一种测量林下灌木及枯落物重量的方法及其装置与流程

本发明属于林下可燃物重量测量技术领域，具体涉及一种测量林下灌木及枯落物重量的方法及其装置。

背景技术：

当前林下可燃物的测量主要采用人工操作方式，一般是统一组织人员将固定面积内的枯落物、杂草以及灌木全部砍伐采集，然后计算每公顷林下可燃物的重量。

此方案缺点有如下几点：

1、需要消耗大量人力完成工作；

2、数据采集工作进展较慢，只在每年固定时间段内进行，数据样本不全面；

3、对操作人员业务能力要求较高，在专业人员匮乏的偏远林区数据准确性难以保证；

4、数据录入过程繁琐，易发生错误，对人员专业性有一定的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测量林下灌木及枯落物重量的方法及其装置，以解决以往需消耗大量人力、过程繁琐、难以实时监测的问题。

为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种测量林下灌木及枯落物重量的方法，包括以下步骤：

s1.在林区内选择测量点，圈定挖掘范围，将范围内的地表植物及枯落物移除收集，并挖掘土壤形成坑洞；

s2.将林下可燃物重量监测装置置于坑洞内，林下可燃物重量监测装置与数据处理终端连接，数据处理终端与云端服务器连接；

s3.将挖掘出的土壤取部分回填到林下可燃物重量监测装置的上方，使林下可燃物重量监测装置的载重表面被回填土壤覆盖；

s4.将土壤湿度传感器插入回填土壤中，并与数据处理终端连接；在地表安装空气温湿度传感器，并与数据处理终端连接；

s5.将步骤s1中收集的地表植物及枯落物放回林下可燃物重量监测装置上的回填土壤上方；

s6.利用云端服务器控制林下可燃物重量监测装置载重数据归零，记录重量数据变化，记录土壤湿度数据变化，联合计算林下可燃物载重数据变化。

作为进一步可选方案，将所述数据处理终端掩埋在坑洞内，数据处理终端的数据收发天线外露于地表。

作为进一步可选方案，所述坑洞的深度为h’，林下可燃物重量监测装置的高度为h，林下可燃物重量监测装置的载重表面直径为d，步骤s3中回填土壤的体积为(h’-h)πd²/4。

本发明还提供一种测量林下灌木及枯落物重量的装置，包括林下可燃物重量监测装置、数据处理终端、云端服务器、土壤湿度传感器、空气温湿度传感器，林下可燃物重量监测装置、土壤湿度传感器和空气温湿度传感器分别与数据处理终端连接，数据处理终端与云端服务器连接。

作为进一步可选方案，所述林下可燃物重量监测装置包括由下至上依次设置的底板、称重传感器和载重托盘；称重传感器为多个，并在底板与载重托盘之间周向间隔分布，称重传感器的检测端与载重托盘固定连接；底板上固定连接有罩设在载重托盘和所有称重传感器外的防尘保护罩，防尘保护罩的顶部开设有通孔，经通孔暴露于外界的载重托盘顶面为载重表面，载重表面与防尘保护罩之间具有间隙。

作为进一步可选方案，所述载重托盘的底面设置有测量载重托盘与地面倾角的姿态传感器。

作为进一步可选方案，所述防尘保护罩外设置有封闭所述间隙的密封圈；密封圈包括径向上依次连接的内圈、弧形凸起部和外圈，内圈和外圈分别固定于载重托盘顶面和防尘保护罩顶面，弧形凸起部高于外圈和内圈。

作为进一步可选方案，所述内圈、弧形凸起部和外圈为一体结构。

作为进一步可选方案，所述密封圈为柔性硅橡胶。

作为进一步可选方案，所述数据处理终端包括数据终端壳体、封闭数据终端壳体的数据终端盖板、连接于数据终端壳体的连接器；数据终端壳体内设置有载重三合一电路板、通信电路板、接线电路板、载重数字变送器；称重传感器通过连接器与载重三合一电路板连接，姿态传感器通过连接器与接线电路板连接；载重三合一电路板、载重数字变送器、接线电路板、及通信电路板依次连接。

作为进一步可选方案，所述数据终端壳体内还设置有电池，通信电路板与电池连接。

作为进一步可选方案，所述通信电路板承载有nb-lot通信模组和北斗卫星通信模组。

本发明的有益效果是：可以测量包含枯叶、枯草、以及不会倒落的枯草及灌木等全部在内的林下可燃物的重量，将测量数据回传到云端平台，工作状况可以远程控制，实现无人值守，无需人工辅助即可正常工作，可以实现数据自动上传到云端平台，可以实现全年段数据监测并上传，可以克服林下复杂、恶劣的自然环境，实现可靠稳定工作。可以提供全年实时监测土壤温湿度及空气温湿度，为云端平台提供森林环境数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的测量林下灌木及枯落物重量的装置安装后的俯视图；

图2是图1中a-a剖视图；

图3是本发明实施例提供的测量林下灌木及枯落物重量的装置中，林下可燃物重量监测装置的结构示意图；

图4是图3所示林下可燃物重量监测装置装有密封圈状态的爆炸图；

图5是图3所示林下可燃物重量监测装置装有密封圈状态的剖视图；

图6是图5中b处放大图；

图7是密封圈弧形凸起部的受力分解图；

图8是本发明实施例提供的测量林下灌木及枯落物重量的装置中，数据处理终端的俯视图；

图9是图8所示数据处理终端的内部结构示意图；

图10是图8中c-c剖视图；

附图标记：1-底板，2-防尘保护罩，3-载重托盘，4-通孔，5-间隙，6-密封圈，7-内圈，8-弧形凸起部，9-外圈，10-称重传感器，11-林下可燃物重量监测装置，12-预埋土层，13-数据处理终端，14-数据收发天线，15-空气温湿度传感器，16-地表枯落物及灌木，17-姿态传感器，18-土壤湿度传感器，19-防水接头，20-数据终端壳体，21-数据终端盖板，22-连接器，23-载重三合一电路板，24-通信电路板，25-接线电路板，26-载重数字变送器，27-安装支架，28-电池，29-安装基板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。

需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供的测量林下灌木及枯落物重量的方法，包括以下步骤：

s1.在林区内选择测量点，圈定挖掘范围，将范围内的地表植物及枯落物移除收集，并挖掘土壤形成坑洞；

s2.将林下可燃物重量监测装置置于坑洞内，林下可燃物重量监测装置与数据处理终端连接，数据处理终端与云端服务器连接；

s3.将挖掘出的土壤取部分回填到林下可燃物重量监测装置的上方，使林下可燃物重量监测装置的载重表面被回填土壤覆盖；

s4.将土壤湿度传感器插入回填土壤中，并与数据处理终端连接；在地表安装空气温湿度传感器，并与数据处理终端连接；

s5.将步骤s1中收集的地表植物及枯落物放回林下可燃物重量监测装置上的回填土壤上方；

s6.利用云端服务器控制林下可燃物重量监测装置载重数据归零，记录重量数据变化，记录土壤湿度数据变化，联合计算林下可燃物载重数据变化。

通过监测单位面积上林下可燃物载量，通过合理的多点布置，联合计算林地每公顷可燃物重量。在挖掘坑洞时尽量不破坏周边植被环境。林下可燃物重量监测装置在坑洞中平放。将数据处理终端掩埋在坑洞内，数据处理终端的数据收发天线外露于地表。

坑洞的深度为h’，林下可燃物重量监测装置的高度为h，林下可燃物重量监测装置的载重表面直径为d，步骤s3中回填土壤的体积为(h’-h)πd²/4。

见图2，本测量方法主要通过将林下可燃物重量监测装置11预埋于地下，其表面覆盖固定重量的预埋土层12，即回填土壤，预埋土层内布置土壤湿度传感器18，可以得到预埋土层及表层植物重量、以及土壤含水率，通过合适的算法，解算出表层植物重量，在枯草期，即为林下可燃物载重数据。

计算方式如下：林下可燃物重量监测装置11的检测数据为p；林下可燃物重量监测装置11上方覆盖土壤重量为m1，即预埋土层12；林下可燃物重量监测装置11上方覆盖土壤干重为m2；表层植物重量为m3；土壤含水率为α；林下可燃物重量监测装置11上方覆盖土壤厚度为h；林下可燃物重量监测装置11的测量半径为r；其函数关系式为：

其中m3为待求未知量，反解即可求出。

图1至图10示出了本实施例提供的一种测量林下灌木及枯落物重量的装置，包括林下可燃物重量监测装置11、数据处理终端13、云端服务器、土壤湿度传感器18、空气温湿度传感器15，林下可燃物重量监测装置11、土壤湿度传感器18和空气温湿度传感器15分别与数据处理终端13连接，数据处理终端13与云端服务器连接。

林下可燃物重量监测装置11用以监测预埋土层12及地表枯落物及灌木16等物的重量，提供重量数据给数据处理终端13，预埋土层12即前述的回填土壤；土壤湿度传感器18用以测量预埋土层12湿度，并将数据传递至数据处理终端13；数据处理终端13接收各传感器数据，经处理发送到云端服务器，同时接收来自云端服务器的数据，控制各传感器工作，还可给所有传感器及部件供电，这样自带能源，可以长时间稳定工作；空气温湿度传感器15测量温度和湿度数据，并将数据传递至数据处理终端13。安装后，数据处理终端13的数据收发天线14外露于地表。

林下可燃物重量监测装置11包括由下至上依次设置的底板1、称重传感器10和载重托盘3；称重传感器10为多个，并在底板1与载重托盘3之间周向间隔分布，称重传感器10的检测端与载重托盘3固定连接；底板1上固定连接有罩设在载重托盘3和所有称重传感器10外的防尘保护罩2，防尘保护罩2的顶部开设有通孔4，经通孔4暴露于外界的载重托盘3顶面为载重表面，载重表面与防尘保护罩2之间具有间隙5。称重传感器10与数据处理终端13连接。

载重托盘3顶面表面积足够大，露出的载重表面即有效面积，用来承接地表枯落物及灌木16等，并将一定面积的枯落物及灌木重量传递到称重传感器10。底板1和防尘保护罩2保护腔体内不进入泥土，与外界隔离，防止杂草等接触传感器，影响测量效果，同时底板1给称重传感器10提供支撑，与防尘保护罩2连接，连接部位密封贴合，共同形成一个中空的腔体，保证称重传感器10工作时不受不相关的力干扰。

载重托盘3的底面设置有测量载重托盘3与地面倾角的姿态传感器17，可以补偿计算载重托盘3非水平状态下的可燃物载量，装置可以安装布置于山坡等环境。称重传感器10用于测量载重托盘3上可燃物重量，多个称重传感器10可周向均布，以保证载重托盘3变形尽可能小。

防尘保护罩2外设置有封闭所述间隙5的密封圈6；密封圈6包括径向上依次连接的内圈7、弧形凸起部8和外圈9，内圈7和外圈9分别固定于载重托盘3顶面和防尘保护罩2顶面，弧形凸起部8高于外圈9和内圈7。通过密封圈6的柔性密封实现了防尘保护罩2与载重托盘3之间间隙5的密封，并且密封的同时不会影响载重托盘3对林下可燃物的重量测量，弧形凸起部8即朝防尘保护罩2外部凸起，截面为外凸的弧形。内圈7、弧形凸起部8和外圈9可为一体结构。

底板1和防尘保护罩2之间通过结构的紧密贴合，用螺钉压合即可。结构中载重托盘3是一个单独的测量单元，即除了与称重传感器10连接，不可以与任何其他结构、非测量物质(杂草、泥沙等)有刚性接触，防尘保护罩2和载重托盘3之间的间隙5保障了这一点，此间隙5在户外环境极容易被泥沙和杂草侵入，而密封圈6分别与防尘保护罩2、载重托盘3紧密贴合，但其结构形式又能保证上述两者之间没有称重方向上你的力的传递，从而保证了既消除间隙5带来的外物入侵影响，又维持载重托盘3为单独的测量单元之目的。

密封圈6起到密封防止颗粒物侵入的目的，如图5、图6，此结构可以保证载重托盘3与防尘保护罩2之间有相对位移时，称重方向不进行力的传递，材料可采用柔性硅橡胶。弧形凸起部8高于任何一个接触面，当载重托盘3上下移动时(位移很小)，密封圈6形变位置为圆弧顶部，且沿切线方向，外圈9与防尘保护罩2贴合，无相对位移，内圈7与载重托盘3贴合，当载重托盘3上下移动时，由于位移很小，密封圈6形变位置位于其圆弧顶端，受力方向沿切向，如图7所示，切向力的分力大部分为水平方向力，此力对只测量垂直方向力的载重托盘3无任何影响，而对其有影响的垂直反向分力很小，在测量误差范围以内可以忽略不计。该密封圈区别于传统靠压合力保证密封的方法，做到了两部件之间垂向力的传导足够微弱，该力不会影响系统的运行，完全可以忽略不计，以保障测量精度。

本装置还包括数据处理终端，称重传感器10和姿态传感器19均与数据处理终端连接。可将各称重传感器10和姿态传感器19的连接线转换为一组连接线，与数据处理终端连接。见图8至图10，数据处理终端包括数据终端壳体20、封闭数据终端壳体20的数据终端盖板21、连接于数据终端壳体20的连接器22；数据终端壳体20内设置有载重三合一电路板23、通信电路板24、接线电路板25、载重数字变送器26；称重传感器10通过连接器22与载重三合一电路板23连接，姿态传感器19通过连接器22与接线电路板25连接；载重三合一电路板23、载重数字变送器26、接线电路板25、及通信电路板24依次连接。

通信电路板24连接数据收发天线14，数据收发天线14通过防水接头19安装在数据终端壳体20上。数据终端壳体20内还设置有电池28，通信电路板24与电池28连接，通过其电源管理芯片处理，分配合适的电压给称重传感器10和姿态传感器19，自带电源，工作稳定。通信电路板24承载有nb-lot通信模组和北斗卫星通信模组，拥有nb-lot通信和北斗卫星通信双模通信方式，可以无视环境的网络环境，做到全场景工作。

数据终端壳体20用于承载保护整个数据处理部分，其四周有开孔，分别与连接器22、防水接头19连接，上端开阔部分与数据终端盖板21连接，共同形成一个密闭整体，达到ip68级别的防水防尘。数据终端盖板21用来防水防尘，保护内部电路和结构。

连接器22与数据终端壳体20两者之间可设置有防水胶垫。安装基板29固定在数据终端壳体20内用于承载数据终端内部全部电路和结构。电池28与安装基板29粘合连接，给通信电路板24提供电源。安装支架27与安装基板29固定连接，用来承载载重三合一电路板23、通信电路板24、接线电路板25。

载重三合一电路板23与连接器22导线连接，连通各称重传感器10，将各路电压信号处理合并为一路，连通到载重数字变送器26。载重数字变送器26将称重传感器10电压模拟信号放大并转换为数字信号，得到测量数值，将测量数值传递到接线电路板25。接线电路板25将数字变送器与姿态传感器19的测量数据传递到通信电路板24；通信电路板24读取的称重传感器10测量数据、姿态传感器19测量数据传递到数据收发天线14；通过数据收发天线14将采集到的数据发送到云端服务器。数据处理终端可拥有多扩展口，可以拓展其他测量林下温湿度、可燃气体等火灾因子的传感器。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。