CN214308877U - 一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，包括多光谱相机、相机卡扣、垂臂、垂臂卡扣、横臂、光照传感器、太阳能电池板、云台、空气温湿度传感器、双目相机、伸缩管、锁紧卡扣、脚管、电池、数据采集器、数据无线传输器、GPS模块、固定支柱、土壤温湿度传感器、铁楔、防水箱及数据存储与服务平台。该系统可以对植被盖度和高度进行快速、准确和无接触测量，同时还可以记录和存储测量点的经纬度、植被图片、空气和土壤温湿度等数据，有效提升植被盖度和高度的测量效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，属于生态学、林学、草原学和农学等野外监测研究技术领域，特别涉及到生态系统监测与全球变化等研究领域。
背景技术
盖度和高度是植物群落结构的一个重要指标，它标志了植物所占有的水平和垂直空间大小，在一定程度上反映了植物同化面积的大小。盖度和高度是指示植被结构变化的重要参数，也是评价区域生态系统变化的重要参数，广泛应用于生态系统碳氮循环、生产力等机理模型中，对区域乃至全球地表覆盖变化、生态质量等有着重要的指示作用。同时，在生态、水文、水土保持、农田管理、草原管理等领域中都要用到定量化的盖度和高度信息。
盖度常用人工目测法进行估计，以百分数或者小数表示。人工目测法是一种主观的测量方法，有点事简单易行，但是测量结果与估测人的专业经验密切相关，专业经验不足的人估测的盖度值会有较大的误差。除目测法以外，还有图解样方法、样点截取法等客观测量方法，这些方法在植被盖度测量中也有一定的应用。总体上，客观方法的测量结果较为准确，但是依赖人工，操作复杂，十分耗时、费力。高度测量也存在主观方法和客观方法。主观方法也是人工估测，简单快捷，但是估测人的专业经验对测量结果影响很大。客观的高度测量方法有测高杆法、激光测距仪法等，但是，这些方法都是采用人工操作的方式进行测量，操作过程较为繁复，效率低下。
综上所述，目测法和各类客观测量方法均是依靠人工进行盖度和高度测量的方法，难以对植物群落生长过程中植被的高度和盖度进行较高频度的测量。随着数字成像技术和图像处理技术的发展，基于数码照片的盖度和高度监测方法逐渐被广泛地应用于生态系统监测和研究中。基于数字成像和图像分析技术以及环境因子无线传感器，我们研发的草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统可以实现对草本植被盖度和高度以及关键环境因子的快速、准确测量与储存，提升草本植被盖度和高度监测数据获取的效率，提升生态系统监测与科学研究的能力。
实用新型内容
为了克服现有植被盖度和高度测量方法的不足，本实用新型的目的在于提供一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，实现对盖度和高度及光照强度、土壤温度、湿度和空气温度、湿度等关键环境因子数据的快速、准确和高效获取。
本实用新型所提供的草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统解决其技术问题所采用的方案是：该仪器主要包括多光谱相机1、相机卡扣2、垂臂3、垂臂卡扣4、横臂5、光照传感器6、太阳能电池板7、云台8、空气温湿度传感器9、双目相机10、伸缩管11、锁紧卡扣12、脚管13、电池14、数据采集器15、数据无线传输器16、GPS模块17、固定支柱18、土壤温湿度传感器19、铁楔20、防水箱21及数据存储与服务平台22。多光谱相机1拍摄的多光谱图像用于计算盖度，双目相机10拍摄的图像用于计算高度，光照传感器6用于测量光照强度，空气温湿度传感器9用于测量空气温度和湿度，土壤温湿度传感器19用于测量土壤温度和湿度。
多光谱相机1通过相机卡扣2与垂臂3相连，多光谱相机1垂直向下拍摄，用于拍摄植被图片，该植被图片用于计算草地覆盖度。多光谱相机1拍摄的植被多光谱图片被数据采集器15采集后存储于数据采集器15的存储器中，然后经数据无线传输器16传输至数据存储与服务平台22。
横臂5通过垂臂卡扣4与垂臂3相连，垂臂卡扣4安装在横臂5上，可根据监测实际需求移动。横臂5长度在1米-1.5米，伸缩管11长度1米-1.5米，脚管13长度1.5米-2米，横臂5、伸缩管11和脚管13的长度可根据实际需求进行调整。横臂5与伸缩管11之间与云台8相连，云台8可以360°旋转。横臂5上安装的仪器有光照传感器6和空气温湿度传感器9，光照传感器6用于测量太阳光照强度，空气温湿度传感器9用于测量空气温湿度，光照传感器6和空气温湿度传感器9测量的数据被数据采集器15采集后存储于数据采集器15的存储器中，然后经数据无线传输器16传输至数据存储与服务平台22。
太阳能电池板7安装在伸缩管11上，太阳能电池板7产生的电能存储于电池14。伸缩管11通过锁紧卡扣12与脚管13相连。双目相机10固定在伸缩管11上，与水平成45°角，双目相机10拍摄的图片用于计算植被高度。双目相机10拍摄的图片被15数据采集器采集后存储于数据采集器15的存储器中，然后经数据无线传输器16传输至数据存储与服务平台22。
电池14、数据采集器15、数据无线传输器16、GPS模块17等安装在防水箱21中。电池14负责给多光谱相机1、光照传感器6、空气温湿度传感器9、双目相机10、数据采集器15、数据无线传输器16、GPS模块17、土壤温湿度传感器19等模块供电。GPS模块17记录该系统所在地的经纬度坐标。数据采集器15负责采集并存储多光谱相机1、光照传感器6、空气温湿度传感器9、双目相机10、GPS模块17和土壤温湿度传感器19等产生的数据。数据无线传输器16将数据采集器15中所采集和存储的数据经过网络传输至数据存储与服务平台22，通过数据存储与服务平台22可以查询植被图片以及高度、盖度、空气和土壤温湿度变化趋势图。
固定支柱18有三根，用于支撑稳定该系统。土壤温湿度传感器19与数据采集器15相连，土壤温湿度传感器19插入土壤中，插入深度取决于实际监测需求。铁楔20，用于钻入土壤，固定该系统。数据存储与服务平台22用于存储和展示系统所获取的数据。
本实用新型的有益效果是：可以对植被盖度和高度进行快速、准确和无接触测量，同时还可以记录和存储测量点的经纬度、植被图片、空气和土壤温湿度等数据，有效提升植被盖度和高度的测量效率。
附图说明
图1所示为本实用新型的结构图。
图1中标号具体如下：
1-多光谱相机，2-相机卡扣，3-垂臂，4-垂臂卡扣，5-横臂，6-光照传感器，7-太阳能电池板，8-云台，9-空气温湿度传感器，10-双目相机，11-伸缩管，12-锁紧卡扣，13-脚管，14-电池，15-数据采集器，16-数据无线传输器，17-GPS模块，18-固定支柱，19-土壤温湿度传感器，20-铁楔，21-防水箱，22-数据存储与服务平台。
具体实施方式
以下基于图1，对本实用新型的技术方案做进一步的说明。
本实用新型设备电源打开以后，电池14为本实用新型设备供电。设备成功开机以后，多光谱相机1和双目相机10分别获取植被多光谱图片和普通数码照片，光照传感器6获取光照强度数据、空气温湿度传感器9和土壤温湿度传感器19获取空气、土壤温湿度数据，GPS模块17获取该系统所在地经纬度数据。通过数据存储与服务平台22可以远程设定、改变该系统获取植被图片及环境因子数据的频率。数据采集器15采集并存储系统所采集的所有图片和数字数据，并通过网络将数据传输至数据存储与服务平台22。数据存储与服务平台22通过数字图像处理算法获取植被盖度和高度值，并将盖度、高度、空气和土壤温湿度等数据以图形的形式展示。
监测实施例：
本实用新型设备主要用于草本植被的监测，主要指草原和草甸，也可以用于较为低矮的灌丛盖度和高度的监测(高度通常不高于2米)。以下以草原为例，介绍该设备用于监测的具体实施过程。
由于该系统的数据是通过无线网络进行传输，因此，安装该设备之前要确认安装地是否有4G或者5G信号。
选定典型的草原类型(如内蒙古大针茅草原，高度通常低于1米)，要注意安装地点植被类型的代表性，将该设备安装在选定草原斑块的靠近中心的位置，远离草原斑块边缘。草原较为低矮，调整伸缩管11和脚管13的高度，系统高度保持在2米左右，横臂5在1.2米左右，保证固定支柱18不会被拍摄到。多光谱相机1垂直向下拍摄，获取正射影像，在多光谱相机1的视野范围内放置参考白板，用于对多光谱图像数据进行光谱校正。双目相机10与水平线呈45°角安装，其要注意其拍摄对象高度的均匀性和代表性。土壤温湿度传感器19插入30cm深度的土壤中，要与土壤密切接触，传感器与土壤之间尽量紧密，不能有大的空隙。光照传感器6和空气温湿度传感器9安装在横臂5上的指定位置即可。
安装工作完成以后，打开设备电源开关，通电以后，该设备即可以开始工作。在正式开始监测前，在野外用笔记本电脑登陆数据存储与服务平台22，设置多光谱相机1和双目相机10的拍摄时间段和频率以及空气温湿度传感器9、土壤温湿度传感器19的数据采集时间段和频率，多光谱相机1和双目相机10的拍摄时间段为早上7点到晚上7点，采集频率为3小时拍摄1次。空气温湿度传感器9、土壤温湿度传感器19的数据采集时间段为全天，每10分钟采集1次数据。通常，安装完成以后，至少要进行一次测试，确认图片和环境因子数据可以被成功采集和传输。在监测过程中，可以通过数据存储与服务平台22来查看系统运行状态，也可以通过数据存储与服务平台22来远程改变数据获取的时间段和频率。设备正常运行以后，所有数据通过4G无线传输到数据存储与服务平台22。
依托数据存储和服务平台22，系统配置了基于多光谱图像和数码照片的盖度、高度提取算法，可以在线计算植被盖度和高度，并通过图形的方式进行展示，用户可以在数据存储和服务平台22查看原始的多光谱图像、数码图像，以及盖度、高度变化趋势图。另外，光照强度、空气温湿度和土壤温湿度等数据也被传输到数据存储和服务平台22，经过计算处理以后，以图形的形式展示光照强度、空气温湿度和土壤温湿度的变化趋势。
总体上，该系统较易安装和使用，实现对草本植被盖度、高度以及光照强度、空气温湿度和土壤温湿度的连续、高频、自动观测和数据管理，获取植被盖度、高度及土壤温湿度、空气温湿度和光照强度等数据，用于分析植物生长节律及其与环境因子变化的关系，为植被科学研究、以及生态系统保护和管理提供基础数据支撑。
Claims (6)
1.一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：包括多光谱相机、相机卡扣、垂臂、垂臂卡扣、横臂、光照传感器、太阳能电池板、云台、空气温湿度传感器、双目相机、伸缩管、锁紧卡扣、脚管、电池、数据采集器、数据无线传输器、GPS模块、固定支柱、土壤温湿度传感器、铁楔、防水箱及数据存储与服务平台；
多光谱相机通过相机卡扣与垂臂相连，多光谱相机垂直向下拍摄，用于拍摄植被图片，该植被图片用于计算草地覆盖度；多光谱相机拍摄的植被多光谱图片被数据采集器采集后存储于数据采集器的存储器中，然后经数据无线传输器传输至数据存储与服务平台；
横臂通过垂臂卡扣与垂臂相连，垂臂卡扣安装在横臂上，根据监测实际需求移动；横臂、伸缩管和脚管的长度根据实际需求进行调整；横臂与伸缩管之间与云台相连；横臂上安装的仪器有光照传感器和空气温湿度传感器；光照传感器和空气温湿度传感器测量的数据被数据采集器采集后存储于数据采集器的存储器中，然后经数据无线传输器传输至数据存储与服务平台；
太阳能电池板安装在伸缩管上，太阳能电池板产生的电能存储于电池；伸缩管通过锁紧卡扣与脚管相连；双目相机固定在伸缩管上，双目相机拍摄的图片用于计算植被高度；双目相机拍摄的图片被数据采集器采集后存储于数据采集器的存储器中，然后经数据无线传输器传输至数据存储与服务平台；
电池、数据采集器、数据无线传输器、GPS模块安装在防水箱中；电池负责给多光谱相机、光照传感器、空气温湿度传感器、双目相机、数据采集器、数据无线传输器、GPS模块、土壤温湿度传感器模块供电；GPS模块记录该系统所在地的经纬度坐标；数据采集器负责采集并存储多光谱相机、光照传感器、空气温湿度传感器、双目相机、GPS模块和土壤温湿度传感器产生的数据；数据无线传输器将数据采集器中所采集和存储的数据经过网络传输至数据存储与服务平台，通过数据存储与服务平台查询植被图片以及高度、盖度、空气和土壤温湿度变化趋势图；
固定支柱有三根，用于支撑稳定该系统；土壤温湿度传感器与数据采集器相连，土壤温湿度传感器插入土壤中，插入深度取决于实际监测需求；铁楔，用于钻入土壤，固定该系统；数据存储与服务平台用于存储和展示系统所获取的数据。
2.根据权利要求1所述的一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：横臂长度在1米-1.5米；伸缩管长度1米-1.5米；脚管长度1.5米-2米。
3.根据权利要求1所述的一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：云台能360°旋转。
4.根据权利要求1所述的一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：双目相机与水平成45°角。
5.根据权利要求1所述的一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：多光谱相机拍摄的多光谱图像用于计算盖度，双目相机拍摄的图像用于计算高度，光照传感器用于测量光照强度，空气温湿度传感器用于测量空气温度和湿度，土壤温湿度传感器用于测量土壤温度和湿度。
6.根据权利要求1所述的一种草本植被盖度和高度及环境因子长期定位监测系统，其特征在于：光照传感器用于测量太阳光照强度，空气温湿度传感器用于测量空气温湿度。
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| CN113933301A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-14 | 青海省草原改良试验站 | 一种红外激光智能样方调查装置及方法 |
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