设有导轨3，且导轨3可沿水平方向活动的，底座1布置在导轨3上，且布置位置可沿导轨3长度方向调节，底座1的顶部和底部分别设有垂直向上和竖直向下的摄像头4，通过设置的底座1、支架2和导轨3使得摄像头4的空间位置可以改变，进而代替传动手持仪器观测，相较于手持仪器观测的方法，在使用过程中不受地形、坡度、太阳直射等环境因素的影响；
还包括测量控制系统，测量控制系统包括设于底座1上的调节电机5、沿导轨3长度方向设置的齿条和用于控制调节电机5运行状态以及对摄像头4所采集图像数据进行处理的处理器6，调节电机5的输出轴通过传动齿与齿条啮合，具体实施过程中，根据观测点树木覆盖情况确定支架2的竖直高度，调整导轨3在Z轴上的位置使得摄像头4在X轴上处于最佳观测位置，在进行林冠郁闭度和林下植被覆盖度观测时，处理器6控制调节电机5转动即可改变摄像头4在X轴所处位置，此时处理器6控制垂直向上和竖直向下的摄像头4进行图像数据采集并反馈给处理器6处理后获得林冠郁闭度和林下植被覆盖度，具体的，处理器6处理图像数据获得林冠郁闭度步骤如下：
1、处理器6记录摄像头4位置信息并据此给两个摄像头4采集的图片编号，并在前面添加字母“T”或“B”用以区分向上和向下的图片；
2、处理器6将获得的图片适当裁减成圆形图片，用以消除鱼眼图像在边缘位置的过度变形部分；
3、处理器6运行Photoshop工具软件将图片转换成0~255的灰度图片，并根据一定阈值，将图像二值化，使图像不同像素转换成天空和植被两种类型；
4、处理器6运行Envi遥感软件对两种类型的图像进行K-Mean分类，区分出视野中天空（a）和植被（b）的像素数量，从而确定总像素中的植被部分的比例，根据下面的公式（1）计算郁闭度（S）；
S=b/（a+b）（1）。
处理器6处理图像数据获得林下植被覆盖度步骤如下：
1、处理器6首先对向下拍照的摄像头4所反馈的图像进行处理，去除树干等明显的遮挡区域；
2、对处理后的图像提取像素的RGB值，并计算归一化差异指数NDI值，NDI值通过公式（2）计算：
NDI=（Green-Red）/（Green+Red）（2）
式中，Green为绿色波段像素值，Red为红色波段像素值。
具体的，导轨3上具有燕尾滑轨，燕尾滑轨上设有滑块，底座1可拆卸的安装在滑块上，保证底座1可在导轨3上活动，支架2包括用于安装导轨3的装配杆201，装配杆201的两端通过合页可翻转的连接有可升降的支撑杆202，在支架2竖直高度可调节的同时还便于搬运，支撑杆202远离装配杆201的一端设有底板203，底板203具有用于将槽钉安装进土壤中的装配孔，使用过程中，装配孔内可以安装槽钉并钉进土壤中，使得支架2固定的更加稳固。
作为上述实施例的优选方案，摄像头4采用的是IR-CUT高清鱼眼摄像头，IR-CUT高清鱼眼摄像头带IR-Cut滤光片，可以分别采集黑白图像和RGB彩色图像。
作为上述实施例的优选方案，摄像头4通过三轴稳定器安装在底座1上，
作为上述实施例的优选方案，导轨3由多段相互配合的小导轨连接组成，可以根据需要进行连接和组合，形成更长的长度。
作为上述实施例的优选方案，导轨3延长度方向且在避开齿条以及底座1移动轨迹的部位间隔的布置有多个磁体7，底座1上设有用于感应磁体7的传感器8，传感器8连接处理器6，处理器6内有每个磁体7的位置信息，在控制调节电机5调整摄像头4的位置时，传感器8通过感应磁体7向处理器6输出触发信号即可对摄像头4进行定位和控制摄像头4拍照。
实施例2
在实施例1的基础上，考虑到摄像头4的运行环境在室外，为了减少或避免降水、枯枝落叶等污染摄像头4，进一步的，如图3-4所示，导轨3的一端设有防水罩9，且底座1在导轨3上可移动到防水罩9内，当底座1移动到防水罩9内后，摄像头4与防水罩9之间具有间隙，具体的，防水罩9为U形罩，开口朝下，U形罩的一端具有连接在导轨3上的安装板91，另一端供底座1通过，在摄像头4未使用时，通过控制调节电机5将摄像头4移动到防水罩9，即可减少或避免降水、枯枝落叶等污染摄像头4。
当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，包括底座（1）和两个并列布置的支架（2），支架（2）的垂直长度可调节，两个所述支架（2）的顶部之间设有导轨（3），且导轨（3）可沿水平方向活动的，底座（1）布置在导轨（3）上，且布置位置可沿导轨（3）长度方向调节，底座（1）的顶部和底部分别设有垂直向上和竖直向下的摄像头（4）；
还包括测量控制系统，所述测量控制系统包括设于底座（1）上的调节电机（5）、沿导轨（3）长度方向设置的齿条和用于控制调节电机（5）运行状态以及对摄像头（4）所采集图像数据进行处理的处理器（6），所述调节电机（5）的输出轴通过传动齿与所述齿条啮合。
2.根据权利要求1所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述摄像头（4）采用的是IR-CUT高清鱼眼摄像头。
3.根据权利要求1所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述导轨（3）由多段相互配合的小导轨连接组成。
4.根据权利要求1所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述导轨（3）延长度方向且在避开齿条以及底座（1）移动轨迹的部位间隔的布置有多个磁体（7），所述底座（1）上设有用于感应所述磁体（7）的传感器（8），所述传感器（8）连接处理器（6）。
5.根据权利要求1所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述导轨（3）上具有燕尾滑轨，燕尾滑轨上设有滑块，所述底座（1）可拆卸的安装在滑块上。
6.根据权利要求1所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述支架（2）包括用于安装所述导轨（3）的装配杆（201），所述装配杆（201）的两端通过合页可翻转的连接有可升降的支撑杆（202），所述支撑杆（202）远离装配杆（201）的一端设有底板（203），底板（203）具有用于将槽钉安装进土壤中的装配孔。
7.根据权利要求1-6任一项所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述导轨（3）的一端设有防水罩（9），且所述底座（1）在所述导轨（3）上可移动到防水罩（9）内，当所述底座（1）移动到防水罩（9）内后，所述摄像头（4）与防水罩（9）之间具有间隙。
8.根据权利要求7所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述防水罩（9）为U形罩，开口朝下，U形罩的一端具有连接在导轨（3）上的安装板（91），另一端供所述底座（1）通过。
9.根据权利要求8所述的林冠郁闭度和林下植被覆盖度的多点同步测量装置，其特征在于，所述摄像头（4）通过三轴稳定器安装在底座（1）上。
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