一种小气候监测系统及基于此系统监测天然牧草的方法

摘要

本发明是一种小气候监测系统及基于此系统监测天然牧草的方法，涉及草原生态与牧业气象自动监测领域。该系统包括：数据监控服务器，牧草长势监测子系统、气象要素监测子系统、土壤温湿度监测子系统、无线通信设备和数据采集设备；通过所述无线通信设备，所述数据监控服务器与所述数据采集设备无线连接，所述数据采集设备分别与所述牧草长势监测子系统、所述气象要素监测子系统和所述土壤温湿度监测子系统有线连接本发明解决了现有以人工观测草原生态气象观测的方法存在的观测点与台站距离较远，观测不方便，费工、费时、费力，同时，因为人工观测的主观性较大，生态观测数据误差较大，观测数据频率低的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及草原生态与牧业气象自动监测领域，尤其涉及一种小气候监测 系统及基于此系统监测天然牧草的方法。

背景技术

锡林郭勒盟总土地面积为20.3万km²，全盟有13个草原生态观测站，草原生 态观测业务已运行多年，取得大量观测资料。现有以人工观测草原生态气象观 测的方法存在以下不足：现有的观测点与台站距离较远，观测不方便，费工、 费时、费力，同时，因为人工观测的主观性较大，生态观测数据误差较大，观 测数据频率低。

因为草原生态观测是对草原生态研究的重要基础，所以人工观测草原生态 气象的手段，已经不能满足相关科学研究和重大决策服务等方面对草原生态气 象基础数据的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小气候监测系统及基于此系统监测天然牧草的 方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明的一种小气候监测系统，采用的技术方案如下： 该系统包括：数据监控服务器，牧草长势监测子系统、气象要素监测子系统、 土壤温湿度监测子系统、无线通信设备和数据采集设备；通过所述无线通信设 备，所述数据监控服务器与所述数据采集设备无线连接，所述数据采集设备分 别与所述牧草长势监测子系统、所述气象要素监测子系统和所述土壤温湿度监 测子系统有线连接；

所述数据监控服务器，用于调控所述牧草长势监测子系统、所述气象要素监 测子系统和所述土壤温湿度监测子系统的监测，并负责显示上述三个子系统传 送的数据；

所述数据采集设备，采集所述气象要素监测子系统和所述土壤温湿度监测子 系统中的传感器测得的电信号数值，且将其转换成气象数据存储并传递给所述 数据监控服务器；同时，还负责将所述牧草长势监测子系统发送的天然牧草观 测区的数字图像，传递给所述数据监控服务器；

所述牧草长势监测子系统，用于获取所述天然牧草观测区中天然牧草的数字 图像；

所述气象要素监测子系统，用于监测所述天然牧草观测区的气象要素；

所述土壤温湿度监测子系统，用于监测所述天然牧草观测区的土壤因子。

优选地，所述气象要素监测子系统包括：从支架顶端向下依次固定在所述支 架上的风速风向传感器、辐射传感器、供电设备和气压计，在所述支架上还固 定设置与所述风速风向传感器相对于所述支架对称设置的第一温湿度传感器， 所述支架固定在地面上；在所述供电设备和所述气压计之间的所述支架上还固 定有对称设置的风速传感器和第二温湿度传感器；其中，通过所述数据采集设 备，所述供电设备分别向所述风速风向传感器、所述第一温湿度传感器、所述 辐射传感器、所述风速传感器和所述第二温湿度传感器供电；

所述气象要素监测子系统还包括：雨量计，所述雨量计固定设置在距离所述 支架2～4m的地面上。

优选地，所述数据采集设备固定在所述气象要素监测子系统的支架上，并且 固定在所述风速传感器和所述第二温湿度传感器的下端。

优选地，所述牧草长势监测子系统包括：高清网络摄像机和第一数据采集器； 所述高清网络摄像机与所述第一数据采集器有线连接；所述第一数据采集器与 所述数据采集设备有线连接；

所述高清网络摄像机用于实时获取所述天然牧草观测区的牧草图片，并将获 得的牧草图片出送给所述第一数据采集器，由所述第一数据采集器将所述牧草 图片传送给所述数据采集设备。

优选地，所述土壤温湿度监测子系统包括：土壤温度传感器和土壤湿度传感 器；所述土壤温度传感器和所述土壤湿度传感器分别与所述数据采集设备有线 连接。

本发明的一种基于小气候监测系统监测天然牧草的方法，包括以下步骤：

S1、采用高清网络摄像机，实时获取天然牧草观测区的牧草高度和盖度的图 像；

S2、将获取的图像传送到数据监控服务器，计算牧草高度和牧草盖度；

S3、根据下述公式(1)计算所述天然牧草观测区的牧草地上生物量；

Y＝6.887X^0.88   (1)

其中，所述Y为所述天然牧草观测区中牧草地上生物量，单位千克/公顷，所 述X为所述天然牧草观测区中牧草高度和牧草盖度的乘积。

优选地，步骤S1具体方法为：所述高清网络摄像机采用近景摄影测量法，利 用CCD成像，获取所述天然牧草观测区的牧草高度和盖度的图像。

优选地，步骤S2中，所述牧草高度是按照公式(2)进行计算：

$H=h+\frac{L}{a+m}(b-h)---\left(2\right);$

其中，H表示所述天然牧草观测区中牧草的平均高度，单位cm；所述h表示 从所述天然牧草观测区的牧草高度图片中标尺测量牧草的高度，单位cm；所述L 表示所述牧草与所述标尺的距离，单位cm；所述a表示所述天然牧草观测区与所 述高清网络摄像机的最短水平距离，单位cm；所述b表示所述高清网络摄像机到 所述地面的垂直距离，单位cm；所述m表示正方形所述天然牧草观测区的边长， 单位cm。

优选地，步骤S2中，所述牧草盖度是按照下述方法获取：

首先对步骤S1中获取所述天然牧草观测区域盖度的图像进行几何校正和图 像裁剪处理，然后基于像元二分模型，获取处理过的图像中的地物像元的信息， 接着设定红、绿、蓝三原色的阈值，通过所述处理过的图像中牧草和背景特征 来分析并获取所述处理过的图像上的牧草的像素点和所述处理过的图像总像素 点数，将所述牧草像素点数与所述总像素点数做比值，得到的百分比即为牧草 的盖度。

优选地，在步骤S3之后还存在以下步骤：数据监控服务器将步骤S3得到的 所述天然牧草观测区中的牧草的地上生物量和与其相对应时刻的气象要素制作 成表格显示在所述数据监控服务器的显示界面上。

本发明的有益效果是：

本发明的系统利用高清网络摄像技术、气象传感器技术、数据采集技术、 无线通讯技术和太阳能供电，实现对草原生态气象的自动化观测。本发明用于 监测天然牧草生长发育的小气候监测系统，解决人工观测的各种弊端，如监测 站点距离远，观测起来费事费力费工，人工观测主观性较大，生态观测数据误 差较大，观测数据频率低等问题。该系统的研发，充分解决了以上的弊端，实 现观测数据实施监测，观测要素全面，省时省力，对提高生态观测资料的客观 性、数据质量和减轻观测人员劳动气强度、提高观测效率等具有重要意义。

本发明用于监测天然牧草生长发育的小气候监测系统结构简单，功能强大， 监测的要素指标全面，数据采集量大，解决了传统人工进行生态观测的诸多弊 端，数据采集科学准确，数据分析自动明了，监控系统简单易学。本发明监测 获取的数据提高生态观测资料的客观性、数据质量和减轻观测人员劳动气强度、 提高观测效率，对于草原生态观测业务来说有了飞跃的进步，填补了草原生态 监测领域自动化的空白。

附图说明

图1是实施例1中所述小气候监测系统的结构示意图；

图2是实施例1中所述牧草长势监测子系统的示意图；1-1表示第一数据采集 器，1-2表示高清网络摄像机，1-3表示高清网络摄像机，1-4表示摄像机支架；

图3是实施例1中所述气象要素监测子系统和所述土壤温湿度监测子系统的 示意图，2-1表示支架，2-2表示风速风向传感器，2-3表示第一温湿度传感器， 2-4表示辐射传感器，2-5表示供电设备，2-6表示风速传感器，2-8表示第二温湿 度传感器，2-9表示雨量计，2-10表示气压计，3-1表示土壤温度传感器，3-2表示 土壤水分传感器，4表示数据采集设备；

图4是实施例2中采用获取所述天然牧草观测区的计算牧草高度图示；其中， A点表示横向安置的高清网络摄像机。

图5是实施例2中采用获取所述天然牧草观测区的计算牧草盖度图示；

图6是实施例2中所述公式(1)的曲线图；其中，横坐标表示牧草高度盖度 的乘积，单位cm·％，所述纵坐标表示牧草的生物量，单位kg/ha；图中的曲线 表示公式(1)的曲线走向，图中的菱形点表示牧草高度盖度乘积与牧草生物量 形成的坐标点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参照图1，一种小气候监测系统，该系统包括：数据监控服务器，牧草长势 监测子系统、气象要素监测子系统、土壤温湿度监测子系统、无线通信设备和 数据采集设备；通过所述无线通信设备，所述数据监控服务器与所述数据采集 设备无线连接，所述数据采集设备分别与所述牧草长势监测子系统、所述气象 要素监测子系统和所述土壤温湿度监测子系统有线连接。

所述数据监控服务器，用于调控所述牧草长势监测子系统、所述气象要素监 测子系统和所述土壤温湿度监测子系统的监测，并对上述三个子系统传送的数 据进行处理和负责显示上述数据处理的结果；所述牧草长势监测子系统，用于 监测识别天然牧草高度、盖度、返青期、开花期、结实期、黄枯期以及天然牧 草种类等生态信息所述气象要素监测子系统，用于监测牧草观测区的气象要素； 所述气象要素包括：气温、降水、风速风向、相对湿度、气压和光合有效辐射； 所述土壤温湿度监测子系统，用于监测牧草观测区的土壤因子，所述土壤因子 包括：土壤温度和土壤湿度；所述数据采集设备定时对所述气象要素监测子系 统和所述土壤温湿度监测子系统中的传感器测得的电压值，电流值，电阻值， 脉冲信号进行采集，且将其转换成气象数据存储并传递给所述数据监控服务器； 同时，还负责将所述牧草长势监测子系统发送的天然牧草观测区的数字图像， 传递给所述数据监控服务器；同时，还接收并存储所述牧草长势监测子系统传 递的所述天然牧草观测区的数字图像，并将存储的数据通过无线通信实时传递 给所述数据监控服务器。

本实施例中，所述气象要素监测子系统包括：从支架2-1顶端向下依次固定 在所述支架2-1上的风速风向传感器2-2、辐射传感器2-4、供电设备2-5和气压计 2-10，在所述支架2-1上还固定设置与所述风速风向传感器2-2相对于所述支架2-1 对称设置的第一温湿度传感器2-3，所述支架2-1固定在地面上；在所述供电设备 2-5和所述气压计2-10之间的支架上还固定有对称设置的风速传感器2-6和第二 温湿度传感器2-8；其中，通过所述数据采集设备4，所述供电设备2-5分别向所 述风速风向传感器2-2、所述第一温湿度传感器2-3、所述辐射传感器2-4、所述 风速传感器2-6和所述第二温湿度传感器2-8供电，更具体说明为：所述供电设备 2-5的电源线连接所述数据采集设备4，向所述数据采集设备4供电，同时所述数 据采集设备4还通过电源线与所述风速风向传感器2-2、所述第一温湿度传感器 2-3、所述辐射传感器2-4、所述风速传感器2-6和所述第二温湿度传感器2-8连接 以达到控制并向各个传感器供电的目的，所以在本实施例中所述数据采集器不 仅具有控制采集各个传感器测定数据的作用，还具有向各个传感器供电的作用。 所述气象要素监测子系统还包括：雨量计2-9，所述雨量计2-9固定设置在距离所 述支架3.5m的地面上。所述气象要素监测子系统中的各个设备实施监控所述天 然牧草观测区周围的气象要素：气温、降水、风速风向、相对湿度、气压和光 合有效辐射，并将测得的气象要素实时传递给所述数据采集设备。所述供电设 备2-5包括太阳能板和蓄电池，所述太阳能板将收集到的太阳能转化为电能存储 在所述蓄电池中对所述气象要素监测子系统中的设备和所述数据采集器供电。

本实施例中，所述风速传感器2-6和所述风速风向传感器2-2的位置可以互换， 因为本实施例中所述支架2-1高度为3m-4m，如本领域的技术人员公知，所述风 速风向传感器2-2可以与所述风速传感器2-6的位置互换，而不会对风向的测量结 果产生影响。

本实施例中，所述数据采集设备4固定在所述气象要素监测子系统的支架2-1 上，并且固定在所述风速传感器2-6和所述第二温湿度传感器2-8的下端。

本实施例中，所述牧草长势监测子系统包括：高清网络摄像机和第一数据采 集器1-1；所述高清网络摄像机与所述第一数据采集器1-1有线连接，所述高清网 络摄像机和所述第一数据采集器1-1固定在所述摄像机支架1-4上。所述第一数据 采集器1-1与所述数据采集设备4连接；所述第一数据采集器1-1采集所述高清网 络摄像机实时拍摄的牧草数字图片，然后通过所述数据存储设备4传送给所述数 据监测服务器。

本实施例中，所述高清网络摄像机在所述天然牧草观测区分别采取横向安装 和纵向安装；通过所述横向安装的高清网络摄像机拍摄的数字图像获取牧草的 高度，通过所述纵向安装的高清网络摄像机拍摄的数字图像获取牧草的盖度。 具体为：所述纵向安装的高清网络摄像机1-3安装在距离地面2.0m处，且摄像头 垂直纵向朝向天然牧草观测区地面设置，获取所述牧草观测区的牧草覆盖度图 像；所述横向安装的高清网络摄像机1-2安装在距离地面0.5m处，且摄像头平行 横向所述天然牧草观测区地面设置，获取所述牧草观测区的牧草高度图像。在 与横向安装所述高清网络摄像机相对的所述天然牧草观测区的一侧安装测量 尺。

本实施例中，所述土壤温湿度监测子系统包括：土壤温度传感器3-1和土壤 湿度传感器3-2；所述土壤温度传感器3-1和所述土壤湿度传感器3-2分别与所述 数据采集设备4有线连接。其中，利用土壤温度传感器3-1监测不同层次土壤的温 度，并且实时将收集到土壤温度的数据传输给所述数据采集设备4；所述土壤湿 度传感器3-2直接插入所述气象要素监测子系统所在的土壤中，并且实时将收集 到土壤湿度的数据传输给所述数据采集设备4。

本实施例中，所述小气候监测系统的安装场地选择能够代表所在区域生态状 况的平坦地域，场地通信良好且所述天然牧草观测区是边长为1m的正方形观测 区。

本实施例中，所述小气候监测系统的数据传输采用GPRS无线传输，购置数 据流量卡保障数据的传输。所述小气候监测系统的可以进行远程监控，在有互 联网的地方可以随时登陆到系统进行访问，动态了解生态系统现状。根据需要 自行设定测量牧草高度和牧草盖度的高清网络摄像机的工作时间以及拍摄照片 次数，在程序控制下自动启动和关闭，节省能耗。

实施例2：

一种基于小气候监测系统监测天然牧草的方法，基于实施例1中所述小气候 监测系统监测天然牧草的方法，包括以下步骤：

S1、使用高清网络摄像机，采用近景摄影测量法，利用CCD成像，实时获取 所述天然牧草观测区的牧草高度和盖度的图像；

S2、将获取的图像传送到数据监控服务器，计算牧草高度和牧草盖度；

S3、根据下述公式(1)计算所述天然牧草观测区的牧草地上生物量；

Y＝6.887X^0.88   (1)

其中，所述Y为所述天然牧草观测区天然牧草地上生物量，单位千克/公顷， 所述X为所述天然牧草观测区牧草高度和牧草盖度的乘积。

参照图4，步骤S2中，所述牧草高度是按照公式(2)进行计算：

$H=h+\frac{L}{a+m}(b-h)---\left(2\right);$

其中，H表示所述天然牧草观测区中牧草的平均高度，单位cm；所述h表示 从所述天然牧草观测区的牧草高度图片中标尺测量牧草的高度，单位cm；所述L 表示所述牧草与所述标尺的距离，单位cm；所述a表示所述天然牧草观测区与所 述高清网络摄像机的最短水平距离，单位cm；所述b表示所述高清网络摄像机到 所述地面的垂直距离，单位cm；所述m表示正方形所述天然牧草观测区的边长， 单位cm，在本实施例中，所述天然牧草观测区是边长100cm的正方形。

参照图5，步骤S2中，所述牧草盖度是按照下述方法获取：

首先对步骤S1中获取所述天然牧草观测区盖度的图像进行几何校正和图像 裁剪处理，然后基于像元二分模型，获取处理过的图像中的地物像元的信息， 接着设定红、绿、蓝三原色的阈值，通过所述处理过的图像中牧草和背景特征 来分析并获取所述处理过的图像上的牧草的像素点和所述处理过的图像总像素 点数，将所述牧草像素点数与所述总像素点数做比值，得到的百分比即为牧草 的盖度。

更具体的解释：假设一个像元的信息由植被和非植被两部分组成，像元的光 谱特征由这两部分贡献的信息线性加权而成。数码相机所拍摄的相片是由红、 绿、蓝三基色构成的。因此，相片中的三基色信息也是由植被部分和非植被部 分的三基色信息线性加权而成，植被和非植被的权重是各自的面积在样方中所 占的比率。因此，草地植被盖度就可以看作是植被像元在样方中的权重。根据 草地植被盖度的定义，盖度是样地中全部植物个体的地上部分垂直投影面积所 占的百分数，即为图像中植被所占的像元个数占样方总像元个数的百分比，所 以本实施例中将数字图像中所述牧草像素点数与所述总像素点数做比值作为该 天然牧草监测区中牧草的盖度。

参照图6，图6为本发明中天然牧草地生生物量估测模型，即步骤S3中所述公 式Y＝6.887X^0.88的曲线图，其中公式Y＝6.887X^0.88的R²＝0.816。

在本实施例中，步骤S3之后还存在以下步骤：数据监控服务器将步骤S3得到 的所述天然牧草观测区中的牧草的地上生物量和与其相对应时刻的气象要素制 作成表格显示在所述数据监控服务器的显示界面上。

在本实施例中，所述小气候监测系统与所述天然牧草观测区的位置关系为： 所述天然牧草观测区位于所述小气候监测系统的北方向上，所述小气候监测系 统与所述天然牧草观测区由数据采集设备和第一数据采集器之间的连接线决 定。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明的系统利用高清网络摄像技术、气象传感器技术、数据采集技术、 无线通讯技术和太阳能供电，实现对草原生态气象的自动化观测。本发明用于 监测天然牧草生长发育的小气候监测系统，解决人工观测的各种弊端，如监测 站点距离远，观测起来费事费力费工，人工观测主观性较大，生态观测数据误 差较大，观测数据频率低等问题。该系统的研发，充分解决了以上的弊端，实 现观测数据实施监测，观测要素全面，省时省力，对提高生态观测资料的客观 性、数据质量和减轻观测人员劳动气强度、提高观测效率等具有重要意义。

本发明用于监测天然牧草生长发育的小气候监测系统结构简单，功能强大， 监测的要素指标全面，数据采集量大，解决了传统人工进行生态观测的诸多弊 端，数据采集科学准确，数据分析自动明了，监控系统简单易学。本发明监测 获取的数据提高生态观测资料的客观性、数据质量和减轻观测人员劳动气强度、 提高观测效率，对于草原生态观测业务来说有了飞跃的进步，填补了草原生态 监测领域自动化的空白。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也应视本发明的保护范围。