CN117872392A - 一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生态监测技术领域的一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统，包括预设模块、若干采集站、飞行控制模块、数据处理模块和可视化模块；预设模块用于获取用户输入参数，并根据用户输入参数规划监测任务；飞行控制模块用于根据监测任务控制无人机飞行，并记录无人机飞行过程中的位置和姿态数据；数据处理模块用于根据激光雷达数据、无人机飞行过程中的位置和姿态数据，输出地形模型和植被结构数据；可视化模块用于将地形模型和植被结构数据整合到综合的地理信息系统进行可视化展示。本发明，有效提升林草生态监测精度，同时对于监测任务的执行不受云层和大气条件限制，此外能够根据环境情况调度适宜的采集站及时准确的执行监测任务。

Description

一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统

技术领域

本发明属于生态监测技术领域，具体是一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统。

背景技术

林草生态系统在应对全球气候变化中具有重要作用。林草生态系统野外观测是生态系统要素观测的重要组成部分，便于及时发现评估重大生态灾害，重大生态环境损害情况，进一步提高林草资源的监测和管理水平。

现有技术中有诸多林草生态监测技术，例如，中国专利文献CN116229282A记载的一种基于卫星通导遥一体化的林草生态综合监测方法，具体包括下列步骤：(1)信息采集；(2)信息分析，得到监测结果；(3)监测结果被传输至文件管理系统或消防中心；(4)下级文件管理系统和上级文件管理系统均通过加密管理系统进行加密管理；(5)上级文件管理系统通过账号和密码进行身份验证选择性的对下述两种监测结果进行查看。

上述技术方案通过基于卫星遥感系统对林草生态进行监测。其存在以下问题：1、卫星遥感的分辨率通常较低，可能无法捕捉到细微的地表特征和植被结构，导致林草生态监测的精度受限；2、卫星遥感数据受到云层和大气条件的限制，云层和大气可能导致无法获取需监测区域清晰遥感数据；3、卫星遥感数据更新周期较长，导致林草生态监测的及时性受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统，解决林草生态监测精度和及时性受限，以及林草生态监测数据来源易受到云层和大气条件限制的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统，包括预设模块、若干采集站、飞行控制模块、数据处理模块和可视化模块；

预设模块用于获取用户输入参数，并根据用户输入参数规划监测任务；

采集站包括杆塔，杆塔顶部设置有环境监测单元，环境监测单元用于采集采集站所在区域的环境数据，杆塔底部设置有无人机收纳箱，无人机收纳箱顶部设置有电控门，无人机收纳箱内放置有无人机，无人机底部安装有若干激光雷达，无人内部安装有储存模块，储存模块用于储存激光雷达数据，无人机底部设置有系留平台，系留平台连接有系留线缆，系留线缆远离系留平台一端固定连接有线缆收纳器；

飞行控制模块用于根据监测任务控制无人机飞行，并记录无人机飞行过程中的位置和姿态数据；

数据处理模块用于根据激光雷达数据、无人机飞行过程中的位置和姿态数据，输出地形模型和植被结构数据；

可视化模块用于将地形模型和植被结构数据整合到综合的地理信息系统进行可视化展示。

进一步，监测任务包括需监测的林草地区、需监测的内容以及所调用的采集站；其中需监测的林草地区和需监测的内容由用户自主输入；所调用的采集站具体根据采集站内无人机飞行范围和采集站所在区域的环境数据进行选取。

进一步，环境监测单元包括温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器，温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器均与飞行控制模块信号连接，飞行控制模块用于获取采集站所在区域的温湿度、风速、风向和降雨量控制无人机是否执行监测任务。

进一步，数据处理模块的工作流程包括：

将激光雷达数据与无人机飞行过程中的位置和姿态数据进行配准，将地面点云定位到地球坐标系中；

从激光雷达数据点云中滤除非地面点，获取地形模型；

根据植被点云数据创建植被模型，包括树木、灌木和草地，根据植被模型进行数据分析获取监测任务对应的监测内容。

进一步，无人机底座上固定连接有连接杆，连接杆上转动连接有导向块，导向块底部设置有配重块，导向块内固定连接有伸缩钻头组件，伸缩钻头组件与飞行控制模块信号连接。

进一步，连接杆侧壁固定连接有第一弧形导电片，导向块开孔内固定连接有第二弧形导电片，初始状态下第一弧形导电片与第二弧形导电片接触，第一弧形导电片和第二弧形导电片与伸缩钻头组件电连接，当第一弧形导电片与第二弧形导电片处于非接触状态时，伸缩钻头组件运行。

进一步，无人机收纳箱内侧壁固定连接有支撑板，无人机着落于支撑板上表面。

进一步，杆塔顶部设置有图像采集模块，图像采集模块用于获取杆塔周围图像，飞行控制模块还用于根据杆塔周围图像调整无人机飞行路线。

采用上述方案有以下有益效果：

1、本发明，通过用户自主输入需监测的内容，系统自动生成对应的监测任务，而监测任务的执行还根据所调用的采集站周围环境情况，对于当前周围环境情况不佳的采集站，则调用其他采集站内的无人机辅助执行监测任务，从而满足监测任务执行的同时，避免了恶劣环境对无人机飞行的影响，提升了无人机采集数据的准确性和及时性；由于无人机携带激光雷达飞行高度较低，相较于现有技术，有效提升林草生态监测精度，同时对于监测任务的执行不受云层和大气条件限制。

此外，用户可根据需求调用所需的采集站内无人机进行数据采集，若要求及时进行监测，可通过系统自主选取适宜的采集站内无人机进行数据采集，无人机的飞行范围受线缆长度限制，通过线缆能够为无人机提供充足电量，同时无人机携带雷达数据能够及时的传输回采集站内，同时通过线缆可以将发生故障或受环境影响不能够正常返回的无人机找回，避免采集数据丢失。

2、本发明，通过数据处理模块生成监测任务对应的地形模型和植被模型，并基于制备模型能够分析具体的树木高度、树冠覆盖率、地形高程等监测任务对应的监测内容，并通过可视化模块将监测内容进行展示，便于用户实时直观的获取到监测任务区域的林草生态情况。

3、本发明，对于无人机采集数据过程中意外坠落，无人机剧烈波动或者直接倾斜着落于地面后第一弧形导电片与第二弧形导电片处于非接触状态，由于配重块的重力原因会使伸缩钻头组件始终垂直于地面，伸缩钻头组件运行插入地面内能够将无人机位置进行临时固定，避免无人机基于坠落位置继续移动，便于及时找回无人机，避免采集数据丢失。

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，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明基于激光雷达应用的林草生态监测系统实施例的系统框图；

图2为本发明基于激光雷达应用的林草生态监测系统实施例的采集站结构示意图；

图3为本发明基于激光雷达应用的林草生态监测系统实施例的无人机收纳箱结构示意图；

图4为本发明基于激光雷达应用的林草生态监测系统实施例的无人机结构示意图；

图5为本发明基于激光雷达应用的林草生态监测系统实施例的导向块结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：无人机收纳箱1、杆塔2、太阳能发电组件3、环境监测单元4、图像采集模块5、电控门6、无人机7、支撑板8、线缆收纳器9、连接杆10、导向块11、伸缩钻头组件12、系留平台13、第一弧形导电片14、第二弧形导电片15。

实施例一

如附图1-4所示：一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统，包括预设模块、若干采集站、飞行控制模块、数据处理模块和可视化模块，其中预设模块为手机、平板、PC等移动终端，采集站内置有无线传输模块，具体地无线传输模块可采用4G模块，用户通过手机、平板、PC等移动终端结合4G模块即能够实现远程控制。

预设模块用于获取用户输入参数，用户输入参数可包括需监测的林草地区、需监测的内容以及所调用的采集站；其中需监测的林草地区和需监测的内容由用户自主输入；所调用的采集站具体根据采集站覆盖范围和采集站所在区域的环境数据进行系统自主选取。

预设模块根据用户输入参数规划监测任务，对应的监测任务包括所需监测的区域、所需监测的内容和调用的采集站。

结合附图2-4所示，采集站包括杆塔2，杆塔2顶部通过螺栓固定连接有环境监测单元4，环境监测单元4用于采集采集站所在区域的环境数据，具体地环境监测单元4包括温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器，分别用于获取采集站所在区域的温湿度、风向、风速和降雨量数据，温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器均与飞行控制模块信号连接，飞行控制模块用于获取采集站所在区域的温湿度、风速、风向和降雨量控制无人机7是否执行监测任务。

杆塔2侧面还固定连接有太阳能发电组件3，通过太阳能发电组件3进行发电，辅助供给采集站用电。

杆塔2底部通过螺栓有无人机收纳箱1，无人机收纳箱1顶部设置有电控门6，电控门6采用现有技术中的电控收缩门即可，此处不在赘述，但优选采用能够防水的电控门6，避免雨水进入无人机收纳箱1，相应的无人机收纳箱1底部同样开设滤水孔，避免无人机收纳箱1内雨水堆积。

无人机收纳箱1内侧壁粘接固定连接有支撑板8，无人机收纳箱1内放置有无人机7，无人机7的底座坐落于两侧的支撑板8上，无人机7底部安装有若干激光雷达，无人内部安装有储存模块，储存模块用于储存激光雷达数据，无人机7底部设置有系留平台13，系留平台13连接有系留线缆，系留线缆远离系留平台13一端固定连接有线缆收纳器9，线缆收纳器9可采用现有技术中的电控线缆收纳器9。

飞行控制模块用于根据监测任务控制无人机7飞行，并记录无人机7飞行过程中的位置和姿态数据，具体地根据监测任务控制电控门6和线缆收纳器9运行，并控制无人机7按照飞行路线执行飞行任务，确保激光雷达设备获得充分的地面覆盖；激光雷达设备在飞行时通过发射激光脉冲并记录其返回时间来测量地面和植被的高度信息；同时记录无人机7的位置和姿态信息，以便后续数据处理和校正。

此外，杆塔2顶部设置有图像采集模块5，图像采集模块5用于获取杆塔2周围图像，飞行控制模块还用于根据杆塔2周围图像调整无人机7飞行路线，例如，动植物将无人机7垂直上升的飞行路径阻挡后，飞行控制模块则为无人机7合理规划避免与动植物接触的上升路径。

数据处理模块用于根据激光雷达数据、无人机7飞行过程中的位置和姿态数据，输出地形模型和植被结构数据；具体地数据处理的工作流程包括：

(1)将激光雷达数据与无人机7飞行过程中的位置和姿态数据进行配准，将地面点云定位到地球坐标系中。

(2)从激光雷达数据点云中滤除非地面点，获取地形模型；

(3)根据植被点云数据创建植被模型，包括树木、灌木和草地，根据植被模型进行数据分析获取监测任务对应的监测内容，包括树木高度、树冠覆盖率、地形高程等。

可视化模块用于将地形模型和植被结构数据整合到综合的地理信息系统进行可视化展示，具体地将地形模型、植被结构数据和其他相关信息整合到一个综合的GIS(地理信息系统)中，分析和可视化；并使用GIS工具创建图表、图形和地图，以便更好地理解监测结果。根据监测任务和分析结果，解释数据，并生成报告或图表。

实施例二

如附图4-5所示，与实施例一的不同之处在于，无人机7底座上焊接固定连接有连接杆10，连接杆10上转动连接有导向块11，导向块11底部填充有配重块，导向块11内固定连接有伸缩钻头组件12，本实施例中的伸缩钻头组件12可参考申请号CN202310494265.0记载的建筑工程用打桩装置，伸缩钻头组件12与飞行控制模块信号连接，在伸缩钻头组件12能够接收到飞行控制模块控制信号时，通过飞行控制模块对伸缩钻头组件12进行控制。

连接杆10侧壁固定连接有第一弧形导电片14，导向块11开孔内固定连接有第二弧形导电片15，初始状态下第一弧形导电片14与第二弧形导电片15接触，第一弧形导电片14和第二弧形导电片15与伸缩钻头组件12电连接，当第一弧形导电片14与第二弧形导电片15处于非接触状态时，伸缩钻头组件12运行。在伸缩钻头组件12不能够接收到飞行控制模块控制信号时，例如无人机7意外坠落不受控时，通过伸缩钻头组件12将无人机7临时固定于坠落点，能够帮助用户快速找回无人机7。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。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)

1.一种基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：包括预设模块、若干采集站、飞行控制模块、数据处理模块和可视化模块；

预设模块用于获取用户输入参数，并根据用户输入参数规划监测任务；

采集站包括杆塔，杆塔顶部设置有环境监测单元，环境监测单元用于采集采集站所在区域的环境数据，杆塔底部设置有无人机收纳箱，无人机收纳箱顶部设置有电控门，无人机收纳箱内放置有无人机，无人机底部安装有若干激光雷达，无人内部安装有储存模块，储存模块用于储存激光雷达数据，无人机底部设置有系留平台，系留平台连接有系留线缆，系留线缆远离系留平台一端固定连接有线缆收纳器；

飞行控制模块用于根据监测任务控制无人机飞行，并记录无人机飞行过程中的位置和姿态数据；

数据处理模块用于根据激光雷达数据、无人机飞行过程中的位置和姿态数据，输出地形模型和植被结构数据；

可视化模块用于将地形模型和植被结构数据整合到综合的地理信息系统进行可视化展示。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：监测任务包括需监测的林草地区、需监测的内容以及所调用的采集站；其中需监测的林草地区和需监测的内容由用户自主输入；所调用的采集站具体根据采集站内无人机飞行范围和采集站所在区域的环境数据进行选取。

3.根据权利要求1所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：环境监测单元包括温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器，温湿度传感器、风向传感器、风速传感器和雨量传感器均与飞行控制模块信号连接，飞行控制模块用于获取采集站所在区域的温湿度、风速、风向和降雨量控制无人机是否执行监测任务。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：数据处理的工作流程包括：

将激光雷达数据与无人机飞行过程中的位置和姿态数据进行配准，将地面点云定位到地球坐标系中；

从激光雷达数据点云中滤除非地面点，获取地形模型；

根据植被点云数据创建植被模型，包括树木、灌木和草地，根据植被模型进行数据分析获取监测任务对应的监测内容。

5.根据权利要求1所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：无人机底座上固定连接有连接杆，连接杆上转动连接有导向块，导向块底部设置有配重块，导向块内固定连接有伸缩钻头组件，伸缩钻头组件与飞行控制模块信号连接。

6.根据权利要求5所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：连接杆侧壁固定连接有第一弧形导电片，导向块开孔内固定连接有第二弧形导电片，初始状态下第一弧形导电片与第二弧形导电片接触，第一弧形导电片和第二弧形导电片与伸缩钻头组件电连接，当第一弧形导电片与第二弧形导电片处于非接触状态时，伸缩钻头组件运行。

7.根据权利要求6所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：无人机收纳箱内侧壁固定连接有支撑板，无人机着落于支撑板上表面。

8.根据权利要求1所述的基于激光雷达应用的林草生态监测系统，其特征在于：杆塔顶部设置有图像采集模块，图像采集模块用于获取杆塔周围图像，飞行控制模块还用于根据杆塔周围图像调整无人机飞行路线。