本發(fā)明屬于植被生態(tài)研究，具體涉及一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、在生態(tài)環(huán)境保護的背景下，準(zhǔn)確估算和預(yù)測植被蒸散發(fā)對于理解水循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換以及區(qū)域水資源管理具有重要意義，pml模型是一種基于遙感技術(shù)的蒸散發(fā)估算模型，它起源于經(jīng)典的penman-monteith方程，并在此基礎(chǔ)上引入了土壤濕度指數(shù)和葉面積指數(shù)(lai)等參數(shù)，以提高模型的精度和適用性。該模型通過結(jié)合野外實測氣象和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對模型中的氣孔導(dǎo)度、土壤濕度指數(shù)等參數(shù)進行優(yōu)化。

2、不同研究區(qū)域和植被類型的蒸散發(fā)特性可能存在差異，因此在應(yīng)用，pml模型進行蒸散發(fā)反演時，需要根據(jù)具體情況對模型參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，而優(yōu)化過程則需要依賴各氣象數(shù)據(jù)的實測值，對于山區(qū)來說，其氣候由于氣流、溫濕度、太陽角度的不同而存在較大差異，因此對于氣象數(shù)據(jù)的采集不能以某一點作為代表，需要進行分區(qū)后分別進行采集，對于氣象數(shù)據(jù)的采集需要在植被冠層以上進行，而土壤濕度的采集則需要在地面，由于山區(qū)道路不暢，難以設(shè)置足夠的檢測點位以獲取足夠精確的氣象數(shù)據(jù)，導(dǎo)致預(yù)測效果不準(zhǔn)確。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的方法及裝置。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：

3、一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，包括數(shù)據(jù)處理主機、遙感數(shù)據(jù)采集組件、地面數(shù)據(jù)采集組件，地面數(shù)據(jù)采集組件用于采集山區(qū)植被冠層的氣象數(shù)據(jù)以及土壤濕度，遙感數(shù)據(jù)采集組件用于采集山區(qū)的植被遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理主機用于基于氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、氣孔導(dǎo)度、土壤濕度并采用pml模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)，所述氣孔導(dǎo)度基于氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)反演獲得，其中，地面數(shù)據(jù)采集組件包括

4、投放組件，其通過無人機向山區(qū)投放各傳感器，包括無人機以及投放器；

5、氣球組件，其包括氣象氣球、氣象采集組件以及光伏板，用于采集植被冠層氣象數(shù)據(jù)以及提供電力；

6、墜定組件，其用于通過重物塊墜定氣象氣球并通過土壤傳感器檢測土壤濕度，所述重物塊的表面旋轉(zhuǎn)設(shè)置有套筒，套筒的表面纏繞有并行的線纜及連接繩，套筒內(nèi)具有用于將土壤傳感器的探針插入土壤的彈性部件，所述彈性部件被線纜及連接繩纏繞而處于蓄能狀態(tài)。

7、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述彈性部件包括滑動設(shè)置在套筒內(nèi)的滑塊及彈簧，所述滑塊與土壤傳感器轉(zhuǎn)動連接，套筒的表面開設(shè)有通槽，通槽內(nèi)設(shè)置有蓋板，每個蓋板通過至少兩個連桿與滑塊鉸接，所述蓋板被線纜及連接繩纏繞而通過連桿推動滑塊壓縮彈簧，該彈性部件用于在線纜或連接繩完全離開套筒時，通過彈簧將土壤傳感器推出，以便于探針進入泥土中獲取土壤濕度信息。

8、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述投放器通過第一吊繩與重物塊相連，并通過第二吊繩與氣象氣球相連，為了投放氣象氣球和墜定組件，通過投放器可以實現(xiàn)先后投放。

9、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述投放器包括電機、下端開口的圓環(huán)、以及設(shè)置在電機輸出軸端的輻條，輻條與圓環(huán)內(nèi)壁形成扇形區(qū)域與設(shè)置在第一吊繩及第二吊繩端部的環(huán)節(jié)互相嵌套，當(dāng)輻條旋轉(zhuǎn)至圓環(huán)開口時環(huán)節(jié)掉落，本方案提出了一種具體的投放器，通過輻條旋轉(zhuǎn)至圓環(huán)缺口以釋放對應(yīng)的吊繩，可以使墜定組件與氣球組件共用一組投放器，達到先后釋放的目的。

10、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述重物塊為鵝卵石型，為了使重物塊在下落時不被樹枝卡住，并且落地后保持套筒朝上，也即使得土壤傳感器的探針朝下，因此將重物塊設(shè)置為該形狀，并且為了防止重物塊過快下落造成撞擊，可以設(shè)置套筒與重物塊之間阻尼旋轉(zhuǎn)，在下落過程中，套筒緩慢旋轉(zhuǎn)，釋放纏繞在其表面的線纜和連接繩，因此可以延緩下落過程。

11、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述氣象氣球通過高壓氣瓶充入氦氣，氣象氣球充氣后體積較大，影響無人機飛行，因此可以在飛到目的地后進行充氣，通過高壓氣瓶向氣象氣球內(nèi)充氣，該高壓氣瓶通過閥門控制，可以設(shè)置在無人機上或者直接設(shè)置在氣象氣球上，作一次性使用。

12、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述氣象氣球的底部設(shè)置有連接塊，所述連接塊與線纜直接固定，連接塊的內(nèi)部開設(shè)有單通槽，所述連接繩貫穿單通槽，無人機下方還設(shè)置有收繩組件，用于牽拉連接繩經(jīng)過單通槽，以使得連接繩繃緊在連接塊與重物塊之間，由于氣象氣球通過重物塊重力固定，但是氣象氣球漂浮過高會遭受風(fēng)力吹動，搖擺嚴重，因此在重物塊落地后，將多余的連接繩收緊，使氣象氣球下降高度到與樹冠層持平，借助于樹冠進行橫向固定，有效降低風(fēng)力影響。

13、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)化方案，所述收繩組件包括驅(qū)動電機、受驅(qū)動電機驅(qū)動的螺紋軸、與螺紋軸共同夾緊連接繩的從動軸，其中，螺紋軸的螺紋用于通過正反旋轉(zhuǎn)使連接繩向軸向移動，以便于在完成牽拉后反向旋轉(zhuǎn)，拋棄連接繩，通過設(shè)置驅(qū)動電機拉動連接繩，使連接繩在單通槽內(nèi)滑動，當(dāng)氣象氣球下降到合適高度后，即反轉(zhuǎn)螺紋軸，使無人機與連接繩脫離，以便于無人機離開。

14、為了應(yīng)用上述裝置，本發(fā)明還提出一種基于上述扎裝置的氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的方法，包括如下步驟：

15、s1：將山區(qū)按局部氣象差異劃分成若干個區(qū)域；

16、s2：通過地面數(shù)據(jù)采集組件獲取山區(qū)各區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)以及土壤濕度，通過投放組件將氣球組件以及墜定組件投放到各個區(qū)域，使氣球組件攜帶氣象采集組件檢測植被冠層的氣象數(shù)據(jù)，并獲取電力，而墜定組件通過重力固定氣球組件，并將土壤傳感器插入泥土；

17、s3：通過氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)反演獲得氣孔導(dǎo)度，并基于氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、氣孔導(dǎo)度、土壤濕度并采用pml模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)；

18、s4：將區(qū)域植被的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)進行匯總，獲得山區(qū)植被蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。

19、本發(fā)明的有益效果在于：

20、本發(fā)明通過遙感數(shù)據(jù)采集組件獲取遙感影像，并通過設(shè)置多個地面數(shù)據(jù)采集組件對山區(qū)的植被進行多點采集，按氣象差異劃分區(qū)域進行氣象數(shù)據(jù)采集，通過無人機投放氣球組件以及墜定組件，可以多點采集的氣象數(shù)據(jù)，墜定組件不僅可以提供下墜固定氣象氣球，還設(shè)置了擊發(fā)式的土壤傳感器用于采集土壤濕度信息，地面數(shù)據(jù)采集組件降低了投放難度，可以實現(xiàn)多點投放，提高預(yù)測精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，包括數(shù)據(jù)處理主機、遙感數(shù)據(jù)采集組件、地面數(shù)據(jù)采集組件，其特征在于：地面數(shù)據(jù)采集組件用于采集山區(qū)植被冠層的氣象數(shù)據(jù)以及土壤濕度，遙感數(shù)據(jù)采集組件用于采集山區(qū)的植被遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理主機用于基于氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、氣孔導(dǎo)度、土壤濕度并采用pml模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，所述氣孔導(dǎo)度基于氣象數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)反演獲得，其中，地面數(shù)據(jù)采集組件包括

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述彈性部件包括滑動設(shè)置在套筒(32)內(nèi)的滑塊(34)及彈簧(35)，所述滑塊(34)與土壤傳感器(33)轉(zhuǎn)動連接，套筒(32)的表面開設(shè)有通槽，通槽內(nèi)設(shè)置有蓋板(36)，每個蓋板(36)通過至少兩個連桿(37)與滑塊(34)鉸接，所述蓋板(36)被線纜(38)及連接繩(39)纏繞而通過連桿(37)推動滑塊(34)壓縮彈簧(35)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述投放器(12)通過第一吊繩(13)與重物塊(31)相連，并通過第二吊繩(14)與氣象氣球(21)相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述投放器(12)包括電機、下端開口的圓環(huán)、以及設(shè)置在電機輸出軸端的輻條，輻條與圓環(huán)內(nèi)壁形成扇形區(qū)域與設(shè)置在第一吊繩(13)及第二吊繩(14)端部的環(huán)節(jié)互相嵌套，當(dāng)輻條旋轉(zhuǎn)至圓環(huán)開口時環(huán)節(jié)掉落。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述重物塊(31)為鵝卵石型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述氣象氣球(21)通過高壓氣瓶充入氦氣。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述氣象氣球(21)的底部設(shè)置有連接塊(24)，所述連接塊(24)與線纜(38)直接固定，連接塊(24)的內(nèi)部開設(shè)有單通槽(25)，所述連接繩(39)貫穿單通槽(25)，無人機(11)下方還設(shè)置有收繩組件(4)，用于牽拉連接繩(39)經(jīng)過單通槽(25)，以使得連接繩(39)繃緊在連接塊(24)與重物塊(31)之間。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的裝置，其特征在于：所述收繩組件(4)包括驅(qū)動電機(41)、受驅(qū)動電機(41)驅(qū)動的螺紋軸(42)、與螺紋軸(42)共同夾緊連接繩(39)的從動軸(43)，其中，螺紋軸(42)的螺紋用于通過正反旋轉(zhuǎn)使連接繩(39)向軸向移動，以便于在完成牽拉后反向旋轉(zhuǎn)，拋棄連接繩(39)。

9.一種基于如權(quán)利要求1-8任一所述裝置的氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的方法，其特征在于：包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于氣孔導(dǎo)度模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)的方法及裝置，包括數(shù)據(jù)處理主機、遙感數(shù)據(jù)采集組件、地面數(shù)據(jù)采集組件，地面數(shù)據(jù)采集組件用于采集山區(qū)植被冠層的氣象數(shù)據(jù)以及土壤濕度。該裝置通過遙感數(shù)據(jù)采集組件獲取遙感影像，并通過設(shè)置多個地面數(shù)據(jù)采集組件對山區(qū)的植被進行多點采集，按氣象差異劃分區(qū)域進行氣象數(shù)據(jù)采集，通過無人機投放氣球組件以及墜定組件，可以多點采集的氣象數(shù)據(jù)，墜定組件不僅可以提供下墜固定氣象氣球，還設(shè)置了擊發(fā)式的土壤傳感器用于采集土壤濕度信息，地面數(shù)據(jù)采集組件降低了投放難度，可以實現(xiàn)多點投放，提高預(yù)測精度。

技術(shù)研發(fā)人員：單楠,張乾,宋練,邱鳳,朱瑩瑩
受保護的技術(shù)使用者：生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30