本發(fā)明屬于珍稀瀕危野生植物保護(hù)監(jiān)測(cè)，具體涉及一種用于野生紅豆杉的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、紅豆杉是世界上公認(rèn)瀕臨滅絕的天然珍稀植物，1994年紅豆杉被我國(guó)定為一級(jí)珍稀瀕危保護(hù)植物，同時(shí)被全世界42個(gè)有紅豆杉的國(guó)家稱為“國(guó)寶”，聯(lián)合國(guó)也明令禁止采伐，是名副其實(shí)的“植物大熊貓”。由于種群稀少、生存環(huán)境獨(dú)特，一旦受到破壞將對(duì)生物多樣性和生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的損失，尤其需要重點(diǎn)保護(hù)。紅豆杉屬于不會(huì)開(kāi)花不會(huì)結(jié)果、種子無(wú)果皮包被而裸露生長(zhǎng)的裸子植物，相對(duì)地，種子外有果皮包被、能夠開(kāi)花、結(jié)果的植物叫做被子植物。

2、1967年從太平洋紅豆杉體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的一種叫做“紫杉醇”的植物代謝產(chǎn)物。紫杉是紅豆杉的別名，源于其心材顯現(xiàn)紫紅條紋。十幾年后，科研人員發(fā)現(xiàn)紫杉醇能通過(guò)干擾細(xì)胞的有絲分裂來(lái)消滅癌細(xì)胞，對(duì)治療癌癥有一定功效，但不是絕對(duì)的。二十世紀(jì)九十年代初，國(guó)人得知紅豆杉具有抗癌本事之后，坐擁全世界野生紅豆杉資源最豐富的西南地區(qū)，在巨額利益驅(qū)動(dòng)下，其天然林慘遭地毯式的剝皮過(guò)程。剝皮對(duì)紅豆杉，甚至是對(duì)所有樹(shù)木來(lái)說(shuō)，無(wú)異于屠殺。樹(shù)木的皮里藏著類似于我們血管的長(zhǎng)管狀細(xì)胞——運(yùn)輸有機(jī)物質(zhì)的篩管和運(yùn)輸水及無(wú)機(jī)鹽的導(dǎo)管。給樹(shù)木剝皮，就是切斷了植物運(yùn)輸養(yǎng)分的“血管”，特別是位于外層的篩管，斷了樹(shù)木自身輸導(dǎo)養(yǎng)分。

3、紅豆杉植株可高達(dá)30米，葉條形或披針形，呈螺旋狀排列或交叉對(duì)生；雌雄異株；種子核果狀，全部包于肉質(zhì)假種皮中，或堅(jiān)果狀，包于杯狀肉質(zhì)假種皮中。秋天會(huì)長(zhǎng)出櫻桃大小的紅色豆形果實(shí)，因此而得名。

4、秦嶺野生紅豆杉主要分布在秦嶺地區(qū)，常生于海拔1000-1200米以上的高山上部。它們喜歡涼爽濕潤(rùn)的氣候，耐寒性強(qiáng)，喜歡陰濕、耐寒、耐旱，能夠耐受零下30℃的低溫，并且適應(yīng)性強(qiáng)，可以在南北各地種植。紅豆杉是淺根植物，主根不明顯，側(cè)根發(fā)達(dá)。它們喜歡疏松肥沃、排水良好的土壤，通常生長(zhǎng)在沙質(zhì)土壤上。紅豆杉具有喜蔭、耐旱、抗寒的特性，能夠在密林下生長(zhǎng)。

5、紅豆杉在中國(guó)南北各地均適宜種植，具有喜蔭、耐旱、抗寒的特點(diǎn)，要求土壤ph值在5.5-7.0。生境性耐陰，密林下亦能生長(zhǎng)，多年生，不成林。多見(jiàn)于以紅松為主的針闊混交林內(nèi)。生于山頂多石或瘠薄的土壤上，多呈灌木狀。多散生于陰坡或半陰坡的濕潤(rùn)、肥沃的針闊混交林下。性喜涼爽濕潤(rùn)氣候，可耐零下30℃以下的低溫，抗寒性強(qiáng)，最適溫度20-25℃，屬陰性樹(shù)種。喜濕潤(rùn)但怕澇，適于在疏松濕潤(rùn)排水良好的砂質(zhì)壤土上種植。繁殖方式：紅豆杉雌雄異株、異花授粉、植株間隔，導(dǎo)致授精受阻、種子數(shù)量減少。種子當(dāng)年成熟，假種皮厚，自然條件下需兩冬一夏才能萌芽。

6、秦嶺山區(qū)野生紅豆杉分布極為分散，有的區(qū)域紅豆杉為散生。目前已經(jīng)統(tǒng)計(jì)的分布區(qū)域散生占比較大，而且目前也在不斷地發(fā)掘和統(tǒng)計(jì)分布地域；但野生紅豆杉生長(zhǎng)海拔高，又比較分散，如何對(duì)已發(fā)掘的野生紅豆杉的生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)狀況等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別對(duì)野生紅豆杉危害最大的病蟲害不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，此外高山深處的野生紅豆杉，也是當(dāng)前工作人員監(jiān)測(cè)和保護(hù)面臨的一個(gè)很大難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有的棘手問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于野生紅豆杉的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，根據(jù)紅豆杉的樹(shù)形及其大小，結(jié)合攝像頭相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建信息采集無(wú)人機(jī)的飛行軌跡模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅豆杉的定期、全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控，尤其是對(duì)于野生紅豆杉危害最大的病蟲害，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而及時(shí)防治。同時(shí)，信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使植物保護(hù)站的工作人員對(duì)野生紅豆杉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，特別是解決了秦嶺山區(qū)散生紅豆杉的監(jiān)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題。

2、本發(fā)明的一種用于野生紅豆杉的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：工作箱、信息采集無(wú)人機(jī)、控制中心，以及與所述控制中心電性連接的土壤信息采集部和太陽(yáng)能供電部，所述信息采集無(wú)人機(jī)與所述控制中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連通；

3、所述工作箱包括上箱體、下箱體和箱頂，所述上箱體底表面上設(shè)置有用于信息采集無(wú)人機(jī)停放的起落平臺(tái)；所述起落平臺(tái)通過(guò)滑軌與所述上箱體底表面連接，所述起落平臺(tái)能夠延伸至上箱體的外側(cè)；所述信息采集無(wú)人機(jī)底部設(shè)置有攝像頭，且頂部安裝有定向聲波驅(qū)鳥(niǎo)器；

4、所述箱頂為包括第一斜面和第二斜面的人字形頂，所述第一斜面上設(shè)置有空氣溫度檢測(cè)傳感器、空氣濕度傳感器和氣象監(jiān)測(cè)器，所述第二斜面上設(shè)置有所述太陽(yáng)能供電部；

5、所述控制中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與植物保護(hù)站的監(jiān)控總機(jī)聯(lián)通，所述控制中心包括：用于收集存儲(chǔ)各類信息的存儲(chǔ)器模塊，用于設(shè)置巡邏出勤頻次參數(shù)并向所述信息采集無(wú)人機(jī)發(fā)出出勤指令的出勤分配模塊，用于控制起落平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模塊，用于設(shè)定無(wú)人機(jī)飛行路線的路線規(guī)劃模塊。

6、本發(fā)明中，所述土壤信息采集部和所述控制中心設(shè)置在所述下箱體內(nèi)，所述土壤信息采集部包括4個(gè)土壤墑情采集單元，所述土壤墑情采集單元包括信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)和用于承載信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)且能夠伸縮的承載桿；

7、進(jìn)一步，本發(fā)明所述用于野生紅豆杉的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，空氣溫度檢測(cè)傳感器、空氣濕度傳感器和氣象監(jiān)測(cè)器，以及承載桿全部與所述控制中心電性連接。

8、本發(fā)明中，所述空氣溫度檢測(cè)傳感器、空氣濕度傳感器和氣象監(jiān)測(cè)器的設(shè)置，一方面主要用于監(jiān)測(cè)紅豆杉周邊的空氣環(huán)境；另一方面氣象監(jiān)測(cè)器用于監(jiān)測(cè)紅豆杉所處位置的天氣情況，為所述信息采集無(wú)人機(jī)的巡邏出勤時(shí)間提供參考，若監(jiān)測(cè)到未來(lái)某時(shí)段具有雷雨風(fēng)暴等類似的惡劣天氣，則所述控制中心將不會(huì)在此時(shí)間段向所述信息采集無(wú)人機(jī)發(fā)出出勤任務(wù)指令，或者，中斷之前設(shè)定的出勤指令。此外，在惡劣天氣結(jié)束后的2日內(nèi)，所述控制中心將會(huì)在某時(shí)間段向所述信息采集無(wú)人機(jī)發(fā)出出勤任務(wù)指令，觀測(cè)惡劣天氣是否對(duì)紅豆杉造成需要即使修復(fù)的損傷。

9、本發(fā)明中，所述太陽(yáng)能供電部用于為所述信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)部分提供電能，主要用于為信息采集無(wú)人機(jī)的充電裝置提供電能；信息采集無(wú)人機(jī)每次出勤后返回上箱體之后，均要進(jìn)行電能補(bǔ)充。

10、本發(fā)明中，所述信息采集無(wú)人機(jī)底部的攝像頭能夠在水平和豎直方向均進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。信息采集無(wú)人機(jī)通過(guò)攝像頭拍攝到紅豆杉的圖像，并傳送至控制中心的存儲(chǔ)器模塊，再由控制中心傳送至植物保護(hù)站的監(jiān)控總機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息搜集和監(jiān)控。

11、本發(fā)明中，信息采集無(wú)人機(jī)停至起落平臺(tái)時(shí)，信息采集無(wú)人機(jī)的起落架由起落平臺(tái)上的固定機(jī)構(gòu)自動(dòng)鎖住信息采集無(wú)人機(jī)的起落架，防止信息采集無(wú)人機(jī)碰撞被損壞。

12、本發(fā)明中，所述起落平臺(tái)通過(guò)滑軌與所述上箱體底表面連接，且能夠沿著伸至上箱體的外側(cè)。起落平臺(tái)由控制中心的運(yùn)動(dòng)模塊控制，當(dāng)信息采集無(wú)人機(jī)需要巡邏出勤時(shí)，其被起落平臺(tái)自動(dòng)滑動(dòng)攜帶至上箱體外，進(jìn)而執(zhí)行飛行任務(wù)；當(dāng)息采集無(wú)人機(jī)巡邏出勤完畢降落回起落平臺(tái)后，其被起落平臺(tái)自動(dòng)滑動(dòng)攜帶至上箱內(nèi)部。上箱體內(nèi)部壁上固定設(shè)置有與起落平臺(tái)的一端固定連接接的能自動(dòng)伸縮的機(jī)械臂，機(jī)械臂固定安裝于起落平臺(tái)靠近上箱體內(nèi)部的一端且也由由控制中心的運(yùn)動(dòng)模塊控制運(yùn)動(dòng)；機(jī)械臂一方面為起落平臺(tái)自動(dòng)滑動(dòng)提供動(dòng)力，另一方面防止起落平臺(tái)位于上箱體外部時(shí)，由于信息采集無(wú)人機(jī)的重力作用而向下傾斜。

13、本發(fā)明中，所述工作箱的外部也需要安裝用于驅(qū)鳥(niǎo)、驅(qū)獸的聲波器，防止對(duì)工作箱內(nèi)外的相關(guān)裝置產(chǎn)生破壞。

14、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述路線規(guī)劃模塊通過(guò)控制所述信息采集無(wú)人機(jī)的飛行速度和時(shí)間實(shí)現(xiàn)飛行軌跡設(shè)定；

15、所述飛行軌跡依次包括四段：第一軌跡、第二軌跡、第三軌跡和第四軌跡，其中第三軌跡為圍繞紅豆杉螺旋上升形成的三維等角圓錐螺旋曲線；

16、所述第一軌跡以起落平臺(tái)為起點(diǎn)沿z軸方向以速度υ1垂直上升高度h1到達(dá)a點(diǎn)，所述第二軌跡以a點(diǎn)為起始點(diǎn)沿y軸向靠近需監(jiān)測(cè)紅豆杉的方向以速度υ2水平飛行距離s1到達(dá)o點(diǎn)，所述第三軌跡以o點(diǎn)為起始點(diǎn)圍繞需監(jiān)測(cè)紅豆杉沿三維等角圓錐螺旋曲線上升至圓錐頂點(diǎn)p點(diǎn)，且p點(diǎn)位于紅豆杉的樹(shù)頂端d點(diǎn)的正上方；所述第四軌跡以p點(diǎn)為起點(diǎn)，沿點(diǎn)p和點(diǎn)a形成的直線返回至a點(diǎn)，最終降落至起落平臺(tái)上。

17、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在直角坐標(biāo)系中，所述第三軌跡的點(diǎn)跡形成方程為：

18、設(shè)定t為飛行時(shí)間，ω是無(wú)人機(jī)圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的角速度，線速度υ3沿平行于z軸的正方向上升，o點(diǎn)到紅豆杉的樹(shù)干中線的垂直距離為rm；紅豆杉的樹(shù)頂端到o點(diǎn)的垂直高度為hm，所述攝像頭的鏡頭焦距為b?m，三維等角圓錐螺旋曲線的螺距為m?m，m的值等于攝像頭的像素寬度；

19、在時(shí)刻t＝0時(shí)，o點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,0,0)，所述信息采集無(wú)人機(jī)的在時(shí)刻t時(shí)，其坐標(biāo)為(x(t)，y(t)，z(t))，則：

20、x(t)＝(r-υ3*t)*cos(ωt)?式(1)，

21、y(t)＝(r-υ3*t)*sin(ωt)?式(2)，

22、z(t)＝υ3t?式(3)；

23、其中，ω和υ3滿足關(guān)系式(4)：

24、h+b/sinθ＝(2π*n*υ3)/ω??式(4)，

25、所述式(4)中，角度θ為所述三維等角圓錐螺旋曲線形成的圓錐狀的半錐角，n為所述三維等角圓錐螺旋曲線的螺旋圈數(shù)，且滿足式(5)：

26、

27、且θ滿足關(guān)系式(6)：

28、r*cosθ-h*sinθ＝b?式(6)；

29、所述式(5)和式(6)中，所述三維等角圓錐螺旋曲線形成的圓錐狀的垂直高度為hcm，且h＝h+b/sinθ。

30、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述信息采集無(wú)人機(jī)為四旋翼小型無(wú)人機(jī)，所述線速度υ3的范圍為3m/s～10m/s。

31、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述攝像頭的攝像頭的鏡頭焦距b＝85mm～135mm，所述攝像頭的視角為50°～70°，所述攝像頭的像素寬度為202mm～330mm。

32、本發(fā)明中，一般所述監(jiān)控?cái)z像頭的向下傾斜角度等于θ。

33、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述土壤信息采集部包括至少4個(gè)土壤墑情采集單元，所述土壤墑情采集單元包括信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)和用于承載信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)且能夠伸縮的承載桿；所述土壤墑情采集單元的信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)包括土壤濕度感應(yīng)部、土壤ph值感應(yīng)部、土壤溫度感應(yīng)部和土壤體積含水量感應(yīng)部。同時(shí)，所述土壤墑情采集單元的信息感應(yīng)機(jī)構(gòu)還可以設(shè)置土壤養(yǎng)分感應(yīng)部。

34、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述箱頂?shù)膬?nèi)側(cè)安裝有用于監(jiān)控所述信息采集無(wú)人機(jī)是否破損的第二攝像頭，所述第二攝像頭拍攝的影像存儲(chǔ)于所述控制中心的存儲(chǔ)器模塊，最終被傳送至植物保護(hù)站的監(jiān)控總機(jī)。

35、本發(fā)明中，根據(jù)紅豆杉的樹(shù)形及其大小，結(jié)合攝像頭相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建信息采集無(wú)人機(jī)的飛行軌跡模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅豆杉的定期、全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控，尤其是對(duì)于野生紅豆杉危害最大的病蟲害，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而及時(shí)防治。同時(shí)，信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使植物保護(hù)站的工作人員對(duì)野生紅豆杉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，特別是解決了秦嶺山區(qū)散生紅豆杉的監(jiān)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題。

36、紅豆杉常見(jiàn)葉螨、蚜蟲、莖腐病、立枯病等病蟲害，均需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用人工防治、生物防治為主，化學(xué)防治為輔的多元化防治手段進(jìn)行及時(shí)治療保護(hù)。

37、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述第二軌跡、第三軌跡和第四軌跡中參數(shù)的調(diào)節(jié)周期為2～4年/次。

38、紅豆杉的生長(zhǎng)速度比較慢，成年紅豆杉的年生長(zhǎng)速度在10毫米以下，因此對(duì)于安裝及設(shè)定好的信息采集無(wú)人機(jī)的巡邏軌跡不用進(jìn)行頻繁調(diào)節(jié)。

39、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述任務(wù)出勤分配模塊根據(jù)季節(jié)設(shè)定巡邏出勤頻次，具體為：

40、在每年的6～8月對(duì)所述信息采集無(wú)人機(jī)的巡邏出勤頻次設(shè)置為1～2次/7天，在每年的9～10月巡邏出勤頻次設(shè)置為1次/15天，在每年的11～3月巡邏出勤頻次設(shè)置為1次/20天，在每年的4～5月巡邏出勤頻次設(shè)置為1次/15天。

41、本發(fā)明中，紅豆杉的病蟲害的高發(fā)季節(jié)主要集中在夏秋季節(jié)，特別是7月和8月；在這個(gè)時(shí)間段，高溫和濕度條件為病蟲害的繁殖和傳播提供了有利環(huán)境。例如：莖腐病，主要發(fā)生在夏秋季高溫季節(jié)，病害發(fā)生和流行主要取決于7月和8月的氣溫，如果發(fā)病較早，苗木抗熱能力弱，病害將更加嚴(yán)重；白絹病，一般在6月上旬開(kāi)始發(fā)生，7月到8月溫度上升至30℃左右時(shí)為病害始盛期，溫度高達(dá)35℃時(shí)為高峰期，9月末病害基本停止；蚜蟲，由于溫室內(nèi)的常年溫度保持在18℃以上，蚜蟲在夏季仍能繼續(xù)繁殖和危害，特別是在夏季高溫季節(jié)。

42、進(jìn)一步，本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所述定向聲波驅(qū)鳥(niǎo)器設(shè)置為12khz～25khz的驅(qū)鳥(niǎo)超聲波。

43、本發(fā)明的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方法為：在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)散生的紅豆杉后，清理出紅豆杉的監(jiān)測(cè)空間范圍，將信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)固定在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的合適位置；對(duì)紅豆杉進(jìn)行樹(shù)高和樹(shù)最大外徑測(cè)量，確定好a點(diǎn)、o點(diǎn)的位置，對(duì)應(yīng)得到參數(shù)h和r的值，設(shè)定好信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的飛行軌跡；則信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以直接開(kāi)始工作了。

44、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

45、本發(fā)明所述的信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，根據(jù)紅豆杉的樹(shù)形及其大小，結(jié)合攝像頭相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建信息采集無(wú)人機(jī)的飛行軌跡模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅豆杉的定期、全方位遠(yuǎn)程監(jiān)控，尤其是對(duì)于野生紅豆杉危害最大的病蟲害，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而及時(shí)防治。同時(shí)，信息采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以使植物保護(hù)站的工作人員對(duì)野生紅豆杉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，特別是解決了秦嶺山區(qū)散生紅豆杉的監(jiān)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題。