一种草地初级生产力的测定装置及其测定方法

技术领域

本发明属于生态测量技术领域，涉及一种测量装置，具体指一种草地初级生产力的测定装置及其测定方法。

背景技术

草地初级生产力是评价草地生产、生态功能的重要指标。传统的草地初级生产力测定方法主要有：样方法（齐地面刈割法）、估计法（目测法/测草杖）以及遥感反演法。经过长期的实践操作我们发现，现有方法在以下几个方面存在弊端，具体体现如下：

1.投入成本高、效率低下、时效性差且代表性有限：样方法的采样过程需要耗费大量的劳动力，工作进度缓慢，因本身具有破坏性导致其取样数量有限，从而导致该方法代表性有限；

2.精确性差：由于分辨率的限制，遥感反演数据精确度通常难以满足要求，直接影响测定结果的精确性；

3.对草地具有破坏性，破坏草地初始状况：采集样品本身对目标样地具有破坏性，加之采集过程的人为干扰，导致草地的初始状况被破坏；

4.难以长期重复监测：由于工作量大、对草地具有破坏性，包括收集样品本身和采集过程中的人为践踏破坏；难以确定前一次测定的确切位置，从而难以实现对草地的长期监测；

5.特定环境下难以进行测量：由于传统方法中的样方法和估计法的现场采集要求对实施环境有限制，导致上述方法难以在沼泽、高山等特定环境实施测量。因此，亟需研发设计一种新的测量装置或方法，以解决上述问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种草地初级生产力的测定装置及其测定方法，有效克服了传统草地初级生产力测定存在效率低下、测定精度低、适用范围有限以及操作成本高的问题，利用无人机灵活、操作简单的特性，并配套相应的测量装置，实现高效、精确地进行草地初级生产力的长期监测。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种草地初级生产力的测定装置，包括多旋翼无人机和测量装置，所述测量装置包括一平衡盘和数个具有一定重量的测量标尺，测量标尺的上端通过牵引线竖直连接在无人机上，测量标尺的底端贯穿平衡盘，使平衡盘水平固定在测量标尺上，所述平衡盘中心设置有环形的反光镜，反光镜镜面与平衡盘盘面呈45°角，且反光镜与设置在无人机下方的摄像头垂直对应。

作为本案的优化方案，所述测量标尺的底端设置有触碰感应装置。

作为本案的优化方案，所述测量标尺的主体为其上设有刻度的竖直杆，竖直杆顶端连接有可旋转的牵引线连接孔，竖直杆底部连接有倒锥形的配重头，配重头上端与竖直杆连接侧形成安装台肩，平衡盘水平固定在安装台肩上，配重头底部为设有触碰感应装置的水平断面。

作为本案的优化方案，所述测量标尺主体的上端还设有触碰感应指示灯。

作为本案的优化方案，所述测量标尺至少设有3根，以保证平衡盘保持水平、平稳。

作为本案的优化方案，所述平衡盘由透明材质制作，且平衡盘的外圆周边缘光滑。

作为本案的优化方案，所述牵引线为具有抗拉特性的柔软引线，牵引线的长度依据草地植被的高度和产量可调节。

作为本案的优化方案，所述无人机飞行中产生均匀稳定的气流。

一种草地初级生产力测定装置的测定方法，具体包括以下步骤，

1）选取目标样地，确定目标样地内的测定样点，分别测量各个测定样点的实测值和估测值，以构建目标样地草产量实测值与估测值的关系曲线，其中至少选取10个呈梯度变化的测定样点；

2）设定上述测定装置中无人机离地面的垂直高度，优选为3m，依据目标样地大小测量测定样点草产量的估测值，估测值取各个测量标尺值的平均值，实测值则通过齐地面刈割法获得；

3）将上述步骤2中测得的估测值依据构建的实测值与估测值关系曲线进行校正，确定各个测定样点的草产量以及目标样地范围内的草产量。

作为本案的优化方案，当目标样地的实测值不便于通过测量直接获得时，首先，利用与待测目标样地的草地类型和测定时间相似的已知样地数据提前构建草地初级生产力实测值与估测值的关系曲线，然后，利用本测定装置测量待测目标样地的估测值，最后通过关系曲线校正获取的估测值。

本发明的有益效果是：

1）利用无人机灵活、操作简单的特性，并配套相应的测量装置，实现了高效、精确的草地初级生产力的长期监测；有效解决了传统草地初级生产力测定存在效率低下、操作成本高以及测定精度低的问题；

2）高精度：消除齐地面刈割采样和测草杖测定过程对草地造成破坏和干扰，能维持草地的初始状况；干扰因素少，测定精度高，相对遥感反演法具有明显的精度优势；

3）高效率、低成本：省略了收集植被样本等工作和测草杖方法的行走过程，节省工作时间和人力劳动量的投入；购买设备及后续耗费较低，可长期反复利用，大幅节约了成本；

4）可实现长期、定点以及在特定环境下监测：借助无人机的灵活机动性可在高海拔、沼泽和高山等环境下开展测定工作，尤其是地势复杂、海拔高、工作环境艰难的区域；

5）结构合理，操作简单，打破了传统测定方法的局限性，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明测定草地初级生产力装置的结构示意图；

图2为本发明测定草地初级生产力装置中测量标尺的结构示意图；

图3为本发明测定草地初级生产力装置中平衡盘的结构示意图；

图中：1-无人机，2-摄像头，3-牵引线，4-测量标尺，5-平衡盘，6-反光镜，7-牵引线连接孔，8-碰触感应指示灯，9-配重头，10-标尺安装孔。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1-3所示，一种草地初级生产力的测定装置，包括多旋翼无人机1和测量装置，所述测量装置包括一平衡盘5和数个具有一定重量的测量标尺4，测量标尺4的上端通过牵引线3竖直连接在无人机1的机翼上，测量标尺4的底端贯穿平衡盘5，使平衡盘5水平固定在测量标尺4上,所述平衡盘5中心设置有环形的反光镜6，反光镜6镜面与平衡盘5盘面呈45°角，且反光镜6与设置在无人机1下方的摄像头2垂直对应，反光镜6配合无人摄像头2清晰记录每个测量标尺的刻度。其中，无人机1飞行中产生均匀稳定的气流，保证气流产生的压力均匀稳定，减小测定误差；牵引线3用于连接无人机和测量装置，是具有一定强度和抗拉特性的柔软引线，目的在于缓冲测量标尺4与无人机1间的相互作用，减少无人机气流对测量标尺4产生影响，牵引线3长度依据草地植被的高度和产量活动可调节；测量标尺4为具有一定重量的塑料或金属棒，其表面光滑且具有明显的刻度值，测量标尺4长度依测定目标样地而定，数量至少为3根，以保证无人机1和平衡盘5的平衡，平衡盘5是由透明材质（塑料或其他材料）制作的圆盘，平衡盘5的边缘及与测量标尺4接触区光滑以减少摩擦产生的误差，重量和面积依据目标样地的实况需要确定；采用透明材质是为了防止测量区异物（如石头等）对测量结果产生影响。

优选地，所述测量标尺4的底端设置有触碰感应装置。具体地如图2所示，所述测量标尺4的主体为其上设有刻度的竖直杆，杆面光滑，刻度清晰，竖直杆顶端连接有可旋转的牵引线连接孔7，可旋转能有效降低牵引线3扭曲程度，保证测量标尺4处于垂直状态，竖直杆底部连接有倒锥形的配重头9，配重头9上端与竖直杆连接侧形成安装台肩，配重头9底部为设有触碰感应装置的水平断面；平衡盘5盘面上均布有数个标尺安装孔10，测量标尺4贯穿平衡盘5，使平衡盘5水平固定在安装台肩上；配重头9为倒锥形有助于穿透植被，且底部为水平断面能防止配重头9插入土壤中，便于碰触地面进行感应指示。进一步地，测量标尺4主体的上端还设有起警示作用的触碰感应指示灯8,可以由此判断测量标尺的配重头是否已触地，防止出现因地面不平导致的误差。

本发明一种草地初级生产力测定方法利用常规无人机和配套测量装置对草地初级生产力进行快速、准确测量，具体包括以下步骤，

1）选取目标样地，确定目标样地内的测定样点，分别测量各个测定样点的实测值和估测值，以构建目标样地草产量实测值与估测值的关系曲线，其中至少选取10个呈梯度变化的测定样点，以确保所构建的关系曲线的准确性；

2）设定上述测定装置中无人机离地面的垂直高度，优选为3m，依据目标样地大小测量测定样点草产量的估测值，估测值取各个测量标尺值的平均值，实测值则通过齐地面刈割法获得，利用各个测定样点的实测值和估测值构建关系曲线；其中，无人机离地面的垂直高度优选设定为3m；设定这一高度的作用机理是：在这一高度的上下方测量装置随着无人机的移动幅度较小，提高了测定速度和准确度；并且这一高度下无人机产生的气流相对较小且稳定，随着产草量的变化幅度无人机气流的变化较小，减小了测量误差；此外，在该高度下反光镜的拍照更为清晰，进一步保证了测定结果的精确性；

3）将上述步骤2中测得的估测值依据所构建的实测值与估测值关系曲线进行校正，确定各个测定样点的草产量以及目标样地范围内的草产量，进而得到该目标样地的草地初级生产力。同时，在某一测定样点可依据各个测量标尺的数值差异确定该测定样点草产量的异质性，由各个测定样点草产量的异质性确定目标样地草地初级生产力的异质性。

此外，当目标样地的实测值不便于通过测量直接获得时，例如高海拔、多沼泽等特殊地理环境的草地；首先，可利用与待测目标样地的草地类型和测定时间相似的已知样地数据提前构建草地初级生产力实测值与估测值的关系曲线；因本测定装置助无人机的灵活机动性，可在高海拔、沼泽和高山等环境下开展测定工作，尤其是地势复杂、海拔高、工作环境艰难的区域，利用本测定装置测量待测目标样地的估测值，最后通过关系曲线校正获取的估测值；还可借助无人机的GPS定位装置对观测点进行长期、定点、准确监测；利用本装置能有效打破传统测定方法的局限性，适于推广应用。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。