一种植被群落自动观测仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种植被群落自动观测仪，属于植被生态自动观测技术领域。


背景技术：

2.植被群落作为生态系统的基本结构与功能单元，近年来被破坏程度尤为明显，急需得到充分的管理和保护。目前我国主要利用气象卫星遥感资料以及现场人工观测数据，对植被群落的长势状况进行监测估算。其中，人工观测法因对植物群落冠层破坏大，耗费人力、物力多，数据处理繁琐且无法进行大面积测量，已逐渐被淘汰。遥感监测法作为当前植被群落生态监测的主要手段，只适合大尺度测量，监测频次低且局部测量精度难以保障。
3.目前，也有针对小尺度范围的植被群落进行监测的自动化测量仪器，可提高观测效率、减少人为误差，例如，公告号为cn211926929u的实用新型专利文件中公开的一种植被生态自动观测仪，该观测仪利用ccd高清相机采集植被实景图像，利用测高仪采集植被冠层高度，利用植被指数测量仪采集植被指数数据，虽然能实现对植被的生长情况进行长期、自动、连续观测，但该观测仪获得的植被生长数据不够准确。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种植被群落自动观测仪，能够获取更加准确的植被生长数据，为植被的长势信息分析提供数据支持。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种植被群落自动观测仪，该植被群落自动观测仪包括用于获取观测区域内的植被群落实景图像的图像传感器、用于获取观测区域内的植被冠层高度数据的冠层测高仪和用于获取观测区域内的植被群落三维点云数据的激光点云传感器，该植被群落自动观测仪还包括采集器、通讯传输模块和供电系统，所述采集器分别与所述图像传感器、所述冠层测高仪和所述激光点云传感器通讯连接，所述采集器内含数据采集单元和数据存储单元，所述采集器用于获取所述植被群落实景图像、所述植被冠层高度数据和所述植被群落三维点云数据，并对获取的数据进行存储；通讯传输模块与采集器连接，通讯传输模块用于将所述植被群落实景图像、所述植被冠层高度数据和所述植被群落三维点云数据通过网络传输至远程终端；图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器、采集器和通讯传输模块分别与供电系统连接；所述激光点云传感器和所述冠层测高仪设置在同一高度上。
6.本实用新型的有益效果是：(1)采用激光点云传感器获取植被群落三维点云数据，基于植被群落三维点云数据能获取观测区域内的3d植被群落图像，进而为得到观测区域内每株植物的高度及计算出观测区域内所有植物的平均高度提供数据支持。(2)能实现植被群落实景图像、植被冠层高度数据、植被群落三维点云数据的实时采集、存储和传输，为得到观测区域内植被群落的季相变化、植被群落的结构和3d植被群落图像，实现对植被群落长势状况的长期、自动、连续观测提供数据支持，减轻了人工现场观测的劳动强度，减少人为观测量和人为误差，提高观测效率。(3)通过非接触式的方式实时获取植被群落的生长数
据，对植被生长没有破坏性，使用简便、抗干扰性强且稳定性高，提高了观测效率和观测数据的客观性和可靠性。(4)能利用冠层测高仪标定激光点云传感器的精度，使激光点云传感器获取的植被群落三维点云数据更加精确，从而使构建的3d植被群落图像更加精确，使最终得到的植被群落长势信息更加精确。
7.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，该植被群落自动观测仪还包括立杆，所述立杆上安装有第一横臂，所述激光点云传感器和所述冠层测高仪均安装在所述第一横臂上，所述冠层测高仪靠近立杆、所述激光点云传感器远离立杆。
8.这样做的有益效果是：使冠层测高仪靠近立杆、激光点云传感器远离立杆，能够保证激光点云传感器进行扫描时不会扫到立杆，得到有效的观测范围。
9.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，所述立杆上还安装有第二横臂，所述图像传感器安装在所述第二横臂上，且所述第一横臂的高度大于第二横臂的高度。
10.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，该植被群落自动观测仪还包括机箱，所述采集器和供电系统封装在机箱内。
11.这样做的有益效果是：将采集器和供电系统封装在机箱内，有利于防水防风防尘。
12.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，所述立杆顶端还安装有避雷装置，所述立杆上还设有至少一个预留接口。
13.这样做的有益效果是：能提高观测仪的野外适应能力，并方便对观测仪进行功能扩展。
14.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，所述供电系统包括电池箱以及与电池箱连接以向电池箱充电的发电装置，发电装置为太阳能电池板。
15.进一步地，在上述植被群落自动观测仪中，所述通讯传输模块包含无线通讯系统和有线通讯系统，无线通讯系统包括天线和无线通信模块。
附图说明
16.图1是本实用新型观测仪实施例中植被群落自动观测仪的数据采集电路框图；
17.图2是本实用新型观测仪实施例中的植被群落数据观测原理图；
18.图3是本实用新型观测仪实施例中植被群落自动观测仪的安装结构和现场实施示意图；
19.图中，1是激光点云传感器，2是冠层测高仪，3是图像传感器，4是机箱，5是避雷装置，6是立杆，7是第一横臂，8是太阳能电池板，9是基础，10是预留接口，11是第二横臂。
具体实施方式
20.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
21.观测仪实施例：
22.本实施例的植被群落自动观测仪是一种针对植被群落长势状况的自动观测仪。如图1所示，该植被群落自动观测仪包括：图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器、采集器(采集器内含数据采集单元和数据存储单元)、通讯传输模块和供电系统；其中，采集器分别与图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器和通讯传输模块通讯连接，供电系统与采集器
连接用于给采集器供电，并通过采集器给图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器和通讯传输模块供电。当然，作为其他实施方式，供电系统还可以通过与植被群落自动观测仪的各部件直接连接为各部件供电。
23.本实施例中，图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器和通讯传输模块与采集器的通讯连接分别采用以下方式实现：图像传感器通过usb传输单元与采集器通讯连接，冠层测高仪通过485数据转换模块与采集器通讯连接，激光点云传感器通过lan传输单元与采集器通讯连接，通讯传输模块通过lan传输单元与采集器通讯连接。作为其他实施方式，在实际应用中图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器和通讯传输模块与采集器的通讯连接方式均可以根据实际需要进行调整，不局限于本实施例中给出的方式。
24.下面结合图1和图2对本实施例的植被群落自动观测仪的工作原理进行详细介绍。
25.进行植被群落长势观测时，图像传感器按设定时间获取观测区域内的植被群落实景图像(例如采集器定时向图像传感器发送拍照命令)，并将植被群落实景图像发送给采集器；具体实施时，图像传感器可采用工业高清单反相机，最高可达千万级像素。
26.冠层测高仪利用激光测高原理获取观测区域内的植被冠层高度数据，并将植被冠层高度数据发送给采集器；具体实施时，冠层测高仪可采用公告号为cn106643521b的中国发明专利《一种农作物冠层高度的检测方法及装置》中提出的基于激光测高原理的作物冠层高度测高仪，该测高仪精度高稳定性好，满足植被冠层高度观测的要求。
27.激光点云传感器通过激光束在视场内进行非重复式扫描获取观测区域内的植被群落三维点云数据，并将植被群落三维点云数据发送给采集器；具体实施时，激光点云传感器可采用高性能激光雷达，通过激光束在视场内进行非重复式扫描，扫描的区域面积会随着时间增大，生成独特花朵状扫描图案，保真度随时间迅速增加，达到近100％的视场覆盖率，并输出植被群落的三维点云数据。本实施例中采用的激光点云传感器的技术参数如下：激光波长为905nm，探测距离260m，距离精度2cm，角度精度0.05
°
，点云数据率100000点/秒，反射率为80％。每组点云数据包含以下信息：坐标系，可表示为直角坐标系(z,x,y)；目标反射率，以0至255表示，其中0至150表示漫散射为0至100％的模型，150至255对应反光物体的被测物反射率。
28.采集器接收从图像传感器、冠层测高仪、激光点云传感器发送来的植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据，并对这些数据进行存储及发送；作为另外一种实施方式，采集器对这些数据采集后能够进行以下处理：添加时间戳等信息，对原始的植被群落实景图像、植被冠层高度数据、植被群落三维点云数据进行统一命名。作为另一种实施方式，采集器还能够将添加时间戳和统一命名后的数据转换为通用的文件格式保存到数据存储单元中。
29.采集器还通过通讯传输模块将观测区域内的植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据通过无线/有线网络(例如4g网络)实时传输至远程终端。由远程终端对采集器传输过来的植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据进行处理从而获得观测区域内植被群落的长势信息。
30.远程终端获得观测区域内植被群落的长势信息的过程为：将植被群落实景图像、植被冠层高度数据、植被群落三维点云数据送入远程终端的数据处理单元进行处理分析，利用植被群落实景图像分析观测区域内植被群落的季相变化；利用植被冠层高度数据生成
植被冠层分布等高图、三维分布图，分析观测区域内植被群落的结构；利用植被群落三维点云数据创建观测区域内的3d植被群落图像；并综合观测区域内植被群落的季相变化、植被群落的结构和3d植被群落图像获得观测区域内植被群落的长势信息。
31.作为另外一种实施方式，可以在采集器中设置数据处理单元，由数据处理单元实现上述提及的远程终端的具体处理过程，从而获得观测区域内植被群落的长势信息，然后采集器将获得的观测区域内植被群落的长势信息发送给远程终端。
32.下面结合图3对本实施例的植被群落自动观测仪的安装结构和现场实施进行详细介绍。
33.如图3所示，植被群落自动观测仪的主要结构部件包括：激光点云传感器1、冠层测高仪2、图像传感器3、机箱4、避雷装置5、立杆6、第一横臂7、太阳能电池板8、基础9、预留接口10和第二横臂11。
34.现场实施时，在植被群落观测点用混凝土浇筑打下基础9，用于固定立杆6，立杆高6米。激光点云传感器1和冠层测高仪2均安装在立杆5米位置的第一横臂7上，其中激光点云传感器1位于第一横臂7上距立杆2米处(即激光点云传感器1到立杆的水平距离为2米)且与第一横臂成90
°
夹角，按设定时间对植被群落进行非重复式扫描获取植被群落三维点云数据；冠层测高仪2位于第一横臂7上距立杆1米处且与第一横臂成90
°
夹角，按设定时间对植被冠层高度进行扫描测量；图像传感器3安装在立杆4.5米位置的第二横臂11上，以一定的俯视角度对地面一定范围内的植被群落进行观测和图像采集，具体实施时俯视角度为45度左右。其中，第一横臂7的高度大于第二横臂11。
35.采集器、usb传输单元、485数据转换模块、供电系统和lan传输单元等电路元件封装在机箱4内，有利于防水防风防尘，机箱4安装在立杆1.5米位置处。本实施例中，供电系统包括电池箱以及与电池箱连接以向电池箱充电的发电装置，发电装置为太阳能电池板8，太阳能电池板8固定安装在立杆3米位置处。作为其他实施方式，当不需利用太阳能供电时，太阳能电池板可以省略，此时供电系统通过市电为自动观测仪中的用电设备供电。
36.立杆顶端安装有避雷装置5，立杆上还设有至少一个预留接口10，方便对观测仪进行功能扩展。本实施例的通讯传输模块包含无线通讯系统和有线通讯系统，无线通讯系统包括天线和无线通信模块，天线安装在立杆的靠近上端位置。
37.从图3可以看出：本实施例的3种传感器(即图像传感器、激光点云传感器和冠层测高仪)分上下两层设置，其中激光点云传感器和冠层测高仪设置在同一高度上，这样设置的好处是：能利用冠层测高仪标定激光点云传感器的精度，使激光点云传感器获取的植被群落三维点云数据更加精确，从而使构建的3d植被群落图像更加精确，使最终得到的植被群落长势信息更加精确。并且，本实施例采用激光点云传感器能够获取植被群落三维点云数据。后续处理过程中能够基于植被群落三维点云数据获取观测区域内的3d植被群落图像，进而为得到观测区域内植被群落中每株植物的高度和计算得到观测区域内植被群落中所有植物的平均高度提供数据支撑。同时，本实施例令冠层测高仪靠近立杆、激光点云传感器远离立杆，这样设置是考虑到：冠层高度仪具有云台，可以水平、上下调整观测角度，比较灵活，所以安装位置也比较灵活，但是激光点云传感器的观测有效视场角度是固定的，它的观测角度是垂直向下的，发射的激光束是一个圆锥形，为了得到有效的观测范围，避免扫到立杆，就要远离立杆。
38.本实施例中，图像传感器的高度低于激光点云传感器和冠层测高仪，作为其他实施方式，图像传感器的高度可根据要观测的植被高度确定，可以高于激光点云传感器和冠层测高仪，也可以低于激光点云传感器和冠层测高仪；另外，植被群落自动观测仪中各部件的具体安装高度、安装角度和安装位置等均可以根据实际观测区域的实际情况进行调整，不局限与本实施例中给出的具体数值，只要满足激光点云传感器和冠层测高仪设置在同一高度上即可。
39.本实施例的植被群落自动观测仪具备数据存储功能，能够存储最近一段时间(例如三个月)的植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据。作为其他实施方式，植被群落自动观测以还具备管理功能，能够实现数据的检索和查询；本实施例的植被群落自动观测仪可以连接互联网，将获取的植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据通过无线网或有线网传输到远程终端，无需使用者到设备端导出数据，使用简便、快捷。
40.综上所述，利用本实施例的植被群落自动观测仪，能通过非接触式的方式采集植被群落实景图像、植被冠层高度数据和植被群落三维点云数据，作为其他实施方式还能够监测植被群落的长势情况，获得观测区域内植被群落中每株植物的高度，以及植被群落中所有植物的平均高度。所以本实用新型的观测仪抗干扰性强且稳定性高，可以减少人为观测量和人为误差，提高观测效率。
41.以上给出了本实用新型优选的具体实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。例如在不脱离本实用新型原理的前提下，对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，且起到的作用与本实用新型中的相应技术手段基本相同、实现的目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，也应视为本实用新型的保护范围。