一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置与方法

1.本发明属于植物物候观测技术领域，具体涉及一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置与方法。


背景技术：

2.物候是指植物周期性的生长事件，已经成为陆地气候变化研究中的重要指标，如何自动化、智能化、长期性的客观记录单株活立木的详细物候变化过程有待深入研究。活立木地面生物量随时间周期性变化，不同生物量的活立木受风吹扰动的加速度和幅度不同，可以作为分析活立木物候节律的重要指示信息。
3.如申请号为cn202021657201.6的中国专利，其公开了一种植物物候监测设备，包括支撑柱，所述支撑柱的顶部固定连接有承接板，所述支撑柱外侧的底部铰接有环形分布的安装组件，所述承接板的右侧固定安装有存储控制器，所述承接板内部的左右两侧均开设有凹槽，两个所述凹槽之间插接与透明板，所述承接板内侧的背面固定连接有连接杆，所述连接杆正面的一端铰接有连接板，所述连接板的背面开设有滑槽，所述承接板内侧的背面固定安装有电动推杆，所述存储控制器的输出端于电动推杆的输入端电性连接，所述电动推杆正面的一端铰接有滑块，所述滑块延伸至滑槽的内部并与其滑动连接，所述连接板正面的底部固定连接有拆装组件，所述拆装组件的内侧卡接有监测相机，所述监测相机的输出端于存储控制器的输入端电性连接。
4.但是上述方案存在以下不足：
5.1、上述申请专利通过监测相机对植物生长状况的连续观测，并将监测信息传递至存储控制器储存，监测相机根据监测植物广谱特征的变化，从而到达对植物物候监测的效果，但是监测相机采用的为高分辨数字相机，使用成本较高；物候相机是根据植被光谱成像的方式分析物候，近地面环境中光谱受外界环境影响较大，且缺少光谱定标，导致结果不确定性大；物候相机视场较大，适用于景观尺度上的综合性植物物候分析，不便于在单株活立木上使用；
6.2、活立木的树干长度和宽度是一直在生长的，不同种类的活立木其生长速度不同，导致监测相机的自动翻转装置不便进行统一调节，操作较为繁琐。
7.为此，我们提出一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置与方法，以解决上述背景技术中提到的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置，包括监测外壳，所述监测外壳上分别设置有加速度计、数据采集器、激光测距仪和数据传输模组，且监测外壳两侧壁上均设置有安装架，两侧所述安装架上分别设置
有风速计和太阳能板组，所述监测外壳两侧壁上均对称设置有主挂圈，两侧相对所述主挂圈之间依次套设有主弹性拉绳和副弹性拉绳，所述监测外壳两端设置有升降拉紧块，监测外壳与升降拉紧块之间设置有升降组件，且两侧所述副弹性拉绳自由端分别设置在所述升降拉紧块两侧。
10.优选的，所述加速度计能够测量水平加速度，所述加速度计、风速计和激光测距仪输出端与所述数据采集器电性连接，激光测距仪设置在所述监测外壳底部，且数据传输模组可以为有线、蓝牙、wifi、4/5g中的任意一种，所述太阳能板组由太阳能板、蓄电池、太阳能控制器和逆变器构成。
11.通过上述设置便于通过加速度计、风速计和激光测距仪对待监测树木进行摆动数据监测，并通过数据传输模组进行远程传输。
12.优选的，所述数据传输模组输入输出端与所述数据采集器连接，且太阳能板组提供电源保障。
13.通过太阳能板提供电源保障。
14.优选的，所述主弹性拉绳套设在树干上，且主弹性拉绳内表面布设有阻尼板块，阻尼板块内表面为牙口型结构并与树干外表面接触连接。
15.通过阻尼板块和主弹性拉绳的配合设置，提高了对树干的固定效果，防止监测外壳使用过程中发生滑落。
16.优选的，所述升降组件包括设置在所述升降拉紧块两侧的副挂圈，所述副弹性拉绳自由端固定套设在所述副挂圈上，所述监测外壳后面两端均设置有轴承孔板，所述升降拉紧块上分别设有内螺孔和限位孔，且两端所述升降拉紧块上内螺孔螺纹方向相反设置，两端所述升降拉紧块上内螺孔贯穿有双向外螺杆，双向外螺杆过盈贯穿于轴承孔板内圈，且监测外壳两端均设置有限位杆，限位杆贯穿于对应的所述限位孔，限位孔与双向外螺杆为平行设置。
17.通过升降拉紧块、内螺纹孔、双向外螺杆和限位杆的配合设置，当双向外螺杆转动时，能够使两端的升降拉紧块进行向向或者背向运动。
18.优选的，所述监测外壳后面设置有电机，电机输出轴端套设有主锥形齿轮，所述双向外螺杆中部位置套设有副锥形齿轮并与所述主锥形齿轮啮合连接，一端所述轴承孔板外端设置有挤压力传感器，挤压力传感器输出、电源端分别与所述数据采集器和太阳能板组连接。
19.通过主锥形齿轮、副锥形齿轮、电机和挤压力传感器的配合设置，便于对双向外螺杆进行转动，以及对主弹性拉绳的松紧操作。
20.本发明还提供了一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测的使用方法，具体包括以下步骤：
21.s1、监测装置安装：将主弹性拉绳一端套入在监测外壳一侧主挂圈上，并通过主弹性拉绳将待监测树干套住，使主弹性拉绳自由端套入在监测外壳另一端主挂圈上，同时将副弹性拉绳连接在主弹性拉绳套入端上，之后通过主锥形齿轮和副锥形齿轮的啮合转动，使双向外螺杆在升降拉紧块上内螺孔进行转动，升降拉紧块进行升降运动，使主弹性拉绳在阻尼板块的作用下夹持固定在待检测树干上；
22.s2、监测装置调试：将加速度计、风速计、激光测距仪输出端和挤压力传感器与所
述数据采集器电性连接，并将电机控制端与数据采集器的外置控制器连接，通过数据传输模组链接外置数据传输通道，使上述电气设备电源端与太阳能板组连接，通过数据采集器对上述监测元件获得的数据进行备份、记录和上传，设为初始值；
23.s3、监测装置使用：加速度计和风速计将监测树干受到外界风力时产生的水平摆动加速度和风速数据传输给数据采集器，同时激光测距仪将监测外壳的所在高度传输给数据采集器，并通过太阳能板组提供电源保障，而数据传输模组将监测数据远程传输给总控室内，随着被监测树木的生长，树木树干截面直径变宽时，挤压力传感器会将监测数据传输给数据传输模组，之后外置控制器会驱动电机运转，通过主锥形齿轮、副锥形齿轮、双向外螺杆、限位杆和升降拉紧块的配合设置，对树干外围的主弹性拉绳松紧度进行调节，建立基于加速度的活立木摆动指数，用这种指数模拟活立木生长轨迹，并提取活立木关键物候期，生长曲线拟合公式为：
24.其中d(t)代表生长周期内活立木生长轨迹，t为加速度观测时间戳，a1是冬季的主导时期，a2是夏季和冬季占主导时期的差异，a3和a4控制春季生长曲线的形状，a5和a6控制秋季生长曲线的形状，a7是控制夏季生长曲线的斜率。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置与方法，通过利用加速度计、风速计和数据采集器，监测树干摆动加速度，形成高频、长时间的时间序列数据，风速计可以结合树干刚性特征来校正加速度计测量数据，可以监测乔木的返青、凋落等物候事件，使用成本较低、便于在多个活立木上使用，并且将监测装置直接设置在树干上，改变单株活立木物候的监测方式，无需对监测外壳上的监测元件进行挪动，便于统一调节、操作。
附图说明
26.图1为本发明的正视剖视结构示意图；
27.图2为图1的局部示意图；
28.图3图2的右视局部剖视示意图；
29.图4为图2的俯视示意图；
30.图5为图2的a处放大示意图；
31.图6为图2的b处放大示意图；
32.图7为图3的c处放大示意图；
33.图8为本发明的活立木物候时间、加速度变化曲线示意图。
34.图中：1、监测外壳；2、加速度计；3、数据采集器；4、数据传输模组；5、安装架；6、风速计；7、太阳能板组；8、主挂圈；9、主弹性拉绳；10、副弹性拉绳；11、升降拉紧块；12、阻尼板块；13、副挂圈；14、轴承孔板；15、内螺孔；16、限位孔；17、双向外螺杆；18、限位杆；19、电机；20、主锥形齿轮；21、副锥形齿轮；22、挤压力传感器。
具体实施方式
35.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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.本发明提供了如图1-7的一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测装置，包括监测外壳1，所述监测外壳1上分别设置有加速度计2、数据采集器3、激光测距仪101和数据传输模组4，且监测外壳1两侧壁上均螺接固定有安装架5，两侧所述安装架5上分别设螺接固定有风速计6和太阳能板组7，所述加速度计2能够测量树干水平加速度，所述加速度计2、风速计6和激光测距仪101输出端通过a/d转换器与所述数据采集器3电性连接，风速计可以结合树干刚性特征来校正加速度计2检测的加速度数据；
38.激光测距仪101螺接在所述监测外壳1底部，激光测距仪101底部测量端与地面相互垂直设置，能够测量监测外壳1底部与地面间的距离，进而对监测外壳1的工作高度进行测量记录，且数据传输模组4可以为蓝牙、wifi、4/5g中的任意一种，所述太阳能板组7由太阳能板、蓄电池、太阳能控制器和逆变器构成，太阳能板组7低功耗太阳能、交流电都支持，支持太阳照射少的树木使用。
39.所述数据传输模组4输入输出端与所述数据采集器3连接，且太阳能板组7提供电源保障。
40.所述监测外壳1两侧壁上均对称焊接有主挂圈8，两侧相对所述主挂圈8之间依次套入有主弹性拉绳9和副弹性拉绳10，所述主弹性拉绳9套入在树干上，且主弹性拉绳9内表面粘接有阻尼板块12，阻尼板块12为橡胶材质，阻尼板块12内表面为牙口型结构并与树干外表面接触连接，阻尼板块12提高了主弹性拉绳9与树干间的摩擦固定效果，有效防止主弹性拉绳9与树干间发生松动。
41.所述监测外壳1两端设置有升降拉紧块11，监测外壳1与升降拉紧块11之间设置有升降组件，且两侧所述副弹性拉绳10自由端分别设置在所述升降拉紧块11两侧。
42.所述升降组件包括焊接在所述升降拉紧块11两侧的副挂圈13，所述副弹性拉绳10自由端固定套入在所述副挂圈13上，上述设置使主弹性拉绳9与副弹性拉绳10均能够在主挂圈8上发生滑动，通过对副弹性拉绳10进行拉动，进而对主弹性拉绳9的松紧度进行调节；
43.所述监测外壳1后面两端均焊接又或者螺接有轴承孔板14，所述升降拉紧块11上分别设有内螺孔15和限位孔16，且两端所述升降拉紧块11上内螺孔15螺纹方向相反设置，两端所述升降拉紧块11上内螺孔15贯穿有双向外螺杆17，双向外螺杆17过盈贯穿于轴承孔板14内圈，且监测外壳1两端均焊接有限位杆18，限位杆18贯穿于对应的所述限位孔16，限位孔16与双向外螺杆17为平行设置，当双向外螺杆17转动时，会带动升降拉紧块11产生旋转趋势，限位杆18限制了升降拉紧块11的旋转趋势，进而使升降拉紧块11进行竖向移动，从而对其两侧的副弹性拉绳10的松紧度进行调节。
44.所述监测外壳1后面螺接固定有电机19，电机19输出轴端过盈套入有主锥形齿轮20，所述双向外螺杆17中部位置过盈套入有副锥形齿轮21并与所述主锥形齿轮20啮合连接，通过电机19输出轴端分别带动主锥形齿轮20和副锥形齿轮21转动，从而便于对双向外
螺杆17进行转动，电机19为步进电机和伺服电机中的任意一种，能够对输出转动量进行定距控制，上端所述轴承孔板14外端螺接有挤压力传感器22，挤压力传感器22输出、电源端分别与所述数据采集器3和太阳能板组7连接，通过挤压力传感器22能够叛变主弹性拉绳9与树干外表面间的张紧力度，当张紧力度小于设定值，可以对主弹性拉绳9的张紧度进行调节，提高了对监测外壳1的固定效果。
45.本发明还提供了一种基于树干摆动加速度的活立木物候监测的使用方法，具体包括以下步骤：
46.s1、监测装置安装：将主弹性拉绳9左端套入在监测外壳1左侧主挂圈8上，并通过主弹性拉绳9将待监测树干套住，使主弹性拉绳9自由端套入在监测外壳1右端主挂圈8上，同时将副弹性拉绳10连接在主弹性拉绳9套入端上，之后通过主锥形齿轮20和副锥形齿轮21的啮合转动，使双向外螺杆17在升降拉紧块11上内螺孔15进行转动，升降拉紧块11进行升降运动，使主弹性拉绳9在阻尼板块12的作用下夹持固定在待检测树干上；
47.s2、监测装置调试：将加速度计2、风速计6、激光测距仪101输出端和挤压力传感器22与所述数据采集器3电性连接，并将电机19控制端与数据采集器3的外置控制器连接，通过数据传输模组4链接外置数据传输通道，使上述电气设备电源端与太阳能板组7连接，通过数据采集器3对上述监测元件获得的数据进行备份、记录和上传，设为初始值；
48.s3、监测装置使用：加速度计2和风速计6将监测树干受到外界风力时产生的水平摆动加速度和风速数据传输给数据采集器3，同时激光测距仪101将监测外壳1的所在高度传输给数据采集器3，并通过太阳能板组7提供电源保障，而数据传输模组4将监测数据远程传输给总控室内，随着被监测树木的生长，树木树干截面直径变宽时，挤压力传感器22会将监测数据传输给数据传输模组4，之后外置控制器会驱动电机19运转，通过主锥形齿轮20、副锥形齿轮21、双向外螺杆17、限位杆18和升降拉紧块11的配合设置，对树干外围的主弹性拉绳9松紧度进行调节。
49.实施例2
50.请参阅图8，可以建立一种基于加速度的活立木摆动指数，用这种指数模拟活立木生长轨迹，并提取活立木关键物候期，生长曲线拟合公式为：
[0051][0052]
d(t)代表生长周期内活立木生长轨迹，t为加速度观测时间戳，a1是冬季的主导时期，a2是夏季和冬季占主导时期的差异，a3和a4控制春季生长曲线的形状(指示春季物候)，a5和a6控制秋季生长曲线的形状(指示秋季物候)，a7是控制夏季生长曲线的斜率(指示活立木返青生长速率)。
[0053]
长时序的摆动指数可以受下列参数修正：
[0054]
1.设备捆绑位置距离地面的高度；
[0055]
2.风速；
[0056]
3.胸径长度，胸径长度为检测树木上检测点外围圆周长。
[0057]
加速度计2通过测量三维加速度来检测运动，当连接到活立木上时，可以检测由风或其他力引起的运动，当被风强迫时，被检测活立木会以特定的频率振动，公式为：
活立木的共振频率，当简单地视为具有阻尼的质量弹簧时，与其量成负相关，其中∫0的为主要谐振频率，t0为相应的周期，k为刚度，m为质量，b模拟阻尼的影响，上述公式表面，质量的变化将直接影响树的共振周期，在物候学的背景下，当叶片出现时，活立木的地上质量会增加，导致共振周期增加，而在落叶时则相反，由于主要的谐振周期/频率可以从一个加速度信号中估计出来，因此可以从加速度计的数据中推导出一个物候信号，本发明没有活立木实际质量来记录物候，而是采用质量的相对百分比变化，模拟活立木生长变化的一个优势周期，优势期做为代理测量，与活立木质量的百分比变化成正比，而这种优势期的变化应该与物候变化有关，如叶脱落、叶落和其他对树木质量的大规模影响。
[0058]
利用加速度数据建立生长曲线方程，通过参数求解获得生长后期内的关键物候参数，如植物春季返青时间点，秋季衰落时间点，夏季生长峰值时间点；数据具有高频特征，可以连续监测活立木生长节律。
[0059]
综上所述，实施例1和实施例2与现有技术相比，在对活立木的树干进行物候监测时，操作人员首先将主弹性拉绳9左端套入在监测外壳1左侧主挂圈8上，并通过主弹性拉绳9将待监测树干套住，使主弹性拉绳9自由端套入在监测外壳1右端主挂圈8上，同时将副弹性拉绳10连接在主弹性拉绳9套入端上，之后通过主锥形齿轮20和副锥形齿轮21的啮合转动，使双向外螺杆17在升降拉紧块11上内螺孔15进行转动，升降拉紧块11进行升降运动，使主弹性拉绳9在阻尼板块12的作用下夹持固定在待检测树干上；将加速度计2、风速计6、激光测距仪101输出端和挤压力传感器22与所述数据采集器3电性连接，并将电机19控制端与数据采集器3的外置控制器连接，通过数据传输模组4链接外置数据传输通道，使上述电气设备电源端与太阳能板组7连接，通过数据采集器3对上述监测元件获得的数据进行备份、记录和上传，设为初始值；
[0060]
加速度计2和风速计6将监测树干受到外界风力时产生的水平摆动加速度和风速数据传输给数据采集器3，风速计6可以结合树干刚性特征来校正加速度计2测量数据，同时激光测距仪101将监测外壳1的所在高度传输给数据采集器3，并通过太阳能板组7提供电源保障，而数据传输模组4将监测数据远程传输给总控室内，随着被监测树木的生长，树木树干截面直径变宽时，挤压力传感器22会将监测数据传输给数据传输模组4，之后外置控制器会驱动电机19运转，通过主锥形齿轮20、副锥形齿轮21、双向外螺杆17、限位杆18和升降拉紧块11的配合设置，对树干外围的主弹性拉绳9松紧度进行调节，使监测外壳1能够进行适应性固定，采用上述监测装置，使用成本较低、可以监测乔木的返青、凋落等物候事件，便于在多个活立木上使用，并且通过利用加速度数据建立的生长曲线方程，在多个活立木上使用，并且通过利用加速度数据建立的生长曲线方程，
[0061]
，通过参数求解获得生长后期内的关键物候参数，如植物春季返青时间点，秋季衰落时间点，夏季生长峰值时间点；数据具有高频特征，可以连续监测活立木生长节律。
[0062]
并且将监测装置直接设置在树干上，改变单株活立木物候的监测方式，无需对监测外壳1上的监测元件进行挪动，便于统一调节、操作。
[0063]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。