一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统的制作方法

本发明涉及一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统，尤其涉及一种用于典型生态系统(森林、草地、荒漠、湿地、农田)多尺度植物生长节律野外自动观测系统,属于生态学或农学等植物野外监测研究技术领域,特别涉及到生态系统监测、植物生长发育与全球变化等研究领域。

背景技术：

植物生长节律观测不仅有利于了解植物自身生长规律和生理变化，还可用于研究植物对外界环境的响应和适应，对揭示生物学基本规律和全球变化背景下植物的响应对策均具有重要的理论和实践意义。目前，对各个生态系统中植物生长节律观测还停留在人工观测，人员依赖性大，一年或多年观测一次，观测频率低，误差大，且无法追溯，远远不能满足服务生态学以及农业科学研究的需要。借助数字成像和物联网技术的发展，对植物生长节律进行自动、实时、高频观测已经成为当前生态学研究的重要趋势，也是生态系统长期监测探索的自动化新技术手段之一。目前国内外虽然已有个别案例利用数码相机对个体植物物候进行自动观测，但对植物群落不同层级，不同尺度的多个生长节律参数进行同步组网自动观测还没有。我们建立的植物生长节律多尺度野外自动观测系统主要从群落尺度、样方尺度和个体尺度3个尺度，对不同生态系统类型的多个关键植物生长节律指标进行长期定位自动观测：森林生态系统观测群落季相、植被指数、优势种乔木样株的径向生长节律和主要物候期；草地生态系统观测群落季相、盖度、优势种草本关键物候期和高度；荒漠生态系统观测群落季相、盖度、优势种灌木样株高度、冠幅和关键物候期；湿地生态系统观测群落季相、盖度、优势种关键物候期和高度；农田生态系统观测作物群落生育动态、植株密度、样株的关键生育期和高度。基于可见光和多光谱成像，通过野外自动高频图像采集和无线传输，将不同区域不同尺度植物生长节律数据实时远程传输到计算机终端，实现对多站点植物生长节律多源信息的快速、准确、实时地系统采集、传输与储存，提升生态系统长期监测数据现势性、系统性和适用性，提高生态系统监测服务科学研究和国家需求的能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统，以主要针对分布于全国不同区域典型生态系统(森林、草地、荒漠、湿地、农田)的植物群落、样方层次，以及优势种/作物的个体3个尺度水平的生长发育情况进行长期定位、自动、高频采集，通过物联网技术，无线远程传输到数据终端，从而实现对植物生长节律野外多尺度自动观测。本发明不仅可以实现野外无人值守的多站点植物生长节律信息自动远程无线高频获取、并可对野外工作状态异常报警，还可以通过对各站点数据的对比、整合、分析表征植物生长相关关键参数，且原始图片保存使得数据可追溯，对研究植物生长节律的全球变化响应，及其生物学基本规律具有重要的理论和实践意义。

一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统，主要包括：野外多尺度生长节律观测模块、数据采集和远程无线传输模块、野外太阳能供电及支撑附件、数据接收终端4个部分。

野外多尺度生长节律观测模块根据生态系统类型分为5个不同的子模块，分别是森林、草地、荒漠、湿地、农田子模块；其中，草地、荒漠、湿地子模块结构相同。森林生态系统植物生长节律观测子模块包括：群落季相和多光谱成像系统、样株径向生长观测系统、样株物候期观测系统。草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块包括：群落季相和多光谱成像系统、样方盖度/密度观测系统、样株物候期观测系统、高度观测系统。农田生态系统植物生长节律观测子模块包括：作物群体生育期动态和多光谱成像系统、样方密度观测系统、样株生育期观测系统和高度观测系统。群落季相和多光谱成像系统由1个4通道(红、绿、蓝及红外)多光谱相机和1个参照板组成，其中多光谱相机光谱范围500～900nm。样株径向生长观测系统由多个径向生长自动记录仪和无线发射模块组成。高度观测系统由高精度数码网络相机和高度标尺组成。

数据采集和远程无线传输模块主要包括多个含图像存储SD卡的CR6数据采集器、多个3G/4G无线传输模块、和多个网络适配器，实现野外图像数据定时采集、存储和无线远程转发，同时包括1个电源管理模块来监控电池电量和设备运行状态，出现异常通过数据采集器和无线传输模块发送短信和邮件形式报警。

野外太阳能供电及支撑附件模块主要包括：太阳能板和蓄电池、野外支撑附件；本发明还进一步包括：避雷针和接地导线以及所有仪器设备防水箱，与野外太阳能供电及支撑附件模块共同实现野外太阳能供电、仪器定点稳定拍摄以及野外避雷防雨等防护。

数据接收终端为可以上网的计算机组。

本发明一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统，其优点及功效在于：基于可见光和多光谱成像，通过野外自动高频图像采集和无线传输，从不同生态系统类型的群落尺度的季相、植被指数，样方尺度的盖度、冠幅、密度，到个体尺度的胸径、物候、高度等不同生态系统3个尺度多个关键生长节律指标进行长期定位自动观测，实现对多站点植物生长节律多源信息的快速、准确、实时地系统采集、传输与储存。使得植物生长节律观测避免了人工观测频率低、误差大，数据无法追溯的缺点，也使得植物生长节律观测从个体尺度扩展到群体、群落多个尺度同步观测，提高了效率和自动化水平，更好的满足生态学以及农业科学研究需要。

附图说明

图1所示为森林生态系统植物生长节律观测子模块单个野外观测点示意图。

图2所示为草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块单个野外观测点示意图。

图3所示为农田生态系统植物生长节律观测子模块单个野外观测点示意图。

图4所示为一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统框图。

图中标号具体如下：

1、4通道多光谱相机 2、参照板 3、样株物候期观测系统

4、样株物候观测代表枝条(聚焦点) 5、样株径向生长自动记录仪和无线发射模块

6、数据采集和远程无线传输模块 7、3G/4G信号天线

8、太阳能板 9、蓄电池 10、避雷针

11、接地导线 12、铁塔或吊塔

13、样方盖度观测系统 14、观测样方

15、样株高度观测相机 16、高度标尺

17、固定支架和牵拉绳

18、作物群体生育期动态和多光谱观测系统

19、样方密度观测系统 20、样株生育期观测系统

具体实施方式

下结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1至图4所示，一种多尺度植物生长节律野外自动观测系统，主要包括：野外多尺度生长节律观测模块、数据采集和远程无线传输模块、野外太阳能供电及支撑附件、数据接收终端4个部分；野外太阳能供电附件包括太阳能板8和蓄电池9；野外支撑附件包括铁塔或吊塔12、固定支架和牵拉绳17；

如图1、2、3所示，根据不同的生态系统类型，野外多尺度生长节律观测模块具体包括森林生态系统植物生长节律观测子模块；草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块；农田生态系统植物生长节律观测子模块；

其中，如图1所示，森林生态系统植物生长节律观测子模块包括：

一个四通道(红、绿、蓝及红外)多光谱相机1和一个参照板2；其中多光谱相机光谱范围500～900nm；多光谱相机固定在铁塔或吊塔12的伸出横臂上，位于被观测群落冠层之上，斜向下获取植物群落冠层整体图像，为了减少太阳光照对成像的影响，选择朝北观测，每天定点在上午9点和下午3点开启。

参照板2，固定在铁塔或吊塔横向伸出臂上，位于多光谱相机下方，多光谱相机拍摄范围需要白板可见，用于后期对图片颜色进行比对校正。供电依靠蓄电池9，数据通过有线连接传输到数据采集和远程无线传输模块6的数据采集器。

样株物候期观测系统3，为一高精度数码网络照相机，稍高于被观测的样株物候观测代表枝条(聚焦点)4，斜向下拍摄，固定于铁塔或吊塔12的伸出横臂上，供电依靠蓄电池9，通过网线连接到数据采集和远程无线传输模块6的数据采集器；

径向生长自动记录仪和无线发射模块5，径向生长自动记录仪直接安装在被测定树木的树干上，距离地面1.3米处安装，通过无线发射模块将数据回传给数据采集和远程无线传输模块6的数据采集器；

数据采集和远程无线传输模块6，主要包括含图像存储SD卡的CR6数据采集器、3G/4G无线传输模块、和网络适配器，实现野外图像数据定时采集、存储和无线远程转发，同时包括1个电源管理模块来监控电池电量和设备运行状态，出现异常通过数据采集器和无线传输模块发送短信和邮件形式报警。

3G/4G信号天线7，安装在系统最高处，用于接收信号；

太阳能板8，安装在系统高处，太阳能照到的地方；与蓄电池9相连；

蓄电池9、安装防护箱(图中未示)，埋在地下；

避雷针10，安装在系统最顶端；

接地导线11，连接铜管埋在地下；

其中，如图2所示，草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块，包括：

一个四通道(红、绿、蓝及红外)多光谱相机1和一个参照板2；其中多光谱相机光谱范围500～900nm；连接方式与森林生态系统植物生长节律观测子模块相同，安装位置位于固定支架和牵拉绳17上；

样方盖度观测系统13，为一高精度数码网络照相机，安装在固定支架和牵拉绳17伸出的横臂上，垂直向下拍摄观测样方14；

观测样方14，观测样方为1米×1米的正方形范围；

样株高度观测相机15，安装在固定支架和牵拉绳17的三脚架上，距离被观测植株较近，高度可调节，并对准被观测植株及高度标尺16；

高度标尺16，带有明显刻度标识的直立尺子，埋于被观测植株附近土中，保持直立

样株物候期观测系统3，为一高精度数码网络照相机，具体位置与连接与森林生态系统植物生长节律观测子模块相同，

数据采集和远程无线传输模块6，主要包括含图像存储SD卡的CR6数据采集器、3G/4G无线传输模块、和网络适配器，图像从各个观测仪器通过有线传输到CR6数据采集器，数据采集器可以通过自带的软件设定拍照时间，数据采集器存储在SD卡中，并通过网络适配器连接3G/4G无线传输模块，数据采集器通过自带软件设定发送数据方式和时间，在有信号时通过移动或联通网络传送到数据接收终端，实现野外图像数据定时采集、存储和无线远程转发，同时包括1个电源管理模块来监控电池电量和设备运行状态，出现异常通过数据采集器和无线传输模块发送短信和邮件形式报警。

3G/4G信号天线7，太阳能板8，蓄电池9，避雷针10及接地导线11，具体位置与连接方式与森林生态系统植物生长节律观测子模块相同。

野外支撑附件(固定支架和牵拉绳17)，为三脚型支撑支架并伸出多个横向支架，分别向三个方向牵拉绳固定。

如图3所示，农田生态系统植物生长节律观测子模块，包括：

作物群体生育期动态和多光谱观测系统18，为一高精度数码网络照相机和4通道多光谱相机，多光谱相机安装连接与草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块一致，数码网络相机用于群体生育期动态观测用于观测群体物候，判断50％以上个体达到同一物候期标志为准。

参照板2，安装方式与森林生态系统植物生长节律观测子模块相同；

样方密度观测系统19，为一高精度数码网络照相机，安装及连接方式与草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块的样方盖度观测相同，不同的是本系统用于观测植株数量密度特征；

观测样方14，为长宽固定的区域，具体根据作物耕作方式确定面积；

样株生育期观测系统20，为一高精度数码网络照相机，安装在野外支撑附件(固定支架和牵拉绳17)上，聚焦一株代表性植株，精细观测生长发育特征图片，供电太阳能，数据有线传输到数据采集和远程无线传输模块6的数据采集器；

样株高度观测相机15，安装在野外支撑附件(固定支架和牵拉绳17)的三脚架上，距离被观测植株较近，高度可调节，并对准被观测植株及高度标尺16；

高度标尺16，带有明显刻度标识的直立尺子，埋于被观测植株附近土中，保持直立；

数据采集和远程无线传输模块6，主要包括含图像存储SD卡的CR6数据采集器、3G/4G无线传输模块、和网络适配器，实现野外图像数据定时采集、存储和无线远程转发，同时包括1个电源管理模块来监控电池电量和设备运行状态，出现异常通过数据采集器和无线传输模块发送短信和邮件形式报警。

3G/4G信号天线7，太阳能板8，蓄电池9，避雷针10及接地导线11，具体位置与连接方式与森林生态系统植物生长节律观测子模块相同。

野外支撑附件(固定支架和牵拉绳17)，与草地、荒漠、湿地生态系统植物生长节律观测子模块一致。

具体的应用：在中国生态系统研究网络(CERN)35个陆地野外台站统一布设，在每个台站站点长期样地中，选取4个最具代表性的植物群落类型开展植物生长节律在线自动观测，以保证观测数据对台站所在区域的代表性。在植物群落冠层上方，布设1个多光谱相机和1个高分辨率相机，用于定时自动获取群体尺度多光谱和可见光图像。对草本/作物在样地中，获取1×1m样方水平的垂直盖度图像。在个体水平上森林/荒漠/湿地选取3～5个典型乔灌木样株，分别布设1个高分辨率相机，用于自动获取植物物候动态图像，草地/农田选取优势种植物获取2～3个重复的微距拍摄生长节律图像，立标尺。所有图像数据通过3G/4G无线传输到生物分中心数据在线管理平台，并及时传输到相应台站服务器，实现了对不同生态系统(森林、草地、荒漠、湿地、农田)植物生长节律的组网、连续、高频、自动观测和数据共享，提升了生态系统野外长期监测项目自动化水平。