基于物联网的草原生态监测系统和方法技术方案

本申请属于草原生态地面监测的智能管控领域，特别涉及一种基于物联网的草原生态地面监测分类系统和方法。本申请公开的草原生态监测系统，包括：数据采集层，用于采集草原生态的植被呼吸数据和气象数据；数据传输层，用于将植被呼吸数据和气象数据传输到数据库；数据库，用于存储植被呼吸数据和气象数据；预处理单元，配置为对数据库中存储的植被呼吸数据和气象数据进行预处理得到预处理后的植被呼吸数据和气象数据；监测单元，包括预先训练好的BP神经网络模型，配置为根据预处理后的植被呼吸数据和气象数据输出监测结果。本申请方案集感知、传输、分析为一体，监测影响草原生态变化的重要因素，为草地环境治理、修复、提升等工作提供决策支持。

Grassland ecological monitoring system and method based on Internet of things

【技术实现步骤摘要】
基于物联网的草原生态监测系统和方法
本申请属于草原生态地面监测的智能管控领域，特别涉及一种基于物联网的草原生态地面监测分类系统和方法。
技术介绍
目前,针对草原生态的监测方式主要采用地面调查、遥感技术和3S技术。其中，(1)地面调查：在野外采用路线调查和典型样地调查的方法，以旗(县)为单位，选择具有典型性和代表性的草地类型或草地利用变化的地段，以及预判中有疑难问题的区域布设样地。调查内容主要包括植物群落种类组成、结构、数量特征及植物生长状况，草地覆盖度、高度、不同种类植物的出现频次。地面调查是人工统计植物群落种类组成、结构、数量特征及植物生长状况，需要耗费大量的人力、物力，准确性依赖于技术人员，监测结果不可靠，监测样点的选择代表不了整体的生态状况。(2)遥感技术：应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息，进行收集、处理，并最后成像，从而对地面各种景物进行探测和识别的一种综合技术。遥感成像是宏观监测，监测范围大、监测精度低，监测仪器昂贵。(3)3S技术由遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)构成，3S技术与地面草原植被路线考察相结合，是常用的研究方法，基于3S技术的草地退化的动态监测系统,借助GIS开发平台和可视化VB开发工具,以遥感影像数据和地面调查数据为基本的数据源。利用3S技术,实现了对草地退化适时监测、评估。3S技术是半自动化的监测手段，地面监测数据获取困难，且不具有实时、在线监测的功能。换言之，当前草原生态监测数据碎片化、人工化，草原生态评价片面化，草原生态监测系统不完整。草原生态监测数据获取困难，草原环境监测手段单一化，难以获得实时在线的草原生态监测数据。针对上述问题，本申请提出了一种基于物联网的草原生态监测系统和方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有草原生态监测数据碎片化、人工化，草原生态评价片面化，草原生态监测系统不完整，以及草原生态监测数据获取困难，草原环境监测手段单一化，难以获得实时在线的草原生态监测数据的问题，本申请提出了一种基于物联网的草原生态监测系统，所述草原生态监测系统包括：数据采集层，所述数据采集层用于采集草原生态的植被呼吸数据和气象数据；数据传输层，所述数据传输层用于将所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据传输到数据库；数据库，所述数据库用于存储所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据；预处理单元，所述预处理单元配置为对所述数据库中存储的植被呼吸数据和气象数据进行预处理得到预处理后的植被呼吸数据和气象数据；监测单元，所述监测单元包括预先训练好的BP神经网络模型，配置为根据所述预处理后的植被呼吸数据和气象数据输出监测结果。在上述基于物联网的草原生态监测系统的优选实施方式中，所述数据采集层包括：二氧化碳通量监测子系统，其用于获取草原生态的二氧化碳排放通量；气象监测子系统，其用于采集草原生态的气象数据，所述气象数据包括：风速、降雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤导电率、土壤温度和土壤湿度。在上述基于物联网的草原生态监测系统的优选实施方式中，所述气象监测子系统包括：温湿度传感器，其用于采集草原生态的空气温度数据和空气湿度数据；光照传感器，其用于采集草原生态的光照强度数据；风速传感器，其用于采集草原生态的风速数据；土壤温湿度电导率传感器，其用于采集草原生态的土壤温度数据、土壤湿度数据和土壤导电率数据；降雨量传感器，其用于采集草原生态的降雨量数据。在上述基于物联网的草原生态监测系统的优选实施方式中，所述数据传输层包括：LoRa数据传输模块，所述二氧化碳通量监测子系统采集到的二氧化碳通量数据通过所述LoRa数据传输模块传输到所述数据库；GPRS数据传输模块，所述气象监测子系统采集到的草原生态的气象数据通过所述GPRS数据传输模块传输到所述数据库。在上述基于物联网的草原生态监测系统的优选实施方式中，所述草原生态监测系统还包括神经网络训练模块，所述神经网络训练模块用于根据监测目的预先对BP神经网络进行训练。在上述基于物联网的草原生态监测系统的优选实施方式中，所述神经网络训练模块具体用于：根据监测目的设定所述BP神经网络的输出类型值，并将植被呼吸数据和气象数据作为BP神经网络的训练样本；初始化，将随机产生的权和阈值加到隐含层；顺序取训练样本输入到BP神经网络模型中，计算隐含层和输出层的输出值；分别计算隐含层和输出层相对于期望输出值的误差；如果计算出的误差不满足要求，则更新隐含层和输出层的权值，并继续取训练样本输入到BP神经网络模型中，以通过不断更新所述权值使得计算出的误差满足要求。本申请还提供了一种基于物联网的草原生态监测方法，该方法包括下列步骤：采集草原生态的植被呼吸数据和气象数据；存储采集到的植被呼吸数据和气象数据；对存储的植被呼吸数据和气象数据进行预处理得到预处理后的植被呼吸数据和气象数据；将预处理后的植被呼吸数据和气象数据输入预先训练好的BP神经网络模型，并输出监测结果。在上述基于物联网的草原生态监测方法的优选实施方式中，所述植被呼吸数据包括二氧化碳排放通量；所述气象数据包括：风速、降雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤导电率、土壤温度和土壤湿度。在上述基于物联网的草原生态监测方法的优选实施方式中，所述草原生态监测方法还包括：根据监测目的预先训练BP神经网络。在上述基于物联网的草原生态监测方法的优选实施方式中，所述根据监测目的预先训练BP神经网络，包括：根据监测目的设定所述BP神经网络的输出类型值，并将植被呼吸数据和气象数据作为BP神经网络的训练样本；初始化，将随机产生的权和阈值加到隐含层；顺序取训练样本输入到BP神经网络模型中，计算隐含层和输出层的输出值；分别计算隐含层和输出层相对于期望输出值的误差；如果计算出的误差不满足要求，则更新隐含层和输出层的权值，并继续取训练样本输入到BP神经网络模型中，以通过不断更新所述权值使得计算出的误差满足要求。本申请提供的基于物联网的草原生态监测系统集感知、传输、分析为一体，监测影响草原生态变化的重要因素。具体而言，本申请运用嵌入式和物联网技术，可监测风速、降雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤导电率、土壤温度和土壤湿度、二氧化碳排放通量等影响草原生态变化的重要因素,运用物联网技术将监测到的特征数据上传到服务器的数据库进行存储，再利用训练好的BP神经网络模型，实现对天然草原的监测及分类识别，为草地环境治理、修复、提升等工作提供决策支持。利用本申请的技术方案可以获得实时在线的草原生态监测数据，及时对草原生态做分析评价，提高了时效性。而且本申请可以获得草原的气象、土壤、二氧化碳排放通量等多种有效评价指标，使得草原地面监测系统更完整，草原生态评价更全面，应用BP神经网络分类预测，预测结果可达到90％以上，提高了草地分类预测的准确性。附图说明图1为本申请实施例的草原生态监测系统的示意性结构框图。图2为本申请实施例的二氧化碳通量监测子系统的示意性框图。图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述草原生态监测系统包括：/n数据采集层，所述数据采集层用于采集草原生态的植被呼吸数据和气象数据；/n数据传输层，所述数据传输层用于将所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据传输到数据库；/n数据库，所述数据库用于存储所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据；/n预处理单元，所述预处理单元配置为对所述数据库中存储的植被呼吸数据和气象数据进行预处理得到预处理后的植被呼吸数据和气象数据；/n监测单元，所述监测单元包括预先训练好的BP神经网络模型，配置为根据所述预处理后的植被呼吸数据和气象数据输出监测结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述草原生态监测系统包括：
数据采集层，所述数据采集层用于采集草原生态的植被呼吸数据和气象数据；
数据传输层，所述数据传输层用于将所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据传输到数据库；
数据库，所述数据库用于存储所述数据采集层采集到的植被呼吸数据和气象数据；
预处理单元，所述预处理单元配置为对所述数据库中存储的植被呼吸数据和气象数据进行预处理得到预处理后的植被呼吸数据和气象数据；
监测单元，所述监测单元包括预先训练好的BP神经网络模型，配置为根据所述预处理后的植被呼吸数据和气象数据输出监测结果。


2.根据权利要求1所述的基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述数据采集层包括：
二氧化碳通量监测子系统，其用于获取草原生态的二氧化碳排放通量；
气象监测子系统，其用于采集草原生态的气象数据，所述气象数据包括：风速、降雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤导电率、土壤温度和土壤湿度。


3.根据权利要求2所述的基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述气象监测子系统包括：
温湿度传感器，其用于采集草原生态的空气温度数据和空气湿度数据；
光照传感器，其用于采集草原生态的光照强度数据；
风速传感器，其用于采集草原生态的风速数据；
土壤温湿度电导率传感器，其用于采集草原生态的土壤温度数据、土壤湿度数据和土壤导电率数据；
降雨量传感器，其用于采集草原生态的降雨量数据。


4.根据权利要求2所述的基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述数据传输层包括：
LoRa数据传输模块，所述二氧化碳通量监测子系统采集到的二氧化碳通量数据通过所述LoRa数据传输模块传输到所述数据库；
GPRS数据传输模块，所述气象监测子系统采集到的草原生态的气象数据通过所述GPRS数据传输模块传输到所述数据库。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于物联网的草原生态监测系统，其特征在于，所述草原生态监测系统还包括神经网络训练模块，
所述神经网络训练模块用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：房建东，王晶，赵于东，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙;15