CN113534297A - 一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于积雪深度测量技术领域，公开了一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置及方法，且装置包括安装架、以及设置于所述安装架上的微调机构和测量机构；所述微调机构用于调整所述测量机构的水平状态，并使所述测量机构与被测地面平行；所述测量机构包括：对称设置的两个红外雪深传感器，且两个红外雪深传感器均可独立转动；设置于两个所述红外雪深传感器之间的摄像机，且所述摄像机可在两个红外雪深传感器之间往复移动，所述摄像机的移动方向与红外雪深传感器的转轴垂直；综上，当两个红外雪深传感器在积雪表面所形成的红外光斑重合时，执行雪深计算，由此使得整体雪深监测不受传感器安装角度的影响，提高雪深监测精度。

Description

一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置及方法
技术领域
本发明属于积雪深度测量技术领域，具体涉及一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置及方法。
背景技术
目前，对于积雪深度的测量，传统方法是采用量雪尺或普通米尺垂直***雪中，读取雪深刻度；但是这种测量方法耗时耗力，且主要依赖于工作人员的主观测量，实时性较差。
另外，在现有技术中还有通过激光雪深传感器、超声雪深传感器等传感仪器直接获取降雪深度的实时测量方法，这些方法虽然实时性高，但是仍存在一定缺陷，例如：超声雪深传感器在测量时会受风速、雪面不平整、低吹雪、较低温度等因素的影响，激光雪深传感器在测量时会受安装角度、测量位置等因素的影响，从而存在测量精准度较差的问题。
发明内容
鉴于此，为解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，包括安装架、以及设置于所述安装架上的微调机构和测量机构；
所述微调机构用于调整所述测量机构的水平状态，并使所述测量机构与被测地面平行；
所述测量机构包括：
对称设置的两个红外雪深传感器，且两个红外雪深传感器均可独立转动；
设置于两个所述红外雪深传感器之间的摄像机，且所述摄像机可在两个红外雪深传感器之间往复移动，所述摄像机的移动方向与红外雪深传感器的转轴垂直；
当所述摄像机采集到两个红外雪深传感器在被测地面或积雪表面所形成的红外光斑重合时，所述红外雪深传感器按预设公式执行雪深计算，且预设公式为：h＝H－L；L＝asind；
Figure BDA0003166008310000021
其中：a、b分别为两个红外雪深传感器至红外光斑重合点处的距离，c为两个红外雪深传感器之间的距离，d为距离为a的外雪深传感器与水平线之间的夹角，L为外光斑重合点与测量机构之间的垂直距离，H为测量机构与被测地面之间的垂直距离，h为当前雪深。
优选的，所述安装架包括对称固定于被测地面上的两个立架、以及固定于两个立架顶部的桁架，且所述微调机构和测量机构均安装于桁架上。
优选的，在所述桁架底部固定有安装座，在所述安装座上转动设有转架，且所述红外雪深传感器和摄像机均安装于转架上；在所述转架的外壁上对称固定有两个驱动电机，且两个红外雪深传感器分别通过两个驱动电机驱动转动；在所述转架上固定有直线驱动组件，且所述直线驱动组件用于驱动摄像机在两个红外雪深传感器之间移动。
优选的，所述直线驱动组件包括：
开设于所述转架底部的滑槽，且所述滑槽内转动设有丝杠，所述摄像机顶部滑动配合于滑槽内，所述丝杠贯穿摄像机，并与摄像机螺旋配合；
固定于所述转架顶部的转动电机，所述转动电机与丝杠之间连接有传动齿轮组，且所述转动电机通过传动齿轮组驱动丝杠转动。
优选的，所述转架转轴与桁架垂直，且在所述转架顶部开设有斜槽；所述斜槽与转动电机分别位于安装座的两侧，且斜槽槽深沿转架的端部向中间部位依次增加。
优选的，所述微调机构包括：
可沿桁架移动的移动杆；
转动安装于所述移动杆底部的滚轮，且所述滚轮底部与斜槽接触；
固定于所述桁架顶部的至少两个固定座，且所述固定座上转动贯穿有螺纹杆，所述螺纹杆与桁架平行贯穿，且螺纹杆贯穿移动杆，并与移动杆螺旋配合；
固定于所述螺纹杆一端的蜗杆；
固定于所述转架顶部的弧形齿板，所述弧形齿板靠近转动电机，且弧形齿板与转架同轴配合，所述弧形齿板向上延伸并贯穿桁架，且弧形齿板与桁架之间通过可拆卸的螺栓固定连接；
固定于所述桁架顶部的涡轮，且涡轮两侧分别与蜗杆和弧形齿板啮合。
一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的方法，包括如下步骤：
S1.安装监测装置，且所述监测装置上述公开的能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置；
S2.装置微调，以使测量机构与被测地面平行；
S3.测量平行状态下测量机构与被测地面之间的垂直距离；
S4.转动测量机构中的两个红外雪深传感器，以使两个红外雪深传感器在被测地面或积雪表面所形成的红外光斑重合；
S5.摄像机采集红外光斑重合的图像信息，并触发红外雪深传感器按预设公式执行雪深计算，且预设公式为：
h＝H－L；
L＝asind；
Figure BDA0003166008310000031
其中：a、b分别为两个红外雪深传感器至红外光斑重合点处的距离，c为两个红外雪深传感器之间的距离，d为距离为a的外雪深传感器与水平线之间的夹角，L为外光斑重合点与测量机构之间的垂直距离，H为测量机构与被测地面之间的垂直距离，h为当前雪深；
S6.分别转动两个红外雪深传感器、移动摄像机，并重复多次步骤S4及步骤S5，获得多次测量雪深；
S7.计算多次测量雪深的均值，并以均值为实际雪深。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)在本发明中，对称设置两个可转动的红外雪深传感器，并当两个红外雪深传感器在积雪表面所形成的红外光斑重合时，执行雪深计算，由此使得整体雪深监测不受传感器安装角度的影响，从而有效提高了雪深监测精度。
(2)针对上述红外雪深传感器，其红外光斑重合通过摄像机的图像监测获取，其红外光斑重合通过摄像机的图像监测获取，由此保证整体装置在无需进行高精度图像分析的情况下实现雪深的精准监测。
(3)针对上述红外雪深传感器，对称安装于转架上，且转架通过微调机构的限定，能有效保证其与被测地面平行，由此进一步的提高了雪深监测精度。
(4)针对上述红外雪深传感器，通过调整不同监测角度的方式可实现多处雪深测量，由此能有效避免单一位置测量所引起的测量失误现象。
(5)针对上述摄像机，将其设为可移动安装，由此能有效提高摄像机的图像采集范围，提高增大红外雪深传感器的可测量范围。
(6)针对上述微调机构，主要由螺纹杆、蜗杆及涡轮等结构进行驱动，由此不仅能实现转架水平角度的调节，还能在调节后有效实现转架的稳定定位。
附图说明
图1为本发明装置的外观图；
图2为本发明装置的内部结构图；
图3-图5为本发明装置进行雪深测量的原理图；
图中：安装架-1；立架-11；桁架-12；红外雪深传感器-2；摄像机-3；安装座-4；转架-5；驱动电机-51；丝杠-52；转动电机-53；斜槽-54；移动杆-6；滚轮-61；固定座-7；螺纹杆-71；蜗杆-72；涡轮-8；弧形齿板-9。
具体实施方式
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。
请参阅图1-图2所示，在本发明中提供了一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，且该装置包括：安装架1、以及设置于安装架1上的微调机构和测量机构。其中：
结合图示可知，关于安装架1，包括：
对称固定于被测地面上的两个立架11、以及固定于两个立架11顶部的桁架12。具体，在进行整体装置的安装时，应尽量保证桁架12与被测地面平行。
结合图示可知，关于测量机构，包括：
在桁架12底部固定有安装座4，且在安装座4上转动设有转架5；
在转架5上转动安装有两个红外雪深传感器2，且两个红外雪深传感器2分别靠近转架5的两端；在转架5的外壁上对称固定有两个驱动电机51，且两个红外雪深传感器2分别通过两个驱动电机51驱动转动；
在两个红外雪深传感器2之间设有摄像机3，在转架5上固定有直线驱动组件，且直线驱动组件用于驱动摄像机3在两个红外雪深传感器2之间移动，摄像机3的移动方向与红外雪深传感器2的转轴垂直。
进一步的，关于上述直线驱动组件包括：
开设于转架5底部的滑槽，且滑槽内转动设有丝杠52，摄像机3顶部滑动配合于滑槽内，丝杠52贯穿摄像机3，并与摄像机3螺旋配合；
固定于转架5顶部的转动电机53，转动电机53与丝杠52之间连接有传动齿轮组，且转动电机53通过传动齿轮组驱动丝杠52转动。
由上可知，关于两个红外雪深传感器2的转动通过对应驱动电机51进行直接驱动；关于摄像机3的移动，由转动电机53进行驱动，从而通过传动齿轮组的传动驱使丝杠52进行转动，而丝杠52在转动时与摄像机3产生螺旋传动，由此驱使摄像机3在滑槽内进行滑动，而摄像机3的移动可有效增大摄像机3所能进行图像采集的范围，进而使得红外雪深传感器2所能执行的测量范围增大。
另外，转架5转轴与桁架12垂直，且在转架5顶部开设有斜槽54；斜槽54与转动电机53分别位于安装座4的两侧，且斜槽54槽深沿转架5的端部向中间部位依次增加。
结合图示可知，关于微调机构，包括：
可沿桁架12移动的移动杆6；
转动安装于移动杆6底部的滚轮61，且滚轮61底部与斜槽54接触；
固定于桁架12顶部的至少两个固定座7，且固定座7上转动贯穿有螺纹杆71，螺纹杆71与桁架12平行贯穿，且螺纹杆71贯穿移动杆6，并与移动杆6螺旋配合；
固定于螺纹杆71一端的蜗杆72；
固定于转架5顶部的弧形齿板9，且弧形齿板9靠近转动电机53，弧形齿板9与转架5同轴配合，且弧形齿板9向上延伸并贯穿桁架12；
固定于桁架12顶部的涡轮8，且涡轮8两侧分别与蜗杆72和弧形齿板9啮合。
由上可知，关于微调机构调整测量机构水平状态的原理如下。
假设在进行整体装置的安装时，图1中桁架12的右端较低，由此为保证整体测量机构的水平则进行如下调整：
转动螺纹杆71远离蜗杆72的一端，以此驱使螺纹杆71进行转动，螺纹杆71在转动时与移动杆6形成螺旋传动，由此驱使移动杆6向左侧移动；
上述螺纹杆71在转动时还带动蜗杆72进行转动，由此驱使涡轮8进行转动，进而带动弧形齿板9产生逆势转动，以此将整体测量机构的右端抬起；
上述移动杆6向左侧移动时，带动滚轮61进行同步移动，而斜槽54槽深在图1中由右向左依次减小，由此滚轮61的移动则会对斜槽54产生挤压，从而下压整体测量机构的左端。
综上，同步实现整体测量机构的右端抬起和左端下压，由此有效实现对桁架12的右端较低的倾斜状态的弥补。
另外，在微调后可在通过螺栓(图中未示出)将弧形齿板9与桁架12固定起来，由此有效保证整体结构定位的稳定。
优选的，为使得安装及上述微调更为方便，可在转架5的中间位置处设置一水平仪，由此方便进行整体测量机构水平状态的观察。
综上，为节省装置安装成本，可对应设置太阳能供电设备，以为上述红外雪深传感器2、摄像机3、转动电机53等设备进行供电，由此无需执行远程有线供电的架设。
结合图3所示，根据上述所提供的装置，在本发明中还提供了一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的方法：
S1.安装监测装置，且监测装置为上述所公开的装置；
S2.根据上述描述进行装置微调，以使测量机构与被测地面平行；
S3.测量平行状态下测量机构与被测地面之间的垂直距离H；
S4.转动测量机构中的两个红外雪深传感器2，以使两个红外雪深传感器2在被测地面或积雪表面所形成的红外光斑重合；
S5.摄像机3采集红外光斑重合的图像信息，并触发红外雪深传感器2按预设公式执行雪深计算，且预设公式为：
h＝H－L；
L＝asind；
Figure BDA0003166008310000081
其中：a、b分别为两个红外雪深传感器2至红外光斑重合点处的距离，c为两个红外雪深传感器2之间的距离，d为距离为a的外雪深传感器2与水平线之间的夹角，L为外光斑重合点与测量机构之间的垂直距离，H为测量机构与被测地面之间的垂直距离，h为当前雪深。
具体的，在实际进行森林积雪深度的测量中，由于森林中被测地面上生长了各种各样的花草植被，因此森林中被测地面大多为非平坦地面，此若仅进行单一位置的测量则仍能在测量精度不足的问题，由此还提供如下优选的监测方法：
结合图3-图5所示的原理可知，本发明装置及方法可执行多处监测；
在图3中，对应监测计算方式应为：
h1＝H－L1；L1＝a1sind1；
Figure BDA0003166008310000082
在图4中，对应监测计算方式应为：
h2＝H－L2；L2＝a2sind2；
Figure BDA0003166008310000083
在图5中，对应监测计算方式应为：
h3＝H－L3；L3＝a3sind3；
Figure BDA0003166008310000084
上述，由于两个红外雪深传感器2为定位安装，因此c1＝c2＝c3而图3至图5的P1-P2处则表示为摄像机3安装于整体测量机构的中间处时所形成的图像采集区域。
综上，基于图3至图5的三处监测，则计算最终监测结果为：
Figure BDA0003166008310000091
Figure BDA0003166008310000092
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于：包括安装架(1)、以及设置于所述安装架(1)上的微调机构和测量机构；
所述微调机构用于调整所述测量机构的水平状态，并使所述测量机构与被测地面平行；
所述测量机构包括：
对称设置的两个红外雪深传感器(2)，且两个红外雪深传感器(2)均可独立转动；
设置于两个所述红外雪深传感器(2)之间的摄像机(3)，且所述摄像机(3)可在两个红外雪深传感器(2)之间往复移动，所述摄像机(3)的移动方向与红外雪深传感器(2)的转轴垂直；
当所述摄像机(3)采集到两个红外雪深传感器(2)在被测地面或积雪表面所形成的红外光斑重合时，所述红外雪深传感器(2)按预设公式执行雪深计算，且预设公式为：
h＝H－L；
L＝asind；
Figure FDA0003166008300000011
其中：a、b分别为两个红外雪深传感器(2)至红外光斑重合点处的距离，c为两个红外雪深传感器(2)之间的距离，d为距离为a的外雪深传感器(2)与水平线之间的夹角，L为外光斑重合点与测量机构之间的垂直距离，H为测量机构与被测地面之间的垂直距离，h为当前雪深。
2.根据权利要求1所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于：所述安装架(1)包括对称固定于被测地面上的两个立架(11)、以及固定于两个立架(11)顶部的桁架(12)，且所述微调机构和测量机构均安装于桁架(12)上。
3.根据权利要求2所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于：在所述桁架(12)底部固定有安装座(4)，在所述安装座(4)上转动设有转架(5)，且所述红外雪深传感器(2)和摄像机(3)均安装于转架(5)上；
在所述转架(5)的外壁上对称固定有两个驱动电机(51)，且两个红外雪深传感器(2)分别通过两个驱动电机(51)驱动转动；
在所述转架(5)上固定有直线驱动组件，且所述直线驱动组件用于驱动摄像机(3)在两个红外雪深传感器(2)之间移动。
4.根据权利要求3所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于，所述直线驱动组件包括：
开设于所述转架(5)底部的滑槽，且所述滑槽内转动设有丝杠(52)，所述摄像机(3)顶部滑动配合于滑槽内，所述丝杠(52)贯穿摄像机(3)，并与摄像机(3)螺旋配合；
固定于所述转架(5)顶部的转动电机(53)，所述转动电机(53)与丝杠(52)之间连接有传动齿轮组，且所述转动电机(53)通过传动齿轮组驱动丝杠(52)转动。
5.根据权利要求4所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于：所述转架(5)转轴与桁架(12)垂直，且在所述转架(5)顶部开设有斜槽(54)；所述斜槽(54)与转动电机(53)分别位于安装座(4)的两侧，且斜槽(54)槽深沿转架(5)的端部向中间部位依次增加。
6.根据权利要求5所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于，所述微调机构包括：
可沿桁架(12)移动的移动杆(6)；
转动安装于所述移动杆(6)底部的滚轮(61)，且所述滚轮(61)底部与斜槽(54)接触。
7.根据权利要求6所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于，所述微调机构还包括：
固定于所述桁架(12)顶部的至少两个固定座(7)，且所述固定座(7)上转动贯穿有螺纹杆(71)，所述螺纹杆(71)与桁架(12)平行贯穿，且螺纹杆(71)贯穿移动杆(6)，并与移动杆(6)螺旋配合。
8.根据权利要求7所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置，其特征在于，所述微调机构还包括：
固定于所述螺纹杆(71)一端的蜗杆(72)；
固定于所述转架(5)顶部的弧形齿板(9)，所述弧形齿板(9)靠近转动电机(53)，且弧形齿板(9)与转架(5)同轴配合，所述弧形齿板(9)向上延伸并贯穿桁架(12)，且弧形齿板(9)与桁架(12)之间通过可拆卸的螺栓固定连接；
固定于所述桁架(12)顶部的涡轮(8)，且涡轮(8)两侧分别与蜗杆(72)和弧形齿板(9)啮合。
9.一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.安装监测装置，且所述监测装置为权利要求1-8中任意一项所述的能够对森林积雪深度进行准确实时监测的装置；
S2.装置微调，以使测量机构与被测地面平行；
S3.测量平行状态下测量机构与被测地面之间的垂直距离；
S4.转动测量机构中的两个红外雪深传感器(2)，以使两个红外雪深传感器(2)在被测地面或积雪表面所形成的红外光斑重合；
S5.摄像机(3)采集红外光斑重合的图像信息，并触发红外雪深传感器(2)按预设公式执行雪深计算，且预设公式为：
h＝H－L；
L＝asind；
Figure FDA0003166008300000041
其中：a、b分别为两个红外雪深传感器(2)至红外光斑重合点处的距离，c为两个红外雪深传感器(2)之间的距离，d为距离为a的外雪深传感器(2)与水平线之间的夹角，L为外光斑重合点与测量机构之间的垂直距离，H为测量机构与被测地面之间的垂直距离，h为当前雪深。
10.根据权利要求9所述的一种能够对森林积雪深度进行准确实时监测的方法，其特征在于，所述方法还包括：
S6.分别转动两个红外雪深传感器(2)、移动摄像机(3)，并重复多次步骤S4及步骤S5，获得多次测量雪深；
S7.计算多次测量雪深的均值，并以均值为实际雪深。
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