一种点面结合的枯落物含水量监测系统的制作方法
本发明涉及一种点面结合的枯落物含水量监测系统，为林业生态、水土保持、流域水循环等领域提供有效的技术支持。
背景技术：
1、在生态环境监测和森林资源管理中，枯落物作为森林生态系统的重要组成部分，对水分循环、土壤保持以及生物多样性等方面均发挥着重要作用。然而，枯落物含水量监测技术长期面临着挑战，由于枯落物具有结构松散、有机质含量高、厚度较薄等特点，常见的土壤水分传感器很难直接、准确地测定枯落物含水量。因此，研发高效、准确的枯落物含水量监测技术成为当前森林资源管理的重要任务。
2、在枯落物含水量监测技术的研发过程中，前人文献提供了丰富的理论基础和实践经验。这些研究主要集中在枯落物持水导水机理、枯落物对水文过程的影响以及枯落物含水量监测方法等方面。例如，枯落物持水导水理论研究通过针对枯落物层的持水导水等特性进行实验研究，提出了枯落物持水导水理论，为探明可靠的枯落物含水量监测方法提供了理论基础。同时，前人研究还探明了枯落物对极值水文过程的水分调蓄机理，为枯落物含水量监测提供了重要的科学依据。
3、在枯落物含水量监测方法方面，前人文献提出了多种方法，包括基于无土栽培介质含水量传感器的应用、智能算法内置于前端传感器的实时监测技术、相控阵雷达扫描技术等。这些方法在枯落物含水量监测方面取得了一定的成果，但仍存在监测精度不高、实时监测困难等问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供基于一种点面结合的枯落物含水量监测系统，通过结合点状和面状监测方式，实现了对枯落物含水量的全方位、高精度监测。
2、为了实现上述目的，本发明的方案是：一种点面结合的枯落物含水量监测系统，包括含水量传感器和含水量雷达探测器、以及边缘感知网关；在监测区域内间隔分布设置有多个监测点，在每一个监测点的枯落物表面、枯落物厚度中间以及枯落物接地面分别设置所述含水量传感器，在监测区域边缘设置所述含水量雷达探测器；
3、多个监测点设置的含水量传感器用于监测点枯落物表面、枯落物厚度中间以及枯落物接地面含水量，形成对监测区域点状含水量监测；
4、含水量雷达探测器扫描监测区域得到枯落物表面回波功率变化图，根据回波功率与含水量具有相对关系得到监测区域面状含水率分布图，形成对监测区域面状含水率监测；
5、含水量传感器与边缘感知网关无线连接进行信息交换，含水量雷达探测器与边缘感知网关通过有线或4g/5g网络连接进行信息交换，边缘感知网关与监控服务器连接。
6、方案进一步是：所述多个监测点在监测区域内呈网格状间隔分布。
7、方案进一步是：所述含水量雷达探测器是合成孔径雷达，所述监测区域是合成孔径雷达扫描成像区域。
8、方案进一步是：所述点状含水量监测提供监测区域点位的精确含水量数据，所述面状含水率监测提供整个监测区域的含水量分布，两者通过边缘感知网关进行实时数据融合，形成全面、准确的枯落物含水量监测结果。
9、方案进一步是：所述系统设置有点状含水量监测模块、面状含水量监测模块、数据采集与处理模块、数据传输模块；
10、所述点状含水量监测模块：用于接收记录监测点含水量传感器的含水量数据，形成监测区域含水量的点状分布；
11、所述面状含水量监测模块：用于接收处理含水量雷达探测器扫描监测区域数据，形成监测区域含水量的面状分布；
12、所述数据采集与处理模块：用于在所述点状含水量监测模块和所述面状含水量监测模块中，对接收记录的监测点含水量传感器的含水量数据，以及对接收的含水量雷达探测器扫描监测区域数据，进行数据清洗、去噪、平滑处理，处理后的数据被整合成标准格式，用于后续的分析和可视化；
13、所述数据传输模块：用于将所述点状分布、面状分布以及所述处理后的数据以安全模式输送到数据中心或用户终端。
14、方案进一步是：所述含水量传感器包括激励信号源、双环式探头、检波电路和微处理器，所述双环式探头包括一个发射探针和两个接地探针，接地探针间隔设置在发射探针两侧，激励信号源由微处理器控制输出一个50mhz至150mhz的振荡信号通过同轴电缆至发射探针，在同轴电缆中间一段两端接出信号线连接检波电路，检波电路输出连接微处理器，同轴电缆将高频振荡信号传输到双环式探头，并接收反射信号经检波电路送至微处理器。
15、方案进一步是：所述含水量传感器采用驻波比法确定监测点枯落物的含水率，驻波比法的关系式为：
16、；
17、其中：
18、 为同轴电缆中间一段两端，即 、 两点的电压差；
19、——信号源输出信号幅值，单位为v；
20、——双环式探头及其周围介质的阻抗，单位为欧姆；
21、 ——同轴传输线特征阻抗，单位为欧姆。
22、方案进一步是：所述根据回波功率与含水量具有相对关系得到监测区域面状含水率分布图是：根据回波功率和雷达参数计算得到所述回波功率变化图各点的介电常数，在实验室通过实验建立介电常数与含水量的关系模型，将得到所述回波功率变化图各点的介电常数带入关系模型，得到监测区域面状含水率分布图。
23、本发明的有益效果是：
24、1. 高精度监测：通过结合点状和面状监测方式，实现了对枯落物含水量的全方位、高精度监测。
25、2. 实时监测与传输：系统能够实时监测枯落物含水量，并将数据快速传输到数据中心，为及时响应和决策提供支持。
26、3. 智能化处理：内置的智能算法和边缘感知网关的强大数据处理能力，使得系统能够在复杂环境中稳定运行，并自动进行异常检测和数据分析。
27、4. 广泛的适用性：本发明不仅适用于森林生态系统，还可扩展应用于其他类型的生态系统如草原、湿地等，具有广泛的适用性。
28、5. 提升管理效率：通过提供全面、准确的含水量数据，有助于森林资源管理者做出更科学的决策，提升管理效率和保护效果。
29、下面结合附图和实施例对发明作一详细描述。
技术特征：
1.一种点面结合的枯落物含水量监测系统，包括含水量传感器和含水量雷达探测器、以及边缘感知网关，其特征在于，在监测区域内间隔分布设置有多个监测点，在每一个监测点的枯落物表面、枯落物厚度中间以及枯落物接地面分别设置所述含水量传感器，在监测区域边缘设置所述含水量雷达探测器；
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述多个监测点在监测区域内呈网格状间隔分布。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述含水量雷达探测器是合成孔径雷达，所述监测区域是合成孔径雷达扫描成像区域。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述点状含水量监测提供监测区域点位的精确含水量数据，所述面状含水率监测提供整个监测区域的含水量分布，两者通过边缘感知网关进行实时数据融合，形成全面、准确的枯落物含水量监测结果。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述系统设置有点状含水量监测模块、面状含水量监测模块、数据采集与处理模块、数据传输模块；
6.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述含水量传感器包括激励信号源、双环式探头、检波电路和微处理器，所述双环式探头包括一个发射探针和两个接地探针，接地探针间隔设置在发射探针两侧，激励信号源由微处理器控制输出一个50mhz至150mhz的振荡信号通过同轴电缆至发射探针，在同轴电缆中间一段两端接出信号线连接检波电路，检波电路输出连接微处理器，同轴电缆将高频振荡信号传输到双环式探头，并接收反射信号经检波电路送至微处理器。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，所述含水量传感器采用驻波比法确定监测点枯落物的含水率，驻波比法的关系式为：
8.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述根据回波功率与含水量具有相对关系得到监测区域面状含水率分布图是：根据回波功率和雷达参数计算得到所述回波功率变化图各点的介电常数，在实验室通过实验建立介电常数与含水量的关系模型，将得到所述回波功率变化图各点的介电常数带入关系模型，得到监测区域面状含水率分布图。
技术总结
本发明公开了一种点面结合的枯落物含水量监测系统，包括含水量传感器和含水量雷达探测器、以及边缘感知网关，在监测区域内间隔分布设置有多个监测点，在每一个监测点的枯落物表面、枯落物厚度中间以及枯落物接地面分别设置所述含水量传感器，在监测区域边缘设置所述含水量雷达探测器；多个监测点形成对监测区域点状含水量监测；含水量雷达探测器扫描监测区域得到枯落物表面回波功率变化图，根据回波功率与含水量具有相对关系得到监测区域面状含水率分布图，形成对监测区域面状含水率监测；含水量传感器与边缘感知网关无线连接进行信息交换，含水量雷达探测器与边缘感知网关有线连接进行信息交换，边缘感知网关与监控服务器连接。
技术研发人员：刘潇,谢敏,刘荣华,何智博,李磊
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5