一种沉水植物群落快速监测系统的制作方法

1.本实用新型涉及水生态治理技术领域，具体为一种沉水植物群落快速监测系统。


背景技术：

2.沉水植物作为初级生产者，可以通过构建“水下森林”来增加水下空间生态位，提供浮游动物和底栖动物的生长场所，其根系扎根在基底中可以抑制底泥污染释放，对浮游藻类有明显的生化抑制效应，还对突发性外部输入冲击负荷有一定的缓冲作用，对维持水生态环境稳定性发挥了十分重要的作用。合理的沉水植物群落配置和稳定保持是水生态环境改善与稳定的重要措施。
3.沉水植物恢复不仅是“栽种水草”，更重要的是对沉水植物群落的动态调控，以适应不同季节、不同水位变化、不同水环境变化(透明度、悬浮物等)等，保证植物群落的动态平衡，这样才是高品质的沉水植物水生态系统。受限于水下植物调查不方便、沉水植物运维管理人员专业知识参差不齐、缺乏沉水植物科学调查方法、沉水植物生长全生命周期缺乏本底数据等，对沉水植物的运维管理比较粗放，缺乏科学的管理，导致种植的沉水植物系统从种植初期的多样化群落演变为单一化群落，再到无法抵御外界冲击能力最后出现整体群落的完全退化，沉水植物系统陷入了“种了退化，退化再种”的恶性循环，大大增加了水生态系统维护成本，无法可持续维持高品质的沉水植物水生态系统。
4.目前已公开的沉水植物监测主要集中于在生物量测定方面的创新，例如授权公告号为cn110243936b，名称为一种原位无损伤测定沉水植物生物量的方法的实用新型专利，其中公开了通过传统人工采样测定沉水植物鲜重生物量以及回声探测仪测定水深、沉水植物高度、沉水植物盖度，再计算沉水植物的体积百分比、建立回归模型、利用acrgis软件插值计算调查水域参数，最后通过回归模型求得整个水域面积沉水植物总的生物量，并类比到同类型水域；虽然该方法能够实现沉水植物的调查，但其在使用上有一定局限性，因为实际情形是不同沉水植物的生物量差别较大，没有对沉水植物群落组成的监测，是无法判断某一水域是否为“同类型水域”，即不存在专利中所表述的回归模型在“原位无损”(即不通过传统人工采样)适用至“同类型水域”，不同水域沉水植物群落实际上差别应很大，每次仍需通过传统方法人工布点方法采集获得各采样点沉水植物生物量鲜重，重新建立回归模型，另外其说明书也提到仅适用于低冠层沉水植物。再例公开号为cn107728150a，名称为调查湖泊沉水植物的方法的实用新型专利申请，其中具体公开了沉水植物的覆盖度采用双频识别声呐采集图像，通过植被像素占影像总像素之比得出沉水植物覆盖度，沉水植物的种类、不同种类沉水植物的占比以及鲜重密度需人工采样测定，上述两种方法在测量上仍离不开传统人工测量，最终也仅是实现了对生物量的测定，并没有为如何持续维持高品质的沉水植物水生态系统提供有效的思路。因此，亟需一种沉水植物群落快速监测系统来解决这个问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种沉水植物群落快速监测系统，以解决高品质的沉水植物水生态系统难以维持的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种沉水植物群落快速监测系统，包括船体、补水设施和排水设施，其中船体安装有水体检测装置、至少一个方向上的成像装置、数据处理模块和控制装置，水体检测装置和成像装置均与数据处理模块通信连接以传递数据或图像，数据处理模块与控制装置通信连接以将处理后的数据传递给控制装置，控制装置与补水设施和排水设施分别通信连接以控制二者的启停用于调节水深和/或水体营养盐浓度。
7.在一种较优的方案中，水体检测装置包括水体透明度检测器、水体总氮和总磷检测传感器和水深测量装置，水深测量装置采用压力、声呐、声波或光学中的至少一种。
8.在本方案中较优的，成像装置通过升降机构安装在船体下方，升降机构的升降运动带动成像装置所处高度上升或下降。
9.在本方案中较优的，成像装置包括沉水植物俯视成像头和沉水植物立面成像头，沉水植物俯视成像头的拍摄方向向下，沉水植物立面成像头的拍摄方向水平朝向沉水植物俯视成像头的正下方。
10.在本方案中较优的，升降机构包括两组竖直设置的升降杆，第一组升降杆的上端与船体下端固定连接，第一组升降杆的下端固设有水平安装杆，沉水植物俯视成像头固定安装在水平安装杆远离第一组升降杆的一端，第二组升降杆的上端与第一组升降杆的下端固定连接，沉水植物立面成像头固定安装在第二组升降杆的下端。
11.在一种较优的方案中，船体还安装有数据存储模块，并与数据处理模块和控制装置通信连接，以存储处理后的数据以及补水设施和排水设施的启停动作。
12.在一种较优的方案中，船体预先设置有规划航线，规划航线包括多个监测样区。
13.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
14.1、该沉水植物群落快速监测系统，通过成像装置对规划监测样区内沉水植物进行成像，利用水体检测装置对规划监测样区内水体透明度和水深检测，数据处理模块对这些数据或图片处理后，获得水体透明度、总氮、总磷、水深、沉水植物盖度、沉水植物种类及比例和沉水植物高度等数据，控制装置依据预设的数值或范围，下达调节指令对沉水植物生长环境进行调控；该监测系统有利于提高沉水植物管理的专业化水平，实现沉水植物群落快速监测并对沉水植物群落进行调控，保证沉水植物群落不同时期、不同水位变化、不同水环境变化的稳定演替。
15.2、该沉水植物群落快速监测系统，从监测到调控均可实现无人操作执行，有利于提高沉水植物管理的自动化水平，能够长期作业、及时调节，可以在沉水植物系统出现从种植初期的多样化群落演变为单一化群落的情况之前及时遏制群落退化，特别有利于维持高品质的沉水植物水生态系统。
16.3、该沉水植物群落快速监测系统，水域管理简单，无需过多专业知识，只要普通人工进行设备维护以及定期数据备份，就能够实现稳定管理，不仅从问题发生的伊始解决了沉水植物系统陷入“种了退化，退化再种”的恶性循环导致的资源浪费和成本提高，还降低了人工技术需求，降低了人工成本。
附图说明
17.图1为本实用新型的沉水植物群落快速监测系统的示意图；
18.图2为本实用新型的规划航线的一种实施方式的俯视示意图。
19.图中：1、船体；2、数据处理模块；3、控制装置；4、水体透明度检测器；5、沉水植物俯视成像头；6、沉水植物立面成像头；7、深水型沉水植物；8、浅水型沉水植物一；9、浅水型沉水植物二；10、补水设施；11、排水设施；12、规划航线；13、水体总氮和总磷检测传感器。
具体实施方式
20.请参阅图1，一种沉水植物群落快速监测系统，包括船体1、补水设施10和排水设施11，其中船体1安装有水体检测装置、至少一个方向上的成像装置、数据处理模块2和控制装置3，水体检测装置可以包括水体透明度检测器4、水体总氮和总磷检测传感器13和水深测量装置，水体透明度检测器4可选用市面常见的仪器，例如清淼光电km
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sd01在线水质透明度传感器等，水体总氮和总磷检测传感器13可选用常见市售传感器，例如水德科技的总氮总磷原位传感器等，水深测量装置可采用压力、声呐、声波或光学中的一种，例如超声波测深仪，也可多种联用提高准确性，数据处理模块2可以为mcu、单片机或计算机等具备数据处理、分析计算能力的模块或装置；水体检测装置和成像装置均与数据处理模块2通信连接以传递数据或图像，数据处理模块2与控制装置3通信连接以将处理后的数据传递给控制装置3，控制装置3与补水设施10和排水设施11分别通信连接以控制二者的启停用于调节水深和/或水体营养盐浓度，补水设施10和排水设施11一般为连通水体的水管，利用水泵进行补、排水。
21.成像装置宜采用升降机构安装在船体1下方，这样能够调节成像高度，使位于不同区域时能够获得清晰的图像，而且可以调节高度以保证不同时期、不同水深时，对同一区域成像条件尽可能接近。
22.在一种较优的实施方式中，成像装置包括沉水植物俯视成像头5和沉水植物立面成像头6，沉水植物俯视成像头5的拍摄方向向下，沉水植物立面成像头6的拍摄方向水平朝向沉水植物俯视成像头5的正下方，以获得更多可捕捉信息。
23.上述的升降机构宜包括两组竖直设置的升降杆，如图1所示，第一组升降杆的上端与船体1下端固定连接，第一组升降杆的下端固设有水平安装杆，沉水植物俯视成像头5固定安装在水平安装杆远离第一组升降杆的一端，第二组升降杆的上端与第一组升降杆的下端固定连接，沉水植物立面成像头6固定安装在第二组升降杆的下端。
24.具体的，成像装置获得的图像中包括沉水植物纹理和叶片形状等有效信息，能够识别图像中的沉水植物种类、不同沉水植物比例以及总盖度等信息，在一种可行的方案中，数据处理模块2为安装有bp神经网络学习软件的计算机，并且该软件中已存有训练好的模型，可以直接将成像装置获得的图像导入至模型中即完成分析，《基于叶片图像算法的植物种类识别方法研究》(毕立恒,浙江农业学报2017,29(12))一文中也有相关的方法记载，也可以采用其他方法，例如北京林业大学基于支持向量机(svm)原理的《基于叶片图像多特征提取的观叶植物种类识别》一文中所采用的方法亦可，亦或者当水体中沉水植物种类不那么复杂，如图1所示，仅有深水型沉水植物7、浅水型沉水植物一8和浅水型沉水植物二9三种植物为主体群落，则可以采用更简单的图像识别技术加以自动判断。
25.船体1还可以安装有数据存储模块，并与数据处理模块2和控制装置3通信连接，以存储处理后的数据以及补水设施10和排水设施11的启停动作，当数据处理模块2是计算机时，其也具备存储功能，二者即可合并，存储的数据可以作为新的设定值以供进行同时期对比，这些原始数据还可以为将来的沉水植物水生态系统建设提供高价值参考。
26.上述监测系统的调控方法包括：令船体1在待监测水域的水面按计划的线路移动，并在到达计划的监测区域时停止移动，参阅图2，船体1可预先设置有规划航线12，优选的，规划航线12为回形，规划航线12包括多个监测样区，具体数量需根据水体面积而定，船体1沿规划航线12移动，并在每个监测样区暂停移动进行监测；监测时，利用水体检测装置对监测区域的水体透明度和水深等进行检测，并用成像装置拍摄沉水植物，数据处理模块2收集数据，计划的监测区域全部检测完成后，数据处理模块2处理数据后传递给控制装置3，处理后的数据包括水体透明度、水深、沉水植物盖度、沉水植物种类及比例和沉水植物高度；控制装置3根据处理后的数据控制补水设施10和排水设施11实现水位升降调控。
27.在一种较优的实施方式中，控制装置3按照调控优先级顺序设定有水体透明度调节模式、水体营养盐浓度调节模式、沉水植物种类及比例调节模式、沉水植物盖度调节模式和沉水植物生长高度调节模式；从水体透明度调节模式开始判别，当本优先级不需调节时，判断下一优先级是否需要调节，直至任一优先级需要调节时开始调节，不再判别下一优先级是否需要调节；
28.具体的，水体透明度调节模式包括水体透明度值低于设定值，即较差时，则启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深进而提高光合作用效果，提高沉水植物生物量；水体透明度值高于设定值，即过好时，则启动补水设施10、关闭排水设施11，增加水体水深进而降低光合作用效果，降低沉水植物生物量；
29.水体营养盐浓度调节模式包括水体营养盐总氮和总磷两个指标中至少一个超过设定值(一般为沉水植物适宜生长营养盐浓度范围的上限值，当营养盐浓度过高会对沉水植物形成逆境胁迫将导致其不可逆退化或消亡)，则启动补水设施10和排水设施11，补入外部优质清水以降低水体营养盐浓度至沉水植物适宜范围，进而避免突发高浓度外源冲击污染负荷对沉水植物形成逆境胁迫导致其出现不可逆退化或消亡；
30.沉水植物种类及比例调节模式包括深水型沉水植物占总沉水植物比例超过设定值，则启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深，促进浅水型沉水植物生长；浅水型沉水植物占总沉水植物比例超过设定值，则启动补水设施10、关闭排水设施11，增加水体水深，促进深水型沉水植物生长；
31.沉水植物盖度调节模式包括沉水植物总盖度低于设定范围，则启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深进而提高光合作用效果，提高沉水植物生物量；沉水植物总盖度高于设定范围，则启动补水设施10、关闭排水设施11，增加水体水深进而降低光合作用效果，降低沉水植物生物量；
32.沉水植物生长高度调节模式包括沉水植物高度小于设定高度范围，则启动补水设施10、关闭排水设施11，增加水体水深引导沉水植物长高；沉水植物高度大于设定高度范围，则启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深限制沉水植物长高。
33.上述的水体透明度调节模式中，设定值可以为沉水植物生长必需透明度范围；水体营养盐浓度调节模式中，设定值为沉水植物群落中营养盐耐受性最差的一种沉水植物的
适宜生长营养盐浓度范围；沉水植物种类及比例调节模式中，设定值优选为历史同时期同种类沉水植物占总沉水植物比例，具体可每年设定一次上一年数据或者直接调用数据存储模块中的数据，该比例可
±
5％或其他允许范围，按需求设定，例如上一年同时期某沉水植物占总沉水植物比例为32％，则设定值可以为27
‑
37％或30
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35％等；沉水植物盖度调节模式中，设定范围优选为历史同时期沉水植物总盖度，可以调用数据存储模块中的数据，例如往年最低盖度40％，最高50％，则设定范围为40
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50％，也可以人工设定预期范围；沉水植物生长高度调节模式中，设定高度范围优选为历史同时期同种类沉水植物高度范围，也可以进行人工设定。
34.上述的调控优先级顺序可参考以下示例：某水体中以深水型沉水植物7、浅水型沉水植物一8和浅水型沉水植物二9三种植物为主体群落，采用本实用新型的系统和方法进行监测，数据处理模块2处理数据后传递给控制装置3，此时，水体透明度在设定值范围内，总氮、总磷也均不超过设定值，但深水型沉水植物7占总沉水植物比例超过设定值，需要启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深，而此时沉水植物总盖度高于设定范围，按照沉水植物盖度调节模式需要启动补水设施10、关闭排水设施11，增加水体水深，但是由于须遵从当本优先级不需调节时，判断下一优先级是否需要调节，直至任一优先级需要调节时开始调节，不再判别下一优先级是否需要调节的原则，故执行启动排水设施11、关闭补水设施10，降低水体水深，优先确保沉水植物群落比例配置，该调控优先级顺序能够尽可能的维持高品质的沉水植物水生态系统，避免退化。
35.以上仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
36.本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。