一种基于无人机的土壤-植被-大气水分采集系统

1.本发明涉及环境监测领域，具体涉及一种基于无人机的土壤-植被-大气水分采集系统。


背景技术：

2.水循环是生态系统物质循环的重要组成部分，影响和驱动着个体的生长、发育和繁殖，对水循环的研究，常采用同位素示踪。水的稳定同位素包括了h
218
o、h
217
o以及hdo等，在蒸发、冷凝、植被呼吸和光合作用、大气对流等水文循环过程中含量发生变化，是水文气象过程的示踪剂，为水循环研究提供重要信息。
3.由于采样手段的局限，对水汽采样多为人工实地采样或者地面固定测点采样。实地采样费时费力，且有的地区例如高山、峡谷等不易取样，造成这些地方的数据缺乏；而固定测点采样同样需要人员维护，往往对研究结果造成影响。近年来陆续提出了有关大气水汽采样的无人机方法，但这些解决方案只局限于大气水汽采样，不能做到整个生态系统不同梯度土壤-植被-大气连续不间断采样，所以有必要提供一种不同梯度生态系统不同梯度水源水汽采集的新装置。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中的缺陷，综合对土壤、大气和植物采样的步骤，设计了基于无人机的土壤-植被-大气水分采集系统。该系统质量能控制在5kg以内，实现对人工采样难度较大的地方不同梯度水汽的采集，大幅度降低成本，增大了数据采集范围和广度，使得采样数据更加可靠，便于研究者研究。
5.一种基于无人机的土壤-植被-大气水分采集系统，包括采样单元、监测单元、控制单元、通信单元以及终端；采样单元，包括土壤水分采样装置、大气水分采样装置以及植被水分采样装置，分别用于对土壤、大气以及植被部分的水分采集；监测单元，用于测量环境的温度、湿度以及气压值，并对无人机进行准确定位；控制单元分别与采样单元和监测单元连接，用于控制监测单元运行，并控制采样单元进行采样工作；通信单元，与控制单元和终端连接，用于控制单元和终端之间信号的传递；终端，用于接收监测数据并发送控制指令到控制单元控制采样单元进行采样，同时接收采样数据进行存储。
6.进一步的，所述土壤水分采样装置包括上层箱和底部开口的下层箱，上层箱和下层箱之间设置隔板，并在隔板上设置用于连通上层箱和下层箱取样孔，上层箱和下层箱内设置用于排气的排气组件；上层箱内设置取样钻头、用于驱动取样钻头的驱动组件以及顶部开口的采样瓶，采样瓶大小与取样钻头相匹配；采样瓶外还设置有用于加热取样钻头内土样的第一加热线圈，并设置有通过第一导管与采样瓶连接的第一采样管，第一导管与第
一采样管管口连接部位设置第一冷凝器，用于冷凝水蒸气。
7.进一步的，所述大气水分采样装置包括第二冷凝器，第二冷凝器采用内部冷凝的方式，为双层结构，外层结构为待测空气通道，内层结构为冷凝通道；外层结构底部侧面设置用于吸入待测空气的第一进气管，顶部设置用于排出冷凝后的待测空气的第一出气管，并在底部设置用于冷凝水流出的第二导管，第二导管与第二采样管连接。
8.进一步的，所述冷凝通道包括第二进气管、第二出气管以及与第二进气管的第二出气管连接的冷凝管，冷凝管包括上部和下部均设置成冷凝环管，并在中部设置多条冷凝直管，冷凝直管沿着冷凝环管圆周排列，冷凝直管上设置多条固定环，用于固定冷凝直管。
9.进一步的，所述植被水分采样装置包括采样容器，所述采样容器包括翻盖形式打开和闭合的容器盖、缠绕在侧面的第二加热线圈以及用于水蒸气流出的第三导管，第三导管与第三采样管连接，并在第三导管和第三采样管连接的端部设置第三冷凝器。
10.进一步的，所述植被水分采样装置还包括安装在采样容器内用于抓取植物枝叶部分的采样爪，采样爪包括抓具、外轴和套合在外轴一端内部的内轴，内轴可在外轴内沿外轴的轴向滑动；套合内轴的外轴一端设置第一连接结构，并在同侧的内轴一端设置第二连接结构，抓具非抓取端设置连杆部件，连杆部件与第二连接结构连接，且非抓取端与第一连接结构连接，内轴上还设置有弹簧，弹簧固定在第一连接结构和第二连接结构之间。
11.进一步的，所述采样装置还包括液氮冷凝装置，液氮冷凝装置包括第三进气管、液氮瓶以及第三出气管，第三进气管深入液氮瓶，用于当液氮气化慢供气不足时通入空气，以便加速液氮气化；第三出气管一端设置在液氮瓶瓶口位置，另一端用于气化液氮的输出，冷凝水蒸气。
12.进一步的，所述监测单元包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器以及gps定位器，分别用于对温度、湿度、压力以及无人机位置的测量。
13.进一步的，所述控制单元包括控制芯片、土壤水分采样控制端、大气水分采样控制端以及植被水分采样控制端，控制芯片分别与土壤水分采样控制端、大气水分采样控制端以及植被水分采样控制端连接，控制芯片通过三个采样控制端分别控制对应的采样装置。
14.进一步的，所述通信单元包括设置在无人机上的信号接收器和地面通信基站，信号接收器与控制芯片连接，并通过地面通信基站与终端通信。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：（1）通过使用无人机搭载本发明所述的采样单元、检测单元和控制单元，并通过通信单元和终端进行数据存储和调试控制，可实现对人工采样难度较大的地方不同梯度水汽的无人智能化采集，增大了数据采集范围和广度，使得采样数据更加可靠，便于研究者研究；（2）采用土壤、大气以及植被水分采集于一体的设计，并通过液氮冷凝，提高了在不同采集环境下采集水分的便捷性以及采集效率，同时液氮冷凝的小体积轻质量也能减小无人机整体重量，大幅度降低成本；（3）在上层箱和下层箱内设置排气组件，在采样时能排尽内部干扰的空气，提高了土壤水分采集装置采集的准确性；（4）通过将第二冷凝器设计成外层待测通道，内层冷凝通道，使得采集大气中水分时能同时是内部气化液氮和外部空气对吸入的待测空气进行冷凝，同时内部冷凝通道设计
成上下冷凝环管与多条冷凝直管的组合，提高了待测空气中水分的冷凝效率；（5）通过控制采样爪抓取织物枝叶部分进入密闭的采样容器，并通过直接进行加热的方式对植物枝叶进行脱水处理，装置设计简单且工作效率高。
附图说明
16.图1为本发明装置实施方式示意图；图2为无人机携带本发明的布置图；图3是本发明各部分连接框图；图4为本发明采样单元各部分布置图；图5为本发明中土壤水分采样装置示意图；图6为本发明中大气水汽采样装置示意图；图7为本发明中植被水分采样装置采样容器示意图；图8为本发明中植被水分采样装置采样爪示意图；图9为本发明中植被水分采样装置的内外轴结构图。
17.图10为本发明中植被水分采样装置的抓具结构图。
18.图中：采样单元1；土壤水分采样装置101；上层箱102；取样钻头103；密封圈104；驱动组件105；驱动电机1051；轮轴1052；采样瓶106；第一加热线圈107；第一电瓶108；第一导管109；第一冷凝器110；第一采样管111；下层箱112；隔板113；取样孔114；压缩氦气瓶115；大气水分采样装置201；第二冷凝器202；第一进气管203；第一出气管204；第二导管205；第二采样管206；第二进气管207；第二出气管208；冷凝环管209；冷凝直管210；固定环211；第三进气管212；液氮瓶213；第三出气管214；干燥管215；放气针216；植被水分采样装置301；第三冷凝器302；容器盖303；第三导管304；第三采样管305；第二加热线圈306；第二电瓶307；安装孔308；采样爪309；外轴310；第一连接结构311；内轴312；第二连接结构313；抓具314；连杆部件315；监测单元2；温度传感器21；湿度传感器22；气压传感器23；gps定位器24；控制单元3；控制芯片31；土壤水分采样控制端32；大气水分采样控制端33；植被水分采样控制端34；通信单元4；信号接收器41，地面通信基站42；终端5。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、
ꢀ“
底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.如图1-图4所示，一种基于无人机的土壤-植被-大气水分采集系统，包括采样单元1、监测单元2、控制单元3、通信单元4以及终端5。其中，采样单元1，包括土壤水分采样装置101、大气水分采样装置201以及植被水分采样装置301，分别用于对土壤、大气以及植被部分的水分采集。监测单元2，用于测量环境的温度、湿度以及气压值，并对无人机进行准确定位。控制单元3，分别与采样单元1和监测单元2连接，用于控制监测单元2运行，并控制采样单元1进行采样工作。通信单元4，与控制单元3和终端5连接，用于控制单元3和终端5之间信号的传递。终端5，用于接收监测数据并发送控制指令到控制单元3控制采样单元1进行采样，同时接收采样数据进行存储。
23.在一种实施方式中，监测单元2包括温度传感器21、湿度传感器22、气压传感器23以及gps定位器24，分别用于对温度、湿度、压力以及无人机位置的测量。控制单元3包括控制芯片31、土壤水分采样控制端32、大气水分采样控制端33以及植被水分采样控制端34，控制芯片31分别与土壤水分采样控制端32、大气水分采样控制端33以及植被水分采样控制端34连接，控制芯片31通过三个采样控制端分别控制对应的采样装置进行采样工作，控制芯片采用stm32f373rct精确测量型单片机。通信单元4包括设置在无人机上的信号接收器41和地面通信基站42，信号接收器41与控制芯片31连接，并通过地面通信基站42与终端5通信。在一种实施方式中，信号接收器41内设置有sim卡，可利用4/5g信号或wlan信号进行通信。
24.在一种实施方式中，如图5所示，土壤水分采样装置101包括上层箱102和下层箱112，下层箱112底部开口，高10cm，上层箱102和下层箱112之间设置隔板113隔开。上层箱102内设置有取样钻头103、用于驱动取样钻头103的驱动组件105以及顶部开口的采样瓶106，并在隔板113上设置取样孔114，用作取样钻头103取样通道。其中，取样钻头103大小与采样瓶106大小相匹配，取样钻头103上部设置有密封圈104，用于在取样完成后，通过驱动组件105将取样钻头103放入采样瓶106中，密封圈104能密封住采样瓶106，取样钻头103下部可拆成两段，每段10cm。采样瓶106外侧缠绕有第一加热线圈107，第一加热线圈107与第一电瓶108连接，用于加热密封在采样瓶106中的待测土样，使待测土样中的水分气化成水蒸气，接通电源后温度将在60s后升高到200℃。采样瓶106的侧面上部连接有第一导管109，第一导管109的末段设置单向阀，防止外部气体进入第一导管109，且在第一导管109的末段设置第一冷凝器110，用于冷凝从采样瓶106中流出的水蒸气，并用第一采样管111承接冷凝出的液态水。驱动组件105包括驱动电机1051和轮轴1052，驱动电机1051螺旋固定在轮轴1052上并能沿着轮轴1052水平转动，驱动电机1051的一端连接在取样钻头103顶部，通过驱动电机1051带动取样钻头103向下运动，采样后向上提起取样钻头103，接着沿着轮轴1052水平转动将取样钻头103放入采样瓶106中。
25.为了防止上层箱102和下层箱112内原有的空气影响采样，设置排气组件，用于采样前排空上层箱102和下层箱112内原有的空气。排气组件包括压缩氦气瓶115和阀门，压缩氦气瓶115通过导气管连接在下层箱112侧面，阀门设置在导气管中间段，用于控制开合和
关闭，同时在上层箱102顶部设置相同的导气管和阀门，用于排空气体。采样时，下层箱112贴紧地表采样位置，并保证上层箱102、下层箱112与地表之间密封，由此采样测量，减少实验误差。
26.在一种实施方式中，如图6所示，大气水分采样装置201包括第二冷凝器202，第二冷凝器202采用内部冷凝的方式，为双层结构，外层结构为待测空气通道，内层结构为冷凝通道。外层结构底部侧面设置用于吸入待测空气的第一进气管203，顶部设置用于排出冷凝后的待测空气的第一出气管204，并在底部设置用于冷凝水流出的第二导管205，第二导管205与第二采样管206连接。内层结构为“笼子”状的冷凝通道，下部为第二进气管207，上部设置有第二出气管208，中间为冷凝管。
27.第一进气管203上还设置有阀门和吸气泵，用于吸入待测空气。第一出气管204上设置有单向阀，防止外部空气倒吸进入第二冷凝器202。冷凝管包括上部和下部均设置成冷凝环管209，并在中部设置多条冷凝直管210，冷凝直管210沿着冷凝环管209圆周排列，冷凝直管210上设置多条固定环211，用于固定冷凝直管210。
28.在一中实施方式中，如图7-10所示，植被水分采样装置301包括采样容器，采样容器包括翻盖形式打开和闭合的容器盖303、缠绕在侧面的第二加热线圈306以及用于水蒸气流出的第三导管304，第三导管304的端部设置有单向阀，防止外部空气倒吸，第三导管304与第三采样管305连接，并在第三导管304和第三采样管305连接的端部设置第三冷凝器302。第二加热线圈306与第二电瓶307连接，用于加热密封在采样容器中的待测植物枝叶，使待测植物枝叶中的水分气化成水蒸气，接通电源后温度将在60s后升高到200℃。
29.植被水分采样装置301还包括采样爪309，采样爪309通过外轴310安装在采样容器内，在采样容器与容器盖303相对的一面设置有安装孔308，用于安装外轴310从而将采样爪309安装在采样容器内，且在容器盖303关闭后，植被水分采样装置301整体密封。采样爪309还包括活动连接在外轴310另一端的内轴312以及抓具314，内轴312套合在外轴310上，内轴312可在外轴310内沿外轴310的轴向滑动。套合内轴312的外轴310一端设置第一连接结构311，并在同侧的内轴312一端设置第二连接结构313，抓具314非抓取端设置连杆部件315，连杆部件315与第二连接结构313连接，且非抓取端与第一连接结构311连接，内轴312上还设置有弹簧，弹簧固定在第一连接结构311和第二连接结构313之间。套合内轴312的外轴310一端设置第一连接结构311，并在同侧的内轴312一端设置第二连接结构313，抓具314非抓取端设置连杆部件315，连杆部件315与第二连接结构313连接，且非抓取端与第一连接结构311连接。此种结构可实现内轴312相对于外轴310轴向方向向内挤压时，第一连接结构311和第二连接结构313通过连杆部件315使得抓具314张开，另一方面向外侧拉伸时能使抓具314闭合，并在抓具314的开合端设置半圆状的刀口，方便对织物枝叶进行切割取样。
30.为了提高对植物水分的采样效率，植被水分采样装置301材料采用惰性金属原件，耐高温、腐蚀和氧化。
31.在本发明的一种实施方式中，第一冷凝器110、第二冷凝器202和第三冷凝器302均采用液氮冷凝，具体的为，大气水分冷凝装置处设置有液氮冷凝装置，液氮冷凝装置包括第三进气管212、液氮瓶213以及第三出气管214，第三进气管212深入液氮瓶213，并设置吸气泵和阀门，用于当液氮气化慢供气不足时通入空气，以便加速液氮气化。为了防止水分进入液氮瓶213内结冰，在第三进气管212另一端还设置干燥管215，并在干燥罐另一端设置阀
门，干燥管215内有氧化钙，用于吸收进入空气的水分。第三出气管214一端设置在液氮瓶213瓶口位置，另一端用于气化液氮的输出，气化液氮的输出分别与第一冷凝器110、第二冷凝器202和第三冷凝器302的进气管道连接。液氮瓶213还的顶部还设置有放气针216，用于平衡液氮瓶213内气压。
32.土壤水分采样装置的工作原理：采样前，第一电瓶108不接通，所有阀门都关闭，第一冷凝器110不接通液氮。
33.采样时，土壤水分采样控制端32控制土壤水分采样装置101，下层箱112贴地，打开排气组件的两个阀门，压缩氦气瓶115向下层箱112中通气排出空气，通气30s后，所述驱动电机1051启动并缓慢沿轮轴1052下降，带动取样钻头103通过取样口钻入土壤。
34.取样钻头103钻入土壤20cm后，所述驱动电机1051启动回退模式，沿着轮轴1052上升。
35.取样钻头103头部位置高于采样瓶106瓶口后，驱动电机1051绕轮轴1052转动至对准采样瓶106。
36.驱动电机1051沿轮轴1052下降，直到密封圈104将采样瓶106塞紧，关闭排气组件，完成对土壤采样。
37.采样后，第一电瓶108接通，第一冷凝器110接通液氮，所有阀门都关闭，第一发热线圈温度升高，加热采样瓶106，采样瓶106内的土壤遇热后其中的水分沿第一导管109并通过第一冷凝器110冷凝液化，水分最终将收集至第一采样管111。
38.大气水分采样装置工作原理模式一：采样前，将所有阀门均关闭。
39.采样时，大气水分采样控制端33控制大气水分采样装置201，打开第一进气管203处的吸气泵和阀门，将空气吸入第二冷凝器202内，经过液氮瓶213内气化液氮的冷凝，空气中的水分液化下落进入第二采样管206，同时打开第一出气管204处的单向阀，排出除湿后的空气，完成采集。
40.若发现液氮气化的太慢不能满足供气要求，采样时，将液氮冷凝装置中所有阀门均打开，干燥管215处的吸气泵启动，吸入除湿空气加速液氮气化，进行冷凝作业。
41.植被水分采样装置的工作原理：采样前，植被水分采样装置的采样爪309位于植物枝叶水分采样模块的容器中，所述容器盖303关闭。
42.采样开始时，植被水分采样控制端34控制植被水分采样装置301，容器盖303打开，植被水分采样装置的采样爪309从植物枝叶水分采样模块的容器中推出，抓手张开。
43.接触到植物枝叶后，植被水分采样装置的采样爪309由轴拉进植物枝叶水分采样模块的容器中，位于采样爪309前端的刀口把植物枝叶剪断，所述容器盖303绕连接轴关闭。
44.采样后，第三冷凝器302开始通入氮气，第二电瓶307接通电源，第二发热线圈温度升高，对容器加热，容器内的植物枝叶受热，水分蒸发。水蒸气进入冷凝段，遇冷液化，第三采样管305收集冷凝后的水分。
45.本发明所述水分采集系统的使用方法：信号接收器41接收到终端5的控制、观测指令后，将指令传递给控制芯片31。
46.控制芯片31收到观测指令后发送指令给温度传感器21、湿度传感器22、气压传感
器23和gps定位器24进行监测环境数据，将结果反馈给控制芯片31，控制芯片31将观测结果处理后传递给信号接受器，信号接收器41通过地面通信基站42，将监测数据传递到地面控制的终端5。
47.控制芯片31收到土壤、大气或植物水分采集指令后，将按预定程序步骤，控制对应采样装置，进行水分采集，采集步骤完成时，控制器会通过信号接收器41将完成信息反馈到地面控制的终端5，终端5可将测量结果生成txt文件。
48.本发明基于无人机取样系统，其质量能控制在5kg以内，且能实现对人工采样难度较大的地方不同梯度水汽的采集，大幅度降低成本，增大了数据采集范围和广度，使得采样数据更加可靠，便于研究者研究。
49.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。