地表植被参数监测装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及植被监测领域，具体涉及一种地表植被参数监测装置及系统。


背景技术：

2.叶面积指数(lai)，亦称叶面积系数，是指单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数，是表示植被利用光能状况和冠层结构的一个综合指标。在生态学中，叶面积指数是生态系统的一个重要结构参数，用来反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层表面物质和能量交换的描述提供结构化的定量信息，并在生态系统碳积累、植被生产力和土壤、植物、大气间相互作用的能量平衡，以及植被遥感等方面起重要作用。
3.叶面积指数的测量最直接的做法是将一平米作物全部破坏取回实验室，进行叶面积测量，然后统计总的叶片面积，根据统计结果得到叶面积指数，但这种方法对于有些作物比较困难。鉴于此，现有技术中提供了一些间接测定方法及相应的测量仪器，比如基于遥感图像(通过遥感图像数据建立模型来计算叶面积指数)的方法、基于辐射测量的方法(通过测量辐射透过率来计算叶面积指数。无论是基于遥感图像还是基于辐射测量的方法，都还存在一定的不足，主要体现在以下几方面：
4.1)容易受到天气影响，比如基于遥感图像的方法测量时需要均一的光环境，基于辐射测量的方法测量时需要在晴天下工作；
5.2)地面测量仪器大都采用手持式的测量方式，人工成本高。
6.3)无法做到实时在线的数据采集及监测。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种地表植被参数监测装置及系统，可以实现对地表植被自动、连续、全天候的数据采集。
8.为此，本实用新型提供如下技术方案：
9.一种地表植被参数监测装置，所述装置包括：
10.数据采集器，分别与所述数据采集器连接的多个激光雷达、存储器，为所述数据采集器及所述激光雷达供电的电源模块；所述数据采集器及所述电源模块安装在机箱内，所述机箱以可拆卸方式安装在具有一定高度的支架上，所述支架固定在植被监测区域的地面上；
11.所述激光雷达，用于持续对地表目标植被进行点云扫描；
12.所述数据采集器，用于获取各激光雷达输出的点云数据，并将所述点云数据保存到所述存储器。
13.可选地，所述激光雷达以可拆卸方式安装在所述支架上，并与所述数据采集器通过数据线连接；或者所述激光雷达以可拆卸方式安装在远离所述支架的支撑物上，并与所述数据采集器无线连接。
14.可选地，所述多个激光雷达包括以下任意一种或多种：三维激光雷达、垂直激光雷达、水平激光雷达。
15.可选地，所述激光雷达的水平扫描角度为10～90度，垂直扫描角度为10～90度，探测距离为4～6000米。
16.可选地，所述电源模块为可交流充电的蓄电池、或者为可太阳能充电的蓄电池。
17.可选地，所述装置还包括：一个或多个与所述数据采集器连接的多光谱相机，用于按照设定时间间隔采集地表目标植被的不同光谱带的图像；
18.所述数据采集器还用于获取所述多光谱相机输出的图像数据，并将所述图像数据保存到所述存储器。
19.一种地表植被参数监测系统，所述系统包括：前面所述的地表植被参数监测装置、以及与所述地表植被参数监测装置通过无线通信网络连接的远程数据处理设备；
20.所述地表植被参数监测装置将获取的点云数据定时上传给所述远程数据处理设备；
21.所述远程数据处理设备根据所述点云数据生成对应的云图，并计算得到地表植被参数。
22.可选地，所述地表植被参数监测装置通过广播方式上传所述点云数据。
23.可选地，所述地表植被参数至少包括：叶面积指数。
24.可选地，所述地表植被参数监测装置还包括：一个或多个与所述数据采集器连接的多光谱相机，用于按照设定时间间隔采集地表目标植被的不同光谱带的照片；
25.所述数据采集器还用于获取所述多光谱相机输出的图像数据，并将所述图像数据定时上传给所述远程数据处理设备；
26.所述远程数据处理设备综合利用所述点云数据和所述图像数据确定地表植被参数。
27.本实用新型提供的地表植被参数监测装置及系统，在植被监测区域的地面固定一定高度的支架，将数据采集器放置在机箱内并以可拆卸方式安装在支架上，利用与所述数据采集模块连接的多个激光雷达按照设定时间间隔对地表目标植被进行点云扫描并将点云数据传送给数据采集器，数据采集器将获取的各激光雷达输出的点云数据保存到存储器，可以实现对地表植被自动、连续、全天候的数据采集，进而可以利用这些数据更准确、及时地确定地表植被参数，为科研人员了解植被生长状态、进行生态系统研究等工作提供有效信息。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本实用新型地表植被参数监测装置的原理框图；
30.图2是本实用新型地表植被参数监测装置在森林监测应用中激光雷达的安装示意图；
31.图3是本实用新型地表植被参数监测装置在森林监测应用中激光雷达的安装示意
图；
32.图4是本实用新型地表植被参数监测装置在森林监测应用中激光雷达的安装示意图；
33.图5是本实用新型地表植被参数监测系统的一种组网结构示意图；
34.图6是本实用新型地表植被参数监测系统的一种应用示意图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型实施例作进一步的详细说明。
36.针对现有的叶面积指数相关测量仪器存在的一些问题，本实用新型提供一种地表植被参数监测装置，如图1所示，是该装置的一种结构框图。
37.在该实施例中，所述装置包括：
38.数据采集器，分别与所述数据采集器连接的多个激光雷达、存储器，为所述数据采集器供电的电源模块；所述数据采集器及所述电源模块设置在机箱内，所述机箱以可拆卸方式安装在具有一定高度的支架上，所述支架固定在植被监测区域的地面上。
39.在实际应用中，所述支架的高度可以根据被测植被的高低不同来确定，主要是考虑要保证安装在所述支架上的激光雷达的扫描范围。比如可与被测植被顶端保持4米以上距离。
40.所述激光雷达的数量及安装位置可以根据被测植被区域大小、被测植被种类等确定，比如，所述激光雷达以可拆卸方式安装在所述支架上或安装在机箱外部，并与所述数据采集器通过数据线连接，比如在机箱上设置相应的通孔，使数据线穿过所述通孔连接数据采集器和激光雷达；或者所述激光雷达以可拆卸方式安装在远离所述支架的支撑物(比如，电线杆、铁塔等)上，并与所述数据采集器无线连接。
41.另外，根据被测植被种类的不同，可以选用不同类型及参数的激光雷达，比如：三维激光雷达、垂直激光雷达、水平激光雷达。比如，在一种具体应用中，可选用具有以下参数的激光雷达：水平扫描角度为10～90度，垂直扫描角度为10～90度，探测距离为4～6000米。当然，也可以针对植被多种不同参数的采集，综合选用一种或多种类型及参数的激光雷达，对此本实用新型不做限定。
42.需要说明的是，所述激光雷达的供电可以由设置在机箱内的电源模块供电；也可以由其自他电源供电，比如，激光雷达的安装位置距离所述机箱较远或者激光雷达所在的空间不便于向所述机箱内的电源模块引线的情况，对此本实用新型不做限定。
43.在实际应用中，所述电源模块具体可以采用所述电源模块为可交流充电的蓄电池、或者为可太阳能充电的蓄电池。
44.在该地表植被参数监测装置中，所述激光雷达用于按照设定时间间隔对地表目标植被进行点云扫描，并将点云数据通过无线或有线方式传送给所述数据采集器。相应地，所述数据采集器获取各激光雷达输出的点云数据，并将所述点云数据保存到所述存储器。
45.激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达装置，通常由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成，其工作原理是以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激
光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，对这些数据做适当处理后就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。
46.需要说明的是，在实际应用中，针对某一目标植被的监测，可以根据植被类型、监测面积及地形地貌等情况综合考虑，选择一个或多个节点来布设上述装置。具体可以采用以下布设原则：30m*30m的一个样方范围内布置一到三个节点即可；大面积可根据实际情况划分为多个小样方按照以上原则布设。比如：
47.对于农田和草原类型下垫面，可以布置1～2个，也可以根据下垫面的均匀情况可以适当多布设。
48.对于高的农作物，比如玉米、高粱、向日葵等，可以布置2～3个。
49.森林是一个叶面积指数测量的重点和难点，可以布设4～5个，其中，在观察铁塔上部布设1～2个激光雷达，其激光面向下垂直安装，如图2所示，用于获取树木的上部轮廓点云数据；侧面布设1～2个激光雷达，其激光面水平安装，如图3所示，用于获取森林的横向轮廓点云数据，可以有效的计算树木的胸径和树高。另外，对于植被比较高的森林的测量，比如冠层高于4米以上的，还可以在地面朝上布设1～2个激光雷达，如图4所示，用于获取准确的树木下表面轮廓点云数据。
50.本实用新型提供的地表植被参数监测装置，利用激光雷达对地表植被表面进行密集采样，产生高精度的三维x,y,z测量值，即点云数据。所述点云数据是指扫描资料以点的形式记录，每一个点包含有三维坐标，点云数据还含有反射强度信息(intensity)。用这些数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。
51.利用本实用新型地表植被参数监测装置，可以实现对地表植被自动、连续、全天候的数据采集，进而可以利用这些数据更准确、及时地确定地表植被参数，为科研人员了解植被生长状态、进行生态系统研究等工作提供有效信息，比如，根据各激光雷达采集的数据，可精确地估算森林结构参数，如树高、冠幅、冠层郁闭度、叶面积指数、胸径、冠层间隙率、覆盖度、地上生物量等。
52.进一步地，在本实用新型地表植被参数监测装置另一实施例中，还可包括一个或多个与所述数据采集器连接的多光谱相机。类似的，所述多光谱相机与所述数据采集器的连接方式可以是有线连接或无线连接，对此不做限定。多光谱照相是指在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其同时分别接收同一目标在不同窄光谱带上所辐射或反射的信息，即可得到监测目标的多张不同光谱带的图像。在实际应用中，所述多光谱相机可以采用：多镜头型多光谱照相机、多相机型多光谱照相机、光束分离型多光谱照相机等类型，或者同时选用多种不同类型的多光谱相机，对此不做限定。
53.在该实施例中，所述多光谱相机用于按照设定时间间隔采集地表目标植被的不同光谱带的图像，并将采集的图像数据传送给所述数据采集器。相应地，所述数据采集器还用于获取所述多光谱相机输出的图像数据，并将所述图像数据保存到所述存储器。
54.利用本实用新型提供的地表植被参数监测装置，可以实现对地表植被自动、连续、全天候的数据采集，而且不仅可以得到目标植被的点云数据，而且还可得到目标植被不同光谱带的图像，使采集的数据更丰富，从而利用这些数据可以更准确地确定地表植被参数，
为科研人员了解植被生长状态、进行生态系统研究等工作提供有效信息。
55.基于上述地表植被参数监测装置，本实用新型还提供一种地表植被参数监测系统，如图5所示，是该系统的一种组网结构示意图。
56.该系统包括上述地表植被参数监测装置、以及与所述地表植被参数监测装置通过无线通信网络连接的远程数据处理设备。
57.在该系统中，所述地表植被参数监测装置将获取的点云数据定时上传给所述远程数据处理设备，当然，在所述地表植被参数监测装置中设置有多光谱相机的情况下，还需要将多光谱相机采集的图像数据定时上传给所述远程数据处理设备。相应地，所述远程数据处理设备根据所述点云数据生成对应的云图，并计算得到地表植被参数，所述地表植被参数，比如植被高度、叶面积指数、冠层间隙率、覆盖度等，具体计算方式可采用现有的相关技术，对此不做限定。
58.所述地表植被参数监测装置与所述远程数据处理设备之间可以借助无线网络进行数据传输，比如所述地表植被参数监测装置可以通过广播方式上传相应数据。
59.需要说明的是，在实际应用中，所述远程数据处理设备可以安放在监控中心，所述地表植被参数监测装置可以设置在被监测植被所在区域，而且可以有多个，分别设置在被监测植被所在的不同区域。当然，用于对不同类型植被监测的上述地表植被参数监测装置，也可以同时接入所述监控中心的远程数据处理设备。如图6所示，设置在不同站点、分别用于监测森林、农田、草原植被状况的数据采集器，通过多种无线网络向设置在监控中心的远程数据处理设备上传采集的目标植被的数据信息，所述远程数据处理设备对这些数据进行处理、计算，得到不同区域植被参数。
60.以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本实用新型进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及装置；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。